西南地區穿斗式木結構民居構造特點及震害特征分析

摘要：為了深入了解穿斗式木結構的抗震能力，從該結構的建筑構造特點出發對其進行詳細介紹。基于對貴州黔西南州、黔南州的鄉鎮村落的實地調查，對穿斗式木結構的建筑特點和構造特點進行了分類歸納；根據2021年四川瀘縣6.0級、2022年瀘定6.8級地震震中的現場震害調查結果以及自2013以來西南地區6.0級以上典型地震的震害資料，總結了穿斗式木結構房屋的典型震害，包括屋面破壞、圍護墻破壞、木構架破壞等，并分析了其震損原因。結果表明：穿斗式木結構獨特的榫卯連接形式，使其木構架在地震作用下表現出良好的抗震能力，而填充墻抗震性能相對較差。

關鍵詞：穿斗式木結構；現場調研；建筑特點；構造特點；震害特點；西南地區

中圖分類號：P315.9 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2024）02-0290-10

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0008

0 引言

中國傳統的木結構建筑歷史悠久、體系獨特、形式多樣，按照結構形式一般可分為抬梁式、穿斗式、井干式等。穿斗式木結構房屋多分布在山地較多、雨量較大、氣候濕熱、杉木存量較大的西南地區少數民居聚集區。該結構最為顯著的特點是墻體不承重、通柱承重、柱上擱檁，其建造技術在漢代已經相當成熟（劉敦楨，1984；陸偉東，2014），建造采用的木柱直徑與枋的截面尺寸較小、用材較少、結構輕盈、適用性強，具有省工、省料和經濟的優點，因此流傳至今。

由于穿斗式木結構房屋的建造過程主要依靠當地工匠的經驗進行施工，其過程缺乏有效的監管，房屋施工質量難以得到保證，導致其震損現象存在較大的差異。為了更加明確地了解穿斗式木結構房屋的抗震機理，眾多學者對其進行了震害調查及研究，如姚侃等（2007）通過總結木結構的抗震機理，認為木結構的特殊構造特點和構件連接方式使其具有更好的抗震性能；2013年四川蘆山7.0級地震后，孫柏濤等（2014a，b）對該地震災區進行了詳細考察，總結出穿斗式木構架的典型震害現象并分析了原因，曲哲等（2014）對該地震中未經抗震設計的民居震害進行了調查分析，發現相較于砌體結構，穿斗式木結構房屋平均震損程度較輕，其木構架主體具有相對較好的抗震性能；陳相兆等（2017）和閆培雷等（2018）對2014年四川康定6.3級地震中穿斗式木結構房屋的構造方式、震害特點進行分析，發現該結構房屋在此次地震中表現出良好的抗震能力，主體木構架完好，但仍有部分石圍護墻出現歪閃或倒塌；杜軻等（2021）和葉陽等（2021）對2021年云南漾濞6.4級地震進行了現場震害調查，發現云南滇西地區存在大量以土墻作為圍護墻的穿斗式木結構房屋，通過分析該結構的構造特點，總結歸納了典型震害特點并提出了相應的加固意見及修繕措施。

盡管對于穿斗式木結構房屋震害的研究已較多，但由于建造時期和分布地域的不同，穿斗式木結構在其建筑及構造特點上存在著較大差異，這也導致其震害特征和破壞程度也不相同。因此，有必要對穿斗式木結構的建筑、構造及震害特點進行詳細調查和分析。本文結合貴州山區穿斗式木結構房屋的現場調研結果，分別從其建筑特點及構造特點兩個方面進行分析，并在此基礎上，基于2013年以來西南地區6.0級以上地震震中的震害調查結果及相關文獻資料，分析了穿斗式木結構房屋的典型震害特征，以期為穿斗式木結構房屋的抗震性能評估與加固提供參考。

1 貴州山區穿斗式木結構房屋的建筑特點

針對貴州山區穿斗式木結構的建筑特點，孫柏濤課題組于2022年6月7—17日對其開展了現場調研，調研工作采用無人機航拍與現場采訪相結合的方式進行。調研區涉及黔西南州、黔南州等地鄉鎮26個村落，面積約為2 849 km²，調研路線如圖1所示。

