古建筑柱與基礎連接探析

【摘 要】古建筑是我國燦爛文明的一種文化符號；現存古建筑中既有穿越千年的應縣木塔等大型木作建筑，也有喬家大院等民間小式建筑；這些建筑有的能保存千年而，甚至上部變形已經十分嚴重，卻依然不倒，這其中有榫卯節點連接的作用，更重要的是柱礎的獨特連接形式，能有效的抵抗地震作用。通過對古建筑柱與基礎的連接探究古建筑能穿越千年的原因，為仿古建筑設計建造及古建筑修復加固提供一種新思考。

【關鍵詞】古建筑; 基礎傳力; 抗震性能; 柱礎

【中圖分類號】TU471【文獻標志碼】A

0 引言

古建筑作為中華傳統建筑的典范，因為建筑材料的局限性，一般采用木構或磚木結構體系，雖然材料比較普通，也創造出許多優秀杰出的建筑，如歷經40多次地震和12發炮彈襲擊仍然不倒的應縣木塔，規模宏大的故宮建筑群等等，這些都是我國古代工匠的匠心杰作。其中也蘊含著許多現代工程技術理論；也能為現代建筑設計提供一些新思路。

1 古建筑介紹

根據考古發現與歷史資料有據可查的古建筑可以追溯到原始社會，那時主要是穴居與巢居。到夏、商、周時期，根據安陽殷墟商朝的宮殿遺址可發現，那時候的人們已經發明了夯土技術，用以加強房屋的地基與基礎；這種夯土技術可以加強地基承載力，時至今日仍有部分地區采用這種方法處理地基。

春秋時期出現了我國歷史上著名建筑大師魯班，因其杰出的建造技藝被后人奉為我國建筑工匠的祖師爺，我國當代的魯班獎也就是為了紀念此人；根據相關文獻記載這個時期建筑已經出現“重屋”，也就是多層建筑房屋，這表明最遲在春秋時期我國古人的建造技術已經進入多層時代。

秦漢時期，始皇帝統一六國后大興土木，集天下財富為其修建的宮殿、陵寢和修建長城，以及當時的“厚葬”風氣，急需要更好的建筑材料，一種燒制的建筑材料“秦磚”“漢瓦”應運而生；這些耐久性和耐腐蝕性更好的材料使得秦漢時期的建筑基礎及陵寢能穿越千年，直至今日能依然存在。雙額枋及榫卯連接的梁柱體系也產生與這個時期，再加上抬梁式、穿斗式及密梁平頂式等木構架的相續出現，使其建筑有更寬和更高的內部空間，尤其是采用抬梁式的一些的官式建筑，使建筑造型更加大氣輝宏。

至唐、宋時期，建筑造型及建造工藝日趨完善，已經達到十分完善的程度，其中最具中國古建筑特色的斗拱、榫卯連接技術建造技藝已經十分成熟；出現了更多的專業的工種和世代相傳的專業工匠；在這種背景下出現了北宋李誡所編《營造法式》，這部我國官方頒布的第一部集規劃、設計、用材、制作工藝、營造方法于一體的土木建筑“國家規范”，總結了我國幾千年以來的建筑設計理念、設計思想與制作方法、制作工藝與營造技術，為我國古代建筑建造樣式及規范定下了基本基調。

元、明、清時期建筑在《營造法式》（圖1）的指導下，加上更多工匠、工程經驗的積累，使得建筑建造工藝與理念得到了進一步的發展和完善；在此背景下，清工部頒布的《工程做法則例》（圖2）應運而生；則列中出了27種常用的典型官式建筑范例，使官方的指導作用更為具體化和規范化，也為當時及以后的建筑建造提供了更全面的技術標準及質量保證，促進了當時建筑行業的發展。

近現代以來，隨著新材料、新技術的發展和人們對建筑用地及耐久性、人工費用、綜合造價等等的綜合考慮，主流建筑形式已經基本上都是鋼筋混凝土結構現代建筑。隨著經濟的發展和人們對傳統文化的重視，古建筑以其獨特的建筑造型，吸引了一批人對其的熱愛與研究；研究用新材料建造古建筑造型建筑的可能性，隨即出現了一批采用新材料和新的力學模型建造的仿古建筑，為我國古建筑的傳承與發展帶來了新的契機。

