北京故宫古建筑的传统防震方法

紫禁城古建筑建于明永乐18年(1420年)。在过去的600年里,它们经历了200多次地震,基本上是安全的,反映了良好的抗震性能,也反映了古代工匠的智慧。紫禁城古建筑智慧的一个重要方面是合理有效的基本实践。以下是对紫禁城古建筑实践的简要解释。

北京故宫古建筑的传统防震方法  第1张



一、一块玉基础


一块玉基础是指一个整体的基本做法,专业上称为满堂红基础。这种基础的特点是:原基础全部挖出,然后人工回填。人工回填的具体做法是:一层三七灰土,一层碎砖,反复交替。如图1所示,建筑办公室南侧遗址基础,基础深度2.2米,顶部为0.8米厚的杂填土,其次是三七灰土层(每层约0.12米厚)与碎砖层(每层约0.1米厚)交错分布,共7层。当人工处理的灰土和碎砖层从地面向下延伸到2.4米左右时,下部为原土层,即未受干扰的土层。以下是三点说明。


第一,为什么紫禁城古建筑的所有基础都是人工处理的满堂红基础,而不是原土层的基础?事实上,这与中国古代朝代的变迁密切相关。众所周知,明朝永乐皇帝朱迪建造了现有的紫禁城。他在元代紫禁城的基础上建立了紫禁城。也就是说,在明朝之前,紫禁城是元朝皇宫所在地。在中国古代,有一个不成文的规定,即当任何朝代取代前朝时,它都会摧毁前朝的王气。其中一做法是从头到尾摧毁前朝的建筑,包括基础,然后从头到尾建造自己的宫殿。因此,明朝建立紫禁城时,元朝的所有建筑都被连根摧毁。这样,明朝紫禁城的基础就必须再次完成,这也是紫禁城古建筑基础红实践的主要原因。


北京故宫古建筑的传统防震方法  第2张

二是古建筑基础黄土中掺入(生)石灰的意义。紫禁城古建筑的基础一般为三七灰土基础。三七灰土是一种高强度的建筑材料,由生石灰和粘土按3:7的质量比例制成,在我国历史悠久。例如,南北朝公元6世纪,南京西山桥南朝墓封门前的地面是灰土夯实的。这种灰土基础的优点是生石灰遇水产生成熟石灰,强度增加。也就是说,这种基础,有利于在潮湿环境中使用。灰土基础本身的粘结强度相对较高,适用于承受上部建筑的重量,而不会产生松散的土壤。此外,石灰是一种容易获得的建筑材料,在公元前7世纪开始使用。《本草图经》包括:石灰,今所在的近山处都有,这种烧青石也是灰。又称石锻,有风化、水化两种。由此可见,生石灰取材方便,加工加单,使用效果好,因此广泛应用于古建筑基础上。


其三,为什么紫禁城古建筑的基础不是全部做灰土分层,而非得要“一层灰土、一层碎砖交替”呢?事实上,这反映了古代工匠的智慧。我们知道,如果基础是均匀的,建筑物可以避免不均匀的下沉。但灰土材料一般比较柔软,柔性强意味着硬度低。当上部建筑重量较大时,虽然建筑在自重作用下会均匀下沉,但过度下沉会影响建筑的有效使用。相比之下,碎砖的硬度远大于灰土,而且大部分属于烧窑或砌墙所用的残料。当它们通过筛子时,尺寸相似,用来取代完全的灰土层,形成一层灰土一层碎砖的形式,不仅有效地使用建筑材料,而且减少了古建筑的沉降。



二、“糯米”基础


紫禁城古建筑中是否含有糯米?日本学者武田寿一的作品《建筑隔震、防震、控振》描述了紫禁城古建筑的基本成分:1975年以来的三年里,在设备管道工程建设中,一种略带气味的物质被挖出紫禁城中心向下约5-6米。研究结果表明,它似乎是糯米和石灰的混合物。所有主要建筑均建在百色大理石高台上,下部为软糯米层。刘大可先生在《明清古建筑土作技术》(见《古建筑园林技术》1988年第一期)中认为,古建筑基础上有灌江米汁(糯米浆)的做法。这是将煮好的糯米汁与水和明矾混合,洒在打好的灰土上。江米和白矾的用量为:每平方丈(10.24平方米)江米225克,白矾18.75克。清朝官方对小夯灰土的做法有这样的描述:第二步是趁湿打流星一次,泼一层河米汁(糯米汁)。水先70%混合江米汁,再洒30%,催江米汁下行,然后上虚,第二步是土壤,其打法同前(见王其亨:1993年第二期《故宫博物院院刊》《清陵建筑工程小夯灰土做法》)。此外,张秉坚等学者对西安明代城墙灰浆进行了试验,证明其中含有糯米。虽然西安城墙与故宫古建筑基础没有直接联系,但其施工工艺是传统的古建筑实践。以上充分说明:故宫古建基础中含有糯米是可信的。

北京故宫古建筑的传统防震方法  第3张


在紫禁城古建筑的基础上加入糯米有利于基础的抗震性能。糯米具有良好的粘度,与灰土基础混合,可使基础具有良好的完整性和灵活性,类似于硬度较高的均匀面糊。当地震发生时,基础整体均匀变形,延长建筑的振动周期,错开地震波的峰值,减少对基础和上部建筑的破坏。糯米基础抵抗地震,我们称之为隔震。



三、处理地下水


古人考虑在填土层下埋设有淤泥层或地下水的地基层。木桩可穿透淤泥层,使桩尖到达坚硬的岩石层,然后在木桩上分层夯土。这样可以避免基础沉降不均匀。如慈宁花园东侧遗址的基础,自上而下的分层特点是:灰土层和碎砖层交替向下延伸(即一层灰土和一层碎砖),每层厚0.1米,共18层;然后是0.16米厚的青石板;然后是水平桩和垂直桩。在这里,竖桩支撑青石板的上部重量,并将其传递给硬岩层,青石板为上部夯土提供支撑平台。此外,木桩表面刷有桐油(桐籽制成的油),可在水中防腐。

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