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      • 应县木塔科学价值及其现实意义的思考

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        2015-04-21 16:25:04

        应县木塔,中国乃至世界上唯一的可登临的高层纯木结构佛塔,宏伟壮丽,天下无两。自辽清宁二年(1056)始建以来,挺立九百余载,历尽风霜兵患。在文物价值评估中其历史价值、艺术价值皆臻于极致,为世人熟知,兹不具论。本文仅就应县木塔的科学价值略作申论,望能在探讨其结构性能的基础上,论证其科学价值不仅反映建造时期的高度结构工程成就,而且对当前的结构科学也具有重要的现实指导意义,并以此为应县木塔作为世界文化遗产的突出普遍价值评估添加一个支点。


        应县木塔全高65.83 米,底层副阶总面宽30.27 米,外观五层六檐。从建筑学视角看,应县木塔是一座垂直分布的寺院,5座带基座的大殿沿高度方向依次迭置,每个大殿包括下面的平坐层、栏杆、明层柱框(含柱子、普柏枋与阑额)以及铺作层(图一)。其中的各层佛像的布置诠释了辽代佛教(主要为华严宗)由显入密的教义。


        从结构工程学视角来看,木塔也是水平分层结构,每个单元包括明层柱框(含柱子、普柏枋与阑额)及其上的铺作层和平坐层(图二)。建筑学与结构学分层的区别在于:按建筑学分层,平坐暗层归上一层;按结构学分,平坐暗层归下一层。除底部一层有夯土墙包裹刚度较大以外,其他各部分都具有同一的结构特征:明层柱框刚度较弱,其上的铺作层和平坐暗层刚度较大(图三)。


        木塔的平坐层以及铺作层刚度较大,类似于一个刚性的盘体;明层柱框内外槽共32根柱子(内槽8根,外槽24根)支撑着这一盘体(图四)。与一般的现代结构工程理论不同的是,这些明层柱子不但承担传递垂直荷载的作用,也承担着负责抵抗水平荷载的作用。因为木塔各层柱子直径在55厘米左右,明层柱高2.5米左右,长细比接近5:1;加之建造时又在柱子后面加设了辅柱,进一步加大了柱截面,形成相对短粗的形态。柱子上下端与梁既不是刚接又不是铰接,而是直接搁置其上,因此重力与支撑力具有作用面与力矩,在水平力作用下,合力的作用点是不断变化的。与现代结构不同,这样的柱子不宜简单地简化为一个二维构件计算,而须按三维块体或墩台考虑(应县木塔明层柱由于高度矮,直径较大,因此柱子在自重作用下的回复力是其抗侧能力的重要来源。此认识参考了中国建筑东北设计院李豪邦先生《初探应县木塔屹立千年的力学机理》等论文并得益于工作中与中国建筑科学研究院关建光先生的讨论)(图五)。这种块体结构,在抵抗风荷载时,因所承载的重力产生的弯距远大于水平风荷载产生的反向弯距,因而具有自恢复能力,是稳定的。在抵抗地震荷载时,则由于地震力自下而上传递,柱脚和柱头都可在一定范围内变形滑移,因而具有明显的隔震效果。同时在刚度较大的平坐层及铺作层形成的盘体作用下,每层32根明层柱变形统一、协调,可以有效达到抗风抗震的目标(图六)。抗风与抗震,这一在现代结构设计中有着相反刚度要求的矛盾,在应县木塔高超的结构体系中得以统一。木塔近千年屹立的历史证明这是非常有效的结构措施。另外,除柱子外,明层还配置了具有外槽斜撑的夹泥墙,形成第二道抗侧力防线,对突发大变形起到限位作用,防止破坏性的局部变形发生,木塔拆除外槽斜撑及夹泥墙近八十年来的残损发展证实了此点。


        应县木塔挺立千年的事实,可看作是最为真实的结构试验,足以证明其自身结构的合理与优越。当前结构工程界最新抗震理论认为刚柔混合结构可以克服传统结构抗震的缺点,关键问题在于如何处理变形。我们将应县木塔与此种理想抗震结构的主要特点(见日本东京大学秋山宏教授论著《基于能量平衡的建筑结构抗震设计》P113,清华大学出版社,2010/12)进行对照,可发现两者极为相似:(1)木塔由支撑自重的明层柱框(含柱子、普柏枋与阑额,无径向斜撑,是柔性单元)和耗散地震输入能量的平坐层与铺作层(布置斜撑,刚度较大的弹塑性单元)组成。(2)结构自振周期长,能够降低地震响应速度。(3)平坐层内木枋呈井干式叠垒,铺作也是类似的交叉咬合,通过其变形与局部破坏能够快速、充分耗散地震输入能量。(4)刚度较大的平坐层与铺作层也起到控制变形的加强层作用。由此可见应县木塔与理想抗震结构高度一致,在满足使用空间要求同时也出色完成了高层结构抗震任务。应县木塔这一突出的科学价值不但可作为一种建筑的杰出范例,展示出人类历史上一个重要阶段;而且可对当代建筑结构设计尤其是高层及超高层结构设计起到直接的借鉴作用,具有很强的现实意义。仅就结构的科学价值而言,应县木塔即完全符合世界遗产标准,更不用说其也与世界文化遗产突出普遍价值的其他多项标准相吻合。


        通过对木塔结构特点的分析,可以认为木塔自身结构体系是保证其自身安全的重要基础,目前仍然具备这一功能,未因局部变形与构件破坏改变。独具特色的刚柔相间的木塔结构既是其自身安全的依托,也是其珍贵科学价值的体现。因此相关加固措施均应在此前提下进行,应是补强性质的,而非替代式的。保持木塔明层、暗层各自的刚柔特性至关重要,明层内外槽之间不应再添加径向斜撑,暗层则可采取加强整体性的措施。这既是科学加固、保证木塔安全稳定的实际需求,也是保护文物价值及其真实性、完整性,从而突出其所具备的世界文化遗产突出普遍价值的理念需求。


        (来源:中国文物信息网)


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