2 古建筑柱與基礎連接

2.1 連接形式及演變過程

臺基層相當于現代建筑的地基基礎。他將上部屋面梁柱傳來的荷載傳遞至地基的持力層。先秦時期，由于建筑技術及建造理念不高，一般采用木柱直接買入土中，在柱底放置扁平自然石塊，石塊有一定厚度用來滿足柱沖切，石塊下面為夯土或碎石塊等持力層（圖3）；這種做法因為木柱部分埋入土中，容易受潮腐朽與蟲蛀侵蝕等，耐久性很差，嚴重影響建筑使用壽命。

進入漢朝以后，柱礎（柱礎用堅硬石料制作，故稱為礎石。礎石一般加工成光滑的平面，光滑似鏡，也稱為“古鏡”或者“鼓鏡”）基本上全部變成平頂面明礎（圖4）。這樣木柱就不會與土接觸，能防止雨水浸入，保持木柱柱根的干燥，進而可以防止柱根腐朽。臺基高出地面，也使得建筑平面尺寸會大于建筑外墻的長度和寬度，抬高的建筑四周墻體及屋內地面會使得建筑地面及四周墻體不會受到雨水的侵蝕，可以防潮、保持建筑物的整體穩固；同時臺基越高也能越能顯示建筑物的宏偉氣勢，進而能體現出主人的身份與地位。

早期的礎石頂面比較粗糙，到了宋朝以后，其表面已經被打磨得非常平整、光滑。建筑物等級越高，礎石頂面被打磨得越是光滑，如故宮祈年殿等高等級宮殿建筑的“古鏡”真的是光滑如鏡。也有將柱制成管腳榫或套頂榫的，分別將其插入柱礎的“海眼”或“透眼”中（圖4）。管腳榫的榫頭很小，主要起到定位作用，保證柱的定位準確。套頂榫為將榫頭插入透眼較深，榫頭截面也比較大，能承受一定的彎矩與水平推力，類似于剛接，能傳遞部分彎矩；帶來的問題就是柱根及柱頂彎矩較大，而木柱的抗彎能力又比較差，就成為整個構架體系中最薄弱部位。 因為這種體系在工程實際中容易出現柱根折斷，所以在后期慢慢被淘汰，這也是宋朝以后的建筑很少看到這種連接形式的原因。

2.2 受力分析

按照建筑結構的傳力途徑，樓板及屋面荷載傳遞到梁，梁傳遞到柱，柱傳遞到基礎，基礎承擔著幾乎全部建筑上部荷載；基礎作成比柱大的礎石，能增大基礎截面面積，減小基礎底部壓力；建筑梁柱為木制材料，門窗為鏤空雕花減小建筑總重量，也可以建筑柱底壓力；柱下土體進行夯實或者采用碎石能提高地基土的抗力，這樣能使建筑承載力滿足要求。

地基承載力計算公式為式（1）。

pk≤fa，pk=Fk+GkA（1）

礎石有一定厚度，根據獨立基礎受沖切承載力計算公式為式（2）。

Fl≤0.7βhpftamh0

am=（at+ab）/2 Fl=pjAl（2）

礎石的厚度越大抵抗沖切的能力越強，能保證柱礎不會被剪斷，保證建筑結構整體穩定和結構安全；因此古建筑中礎石都選用有一定厚度且比較堅硬的石材。

地震作用分為水平平地震力（按照底部剪力法）和豎向地震力（圖5）；古建筑梁柱為木材，門窗為木制雕花門窗，屋面為木屋架木檁條加小青瓦或琉璃瓦，自重較小；地震力和結構自重成正比關系，減小自重可以減小地震剪力；進而能抵抗更強的地震作用。