調查結果表明，貴州山區穿斗式木結構房屋占比約為既有村鎮建筑的7%～8%。該地區穿斗式木結構的平面布局主要以四扇三開間為主，占比為85%～90%，同時也存在少量的六扇五開間、八扇七開間。穿枋通柱的截面形狀為方形或圓形，其邊長或直徑約為200～220 mm，且邊柱與中柱的尺寸大致相同，屋面形式多為懸山頂冷攤瓦。針對貴州山區穿斗式木結構的建筑特點進行歸納。

1.1 屋面

坡屋頂因具有排水迅速、不宜積水等優點，被廣泛應用于我國西南地區的村鎮民居建筑中。經現場調查分析得到，貴州山區穿斗式木結構的屋面形式以懸山頂冷攤瓦屋面（圖2）為主，占比約為90%，屋面坡度約為30°～40°，同時穿斗式木結構房屋中也存在少量的硬山頂及歇山頂。

懸山頂各檁條直接伸到山墻外，懸挑于屋面外。冷攤瓦屋面的設計過程中僅需確定瓦片尺寸后便可進行施工，但施工質量難以得到保障，其耐久性、安全性都相對較低（王峰，2013）。

1.2 木構架

中部木構架部分作為穿斗式木結構的骨架和主體，其在形制上決定了建筑的開間、進深、高度等?，F場調研發現，貴州山區穿斗式木結構房屋平面布置上以規則的“長方形”最為普遍，其開間方向的長度約為12～14 m，每榀木構架的間距約為4 m；進深方向尺寸為7～8 m，每根木柱間距的約為1.3 m，如圖3所示（楊宇振，2002）。

立面上同樣十分規整，通過斗枋、穿枋之間鋪設樓面板，可將建筑物在立面上分為3部分，即夾層（用于堆積雜物）、二層（用于儲物糧食）、一層（起居室），如圖4所示。建筑高度約為7～8 m，夾層高度約為2 m，二層層高約為2.5 m，一層層高約為2.8 m。

常見的圍護墻形式有木板墻、磚墻、石墻、土坯墻、編竹夾泥墻、混合墻等。調查區范圍內的穿斗式木結構房屋的圍護墻多以木板墻為主，不承重僅起到圍護的作用。為避免木板墻出現大面的翹曲，常見的做法是將多根枋件與木柱連接形成一個枋框（圖5中的白色虛線框），再將多塊木板沿橫向或豎向固定在枋框上的榫槽內即可，形成整塊木板墻。

2 貴州山區穿斗式木結構房屋構造特點

穿斗式木結構房屋的主體結構部分是以柱、枋作為承重構件，其能夠在地震中有出色的表現，離不開其自身的構造措施，其構造特點如圖6所示。

2.1 整體構造措施

整體構造措施通常是為了保證建筑物的整體穩定性及抗倒塌能力，同時使結構構件具有更好的協調性，常見的構造措施有收分、側腳、升山。

傳統木結構的木柱（除去瓜柱一類的短柱）上下端直徑并非是相等的，而是上細下粗的圓臺體。這種根部粗、端部細的做法，稱為收分。穿斗式木結構房屋中，木柱的收分一般為柱高的1/100，即柱高3 m，柱子收分3 cm（馬炳堅，2003）。

為加強建筑物的整體穩定性，穿斗式木結構房屋最外圈柱子的柱腳通常會向外側移一定的距離，使得外圈柱的上端略向內側傾斜，這種做法稱為側腳，如圖7所示。柱子的側腳尺寸與收分尺寸基本相同，如柱高3 m，收分3 cm，側腳同樣是3 cm。

穿斗式木結構房屋整體兩側的木構架略高于中間木構架，中間木構架稍低進行內收處理，這種做法使得建筑重心趨中，房屋不易發生傾斜，增加了建筑物的穩定性，稱之為升山（楊宇振，2002）。

2.2 屋面構造

冷攤瓦屋面的做法是根據瓦片的大小確定好椽子間距后，將椽子釘裝在檁條上，然后在椽子上鋪設瓦片。穿斗式木結構房屋中，椽子多采用細長的木條，屋面通常為直線坡面，無需進行折斷處理，使用釘子將椽子直接釘在檁條上。椽子的間距取決于瓦片的尺寸，通過現場調研發現，椽子的間距約為瓦片寬度的4/5，當地瓦片的尺寸多為20 mm×20 mm，椽間距約為160 mm，如圖8a所示。屋面瓦片的鋪設順序應按照“先底瓦后蓋瓦、從下至上、從左到右”的順序。瓦片之間的疊壓應符合“一搭三”的要求，即上下瓦面間的搭接長度一般為壓六漏四，滿足第一塊瓦片和第三塊瓦片能夠做到首尾相接，使得搭接處有三皮瓦的厚度。為了達到更好的排水效果，走水壟寬宜為底瓦寬度的1/3，如圖8b所示（王曉華，馮美宇，2013）。

2.3 榫卯連接節點

傳統穿斗式木結構房屋采用的榫卯節點種類繁多，形狀各異，這不僅與榫卯節點的功能有關，還與使用位置、安裝方式有著直接的關系。

（1）穿枋、斗枋與柱的連接

穿枋是連接木構架進深方向的重要構件，其主要的作用是連接相鄰通柱及承接上部瓜柱，穿枋的斷面多為80～150 mm的矩形截面。斗枋是連接木構架開間方向的構件，主要起到將木構架連接成一個整體空間構架，其尺寸略大于穿枋的截面尺寸。穿枋、斗枋與木柱常做貫穿連接，并延伸出柱卯口一定的距離，其可在一定程度上限制拔榫、脫榫的現象發生。由于木材的長度限制，貫通過程并不能由單根枋件完成，通常需要進行搭接處理，可將其分為通榫和鉤榫，通榫多用于常見長度范圍內的連接處理，鉤榫多用于貫穿多根木柱的搭接處理（薛建陽等，2019；許丹，2019），見表1。

（2）瓜柱與穿枋的連接

瓜柱是穿斗式木結構上部的小短柱，主要起到承接上部檁條的作用。瓜柱在連接上較為簡單，常見的連接方式是在瓜柱底部開出與穿枋斷面寬度尺寸大小相似的榫槽，其槽深多為穿枋高度的一半，之后架于穿枋上即可（表1）。

（3）檁條與柱頂的連接

穿斗式木結構中的檁條通常直接擱置在木柱上，其主要作用是承接傳遞上部屋面荷載。在連接上，檁條直接擱置在木柱上，兩者之間無有效的拉結。常見的做法是在通柱或瓜柱的柱頂做榫口，方便擱置檁條，在檁條的兩側進行削切，最后將其擱置在瓜柱或通柱上即可（表1）。

（4）地腳枋與立柱的連接

貴州山區的穿斗式木結構房屋的柱腳大多數浮擱于柱礎石上，柱腳與柱礎石之間不設連接，但在各柱腳之間設置地腳枋，以增強木構架整體的穩定性。也有極少數木結構會做管腳榫，以固定木柱與柱礎石的位置。值得注意的是，當穿枋與斗枋相交于角柱時，常見的做法是將穿枋做成通榫，斗枋做成半榫進行連接，見表1。

2.4 基礎構造

從基本構成上看，穿斗式木結構房屋的下部基礎由基礎、臺基、柱礎石3部分組成。貴州山區的穿斗式木結構房屋的基礎形式以毛石基礎為主，使用毛石進行壘筑，并用黃砂填充石頭間的縫隙，但黃砂的含泥量較大，結構較為松散，但隨著長時間的沉淀，其承載能力會有所提升。

臺基是指位于基礎之上，柱礎石之下的部分，如圖9所示。該部分不僅可以起到穩固基礎的作用，還可以一定程度上提高建筑高度，具有一定的防水、防潮的作用，能夠提高木結構的抗腐蝕能力（王峰，2013）。

柱礎石位于臺基之上，木柱之下，其能夠起到傳導柱身的集中荷載至基礎的作用，同時也起到了防雨防潮、保護柱腳的作用。不僅如此，柱礎石還承擔著裝飾、表達民族文化等作用，但其并不具有像臺基、斗拱那樣表達等級關系的功能，如覆盆式柱礎石在宋代常用于等級較低的民用建筑，而在清代則又成為了官式建筑中指定造型（劉致平，1957）。