水平地震剪力計算式為式（3）。

FEk=α1Geq

Fi=GiHi∑nj=1FEk（1-δn）（i=1，2，…n）（3）

豎向地震剪力計算式為式（4）。

FEvk=αvmaxGeq

Fvi=GiHi∑GjHjFEvk（4）

隔震層在罕遇地震下的水平剪力計算式為式（5）。

Vc=λsα1（ζeq）G（5）

木柱放置于礎石之上是一種比較典型的摩擦隔震裝置與現代的隔震原理基本一致。這樣的支座，由于上部結構的自重壓力產生的摩擦力，能承受一定的水平推力，在建筑物受到的水平力（水平地震作用、水平風力等荷載總和）小于由上部結構產生的摩擦力時，整體結構保持受力平衡而穩定。當受到的水平力大于摩擦力的總和時將產生水平滑動。這樣能保證在地震作用及一般大風的情況下，柱礎可視為不動鉸支座，可以保證木構架的整體穩定。當遇到較大的地震（中震、大震）或較大風荷載時，柱礎隔震的作用將起到應有的作用，構架體系將發生些許平移，而不會將更大的水平力傳遞至上部結構，保證了上部結構的安全、穩定；上傳的部分水平力，因上部榫卯連接結構，為半剛性連接，在水平荷載作用下，榫卯之間的微小位移能抵抗水平力，而不致建筑傾覆；這也是很多古建筑在遭遇較大地震作用下，出現“墻倒屋不塌”“柱根移位，而整體不垮塌”的原因。這與現代建筑中的隔振、減震技術作為防止中震、大震震害與特大風災的理論依據基本一致。

2.3 當代仿古建筑主要處理方式

2.3.1 上部為全木結構的建筑

基礎為柱下獨立基礎或筏板基礎，采用框架梁板柱作為臺基，抬升建筑一層地面，室內外采用石砌臺階；一層板為鋼筋混凝土板，板下為半空防潮層；礎石放在鋼筋混凝土柱上方，木柱底部做成管腳榫用于定位或不做榫頭直接放入礎石上；礎石一般采用花崗石制作，表面拋光，由《營造法式》“材氣”或清工部《工程做法則例》斗口數量確定木柱尺寸，再根據木柱尺寸確定礎石厚度；管腳榫榫頭及海眼深度一般為50 mm，詳見圖6。

上部主體結構為鋼筋混凝土結構，斗拱為木結構外掛在梁或墻上的仿古建筑。基礎根據工程實際情況采用合適基礎形式（獨基或者筏板基礎），主體結構為鋼筋混凝土框架結構，柱與基礎采用剛性連接；礎石采用兩個半圓形花崗石拼接或者在柱澆注前預先放置好中間挖洞的礎石；礎石尺寸要根據建筑造型需要柱截面尺寸等綜合考驗，柱截面要滿足結構設計承載力要求。

3 結束語

隨著時代的進步與發展，古建筑不僅沒有被淘汰，因其獨特的造型與優美的線條，更是成為許多景區、公園、高端住宅等等建筑的首選；古籍中部分建筑因年代久遠或者戰亂許多已經不復存在，隨著經濟的發展人們希望按照有關書籍記載在原址上進行復原古代建筑；現存古代建筑中部分因年久失修，已經成為危房等等，這些都需要認真研究及用心設計建造。現代各種各樣的建筑材料已經不是古代那種只有木材石材能相比的了，但是仿古不能脫離古代建筑，只是采用現代更先進的理論，更優質的建材按照古建筑的建造工藝來做仿古建筑，這樣不僅是傳承古建筑的工藝，更是發展古建筑工藝。通過專研古建筑的建筑技藝，吸取其中精華并利用于現代建筑中，也是對古建筑的另一種傳承。

參考文獻

［1］ 宋·李誡. 營造法式［M］，北京：商務印書館.

［2］ 梁思成.清式營造則例［M］，北京：中國建筑工業出版社.

［3］ 趙鴻鐵， 薛建陽，隋， 等.中國古建筑結構及抗震——試驗、理論及加固方式［M］.北京：科學出版社.

［4］ 建筑抗震設計規范：GB 50011-2010（2016版）［S］，北京：中國建筑工業出版社，2016.

［5］ 建筑地基基礎設計規范：GB 5007-2011 ［S］，北京：中國建筑工業出版社，2014.

［6］ 李百進.唐風建筑營造［M］，北京：中國建筑工業出版社，2007.

［作者簡介］許濤（1986—），男，碩士，工程師，從事結構設計工作。