3 西南地區穿斗式木結構震害特征分析

穿斗式木結構房屋特殊的連接建造方式，使其具有良好的抗震、耗能減震的性能，但在歷次地震中也暴露了該結構的抗震薄弱部位。按照建筑特色相近、震區相鄰、震害相似的原則，依據貴州山區穿斗式木結構房屋的構造特點，并根據2021年9月16日四川瀘縣6.0級地震、2022年9月5日四川瀘定6.8級地震中的房屋震害現場調查結果，以及西南地區歷史地震的震害資料，如2013年蘆山7.0級地震、2014年康定6.3級地震、2021年漾濞6.4級地震等，將西南地區穿斗式木結構的典型震害特征歸納為：屋面震損、圍護墻震損、木構架震損等。兩次四川瀘縣地震震害影響場與調研區地理空間關系如圖10所示。

3.1 屋面震損

對于冷攤瓦屋面，瓦片之間采用疊壓的方式進行連接，瓦片與椽子之間缺乏有效的連接措施，僅靠瓦片之間的摩擦力抵抗地震作用，在地震作用下易造成屋面溜瓦、堆瓦、落瓦等破壞現象（孫柏濤等，2014a，b）。在地震作用下，椽子和檁條等截面較小的屋面構件也容易發生折斷、脫落等破壞現象，如2022年瀘定6.8級地震中穿斗式木結構房屋的椽子、檁條破壞引起了屋面瓦破壞，如圖11所示。

3.2 圍護墻震損

石墻作為圍護墻的穿斗式木結構房屋的常見震害現象為木構架基本完好，頂部山墻局部掉落（圖12a），山墻破壞最為嚴重甚至整體倒塌。這是由于石墻中砂漿強度較差，且與木構架之間并未設置有效的拉結措施。砌體圍護墻常見的震損現象為墻體與木構架脫開、平面內墻體開裂及墻片整體倒塌（圖12b），這是由于砌體墻體厚度多為120 mm，穩定性較差，在地震作用下，墻體易發生失穩現象（孫柏濤等，2014a，b）。木板墻作為圍護墻體時，穿斗式木結構的震損相對較輕，常見的現象為山墻尖部木板墻脫落、底層木板倒塌（圖12c），這是由于木板墻與木構架之間的材料相同變形能力較為相近，但兩者之間多以榫槽的形式進行處理，兩者連接并不可靠。

綜上所述，在地震作用下，不同墻體之間的震害表現存在著差異性，但總體上看木結構具有更好的抗震性能，而砌體填充墻與石墻次之，造成這種震害差異的原因可總結為：①圍護墻與木構架之間缺乏有效的連接措施；②圍護墻與木構架兩者之間的動力特性及變形能力相差較大，在地震作用下兩者不能協同工作；③圍護墻體本身的穩定性與整體性較差。

3.3 木構架震損

木構架之間多采用榫卯進行連接，地震作用時建筑多向受力，節點及構件受力復雜，常見的震損現象包括榫卯節點連接破壞、柱（枋）構件破壞、木柱柱腳移位以及整體縱向傾斜。

（1）榫卯節點連接破壞

穿斗式木結構為半剛性節點超靜定結構，部分榫卯節點的輕微松動或個別榫卯的脫開損壞并不會直接導致結構倒塌，荷載也可通過木構架的內力重分布得到平衡。節點處的卯口尺寸通常略大于榫頭的截面尺寸且節點處的構件存在截面削弱現象，在往復荷載作用下易發生脫榫、拔榫、折榫等現象（徐紅杰等，2010），嚴重時甚至可能會引起構件的局部破壞及整體垮塌，如圖13a所示。但榫頭與卯口之間的縫隙，在不斷的擠壓、拔榫過程中節點能夠產生較大的轉動和變形，兩者之間的摩擦滑移具有一定的耗能能力，可消耗一定的地震能量（姚侃等，2007）。

（2）柱枋構件破壞

現場調研的穿斗式木結構多以老舊建筑為主，此類建筑基本未經過抗震加固處理，隨著房屋的使用年限的增加，木構架逐漸老化，常常會出現開裂、腐朽等現象。在地震作用下，柱枋構件的破斷位置通常位于立柱開洞處（即構件截面削弱較大處）、木構架遭受腐蝕的位置或木柱枋接長的位置，如圖13b所示（李成煜，1996；張方浩等，2021）。

（3）木柱柱腳移位

穿斗式木結構柱底基本都未設置柱腳榫或拉結構造，而是直接浮擱于柱礎石上，這種浮放的處理方式允許柱腳可以發生輕微的變形。在地震作用下，柱底與柱礎石之間的摩擦力與微小變形來抵抗側向作用，可減輕上部結構的地震作用，但常出現柱腳移位現象，嚴重時會引起結構的倒塌，如圖13c所示。

（4）整體縱向傾斜

穿斗式木結構的橫向由多根立柱及穿枋組成并加以填充墻形成一榀穩定的木構架；縱向由多根斗枋通過榫卯連接將木構架組成木框架，但缺乏可靠的連接構造措施。整體上看，橫向剛度優于縱向剛度，在地震作用下縱向易出現晃動，從而引起房屋發生整體縱向傾斜，如圖13d所示（高永武等，2013）。

4 結論

本文基于現場調研結果分類歸納了貴州山區穿斗式木結構的建筑構造特點，并通過總結西南地區地震現場震害調查結果，以及2013年蘆山7.0級地震、2014年康定6.3級地震、2021年漾濞6.4級地震等震害資料，分析了穿斗式木結構房屋典型震害的震損原因，得到以下結論：

（1）通過總結歷次地震穿斗式木結構房屋震害及現場調查結果發現：在低烈度區主要以屋面及圍護墻等非結構構件的破壞為主，常出現屋面溜瓦、墻體局部倒塌等現象；在高烈度區主體木構架往往會達到輕微破壞，主要表現為榫卯節點處出現脫榫、拔榫等現象，而圍護墻的震損較為嚴重，多出現整體倒塌等現象?？偠灾?，穿斗式木結構主體木構架具有較好的抗震能力，而圍護墻的震損現象相對較為嚴重，結構具有“墻倒架歪、立而不倒”的特點。

（2）基于對榫卯節點的構造特點及抗震機理的認識，對于震后出現拔榫、脫榫現象的建筑，建議采用外貼碳纖維復合材料（CFRP）布條的方法進行加固，該方法既可約束節點脫榫，又不限制節點的轉動，且能夠增強節點的抗彎、抗剪承載力及耐腐蝕性；對于新建建筑，可適當增大木柱的截面尺寸，并在柱頂與柱中等截面削弱處設置必要的拉結措施等。

（3）根據總結得到的西南地區歷次地震中穿斗式木結構房屋的震損現象，可將不同圍護墻的地震易損性按照從高至低的順序劃分為3個梯度。第一梯度：石墻、土坯墻；第二梯隊：夯土墻、磚墻；第三梯度：木板墻。建議在新建及修繕加固工程中，優先選用易損性較低的木板墻、磚墻作為圍護墻，并在墻體與木構架之間設置拉結鐵件等構造措施。

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Analysis of Architectural and Structural Characteristics and Typical Earthquake

Damage to the Chuandou-type Timber Frame in Southwest China：

A Case Study of the Mountainous Areas in Guizhou Province

WANG Xianwei^1，2，SUN Baitao^1，2，CHEN Hongfu^1，2

（1.Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，Institute of Engineering Mechanics，

China Earthquake Administration，Harbin 150080，Heilongjiang，China）

（2.Key Laboratory of Earthquake Disaster Mitigation，Ministry of Emergency Management，Harbin 150080，Heilongjiang，China）

Abstract

In this paper we firstly introduce the characteristics of the Chuandou-type structure in detail，in order to help further understand the seismic capacity of the Chuandou-type timber frame.Based on the field investigation of towns and villages in Qianxinan and Qiannan prefecture of Guizhou province，we classified the architectural characteristics and structural characteristics of the Chuandou-type timber frame.According to the field survey in the disaster areas of the 2021 Luxian M_S6.0 earthquake and the 2022 Luding M_S6.8 earthquake in Sichuan，and the seismic damage data of the typical earthquakes（M_S≥6.0）in southwest China since 2013，the typical earthquake damage to the roof，wall，wood frame，etc.of the Chuandou-type timber frame is summarized.Finally，the causes of damage to the Chuandou-type timber frame are analyzed.The results show that it’s unique tenon-mortise connection ensures the good seismic performance of the Chuandou-type timber frame when It’s hit by earthquakes.Yet the seismic performance of the Chuandou-type timber frame’s infilled walls is relatively poor.

Keywords：Chuandou-type timber frame；field investigation；architectural characteristics；structural characteristics；earthquake damage features；Southwest China