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紫禁城在史上最强震中屹立不倒，秘诀是什么？
※全文5423字丨6分钟阅读※作者丨周乾※整理丨邱施运※编辑丨朱珍
授课老师：周乾，故宫博物院研究馆员，古建筑家。
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故宫，又名紫禁城，是当今世界规模最大、保存最完整的木结构建筑群，代表着中国古建筑技术与艺术的最高水平。
从景山眺望紫禁城，一片红墙黄瓦。在中国古建筑文化中，红色寓意刚强、炽热，护卫皇权，而黄色则是帝王的专用色。红与黄渲染整个紫禁城，显得无比庄严壮丽。
抗震机制
2016年5月，英国雄狮电视台与世界多个媒体联合，希望拍摄各国文化遗产的抗震性能相关的纪录片。当时，他们对世界上其他多个文化遗产建筑进行了模型振动台试验。
试验显示：西方以砖石材料为承重结构的古建筑模型在7度左右地震烈度下产生了较为严重的破坏。
英国雄狮电视台的记者联系了我，希望对中国木结构古建筑抗震性能开展一次试验，以探讨“中国木结构古建筑究竟有多强的抗震性能”，并通过节目的方式在世界多个知名电视台播出。
我们请来古建筑工匠，请他们严格按照明清官式木构古建的施工工艺，制作了南三所门廊的1:2.5的比例缩尺模型，安装于北京工业大学工程抗震与结构诊治实验室的振动台上，开始逐级施加地震力。
根据英国导演建议，由于西方观众不懂地震烈度，于是我们将烈度近似折算为震级，把地震波震级强度逐渐增加，一直加到了10.1级地震。这种地震的强度甚至超过了史上最强的智利大地震（9.5级）。
令人诧异的是，在如此强烈的地震作用下，故宫古建筑模型依旧保持完好，除了墙体倒塌外，建筑大木构架几乎无损，符合“大震不倒”的建筑抗震要求，也与民间传说的“墙倒屋不塌”古建筑抗震性能相符。
这无疑体现了中国古建筑优秀的抗震性能。故宫古建筑强大的抗震性能背后，到底藏着什么秘密？
地基分层而密实
故宫地基在外观上很像千层饼，由一层灰土一层碎砖交替分层夯实而成，我们称为人工地基。这种地基的优点在于均匀平整，上面的建筑无论多重，在地震作用下，下沉均匀。
另外，故宫地基里掺入了糯米。糯米具粘性，使灰土、碎砖粘在一起，像一个大面糊，即便发生强震也不会散开和倾斜，能让建筑保持稳定。 此外，在含有地下水的区域，古代工匠使用木桩穿透淤泥层，使得桩尖插在坚硬的岩石层上。木桩顶部有纵横双向水平桩，水平桩上位青石板，青石板上又为一层碎砖、一层灰土交替。
如此一来，紫禁城内即便有对地下水区域，古建筑依然稳固矗立在坚硬的地基之上。
当然，为了防止淤泥（地下水）中的木桩腐朽，古代工匠将桐树籽熬成桐油，刷在这些木桩上，能够防潮、防虫、防腐。至到今天，这些深埋地下的水平桩依然完好无损。
柱底平摆浮搁，檐柱略呈八字
故宫古建筑的立柱在安装时，并没有插入地下，而是平摆浮搁在柱顶石上。这样的处理，一方面，能避免插入地下的柱根糟朽；另一方面，还能避免强震产生的弯矩作用力将柱根折断。
地震时，柱底在柱顶石表面做往复的摇摆运动，并产生轻微的摩擦滑移；地震后，这些立柱的底部又像弹簧一样恢复到原来位置附近，但是耗散了大量地震能量。
柱底与柱顶石之间的摇摆、滑移产生的抗震方法类似于中国太极功夫的“以柔克刚，四两拨千斤”招式。这种抗震机制，在地震工程学上称为“隔震”。
除此之外，古代工匠在安装檐柱（即故宫建筑最外圈的柱子）的时候，会将底部稍微往外搬，使之呈八字状。这种做法，称为侧脚。
采取侧脚做法之后，整个建筑在构造上属于三角形结构，因而有利于建筑整体稳定。
另外，侧角也能有效降低建筑的整体重心，从而减少地震作用下建筑的摇摆幅度，使之保持稳定。
榫卯连接、斗拱拼接
榫头插入卯口中，便形成了也是重要的抗震机制之一。故宫古建筑的榫卯连接，至少有18种类型。
燕尾榫，其榫头像燕子的尾巴，前面大、后面小，采用上下方向安装。安装后的燕尾榫节点，在水平方向很难产生拔榫。
透榫，也叫大进小出榫。榫头虽然可以拔出，但设计得特别长，所以即便发生地震，也能保证部分榫头在卯口之中。
箍头榫，用于建筑拐角处。箍头榫既是充满力量的组合，又在造型上呈现艺术美，是力与美的完美体现。 地震作用下，榫头与卯口通过不断开合和转动，能有效将部分地震能量转换成动能，进而使得建筑整体承受最小的破坏，最大限度地保持完好状态。
类似的抗震性能，还有斗拱。
从远处看，斗拱像一把把倒立的伞。在地震作用下，斗拱构件之间相互咬合、挤压，耗散大量的地震能量。
梁架低矮、墙体厚重、屋面板连片
故宫古建筑的墙体属于附属结构。墙体位于木构架下方，仅承担自身重量，其基本功能即为建筑提供保温隔热。
故宫墙体非常厚，如太和殿墙体厚达1.4米，因而有利于建筑内部温度的恒定。当然，墙体的抗震功能也是有的。墙体由砖与砂浆粘接砌筑而成，其硬度比木构架要大。因而木构架产生晃动并挤压墙体时，由于墙体的约束作用，木构架很难产生过大幅度的摇晃。
另外，故宫古建筑的屋架之上为屋面板。屋面板由许多木板连成整体，像一块蒙皮一样，提高了屋架的整体性。
排水系统
紫禁城全长960余米、总宽750余米，总体的地势特点是北高南低、中间高两边低，相应雨水由北向南排、由室外地面（包括屋顶下排的雨水）的中间向两边排，最后汇聚于紫禁城的东南角，再排出紫禁城。
从北到南
紫禁城地势北高南低，北边的神武门比南面的午门高约两米。北部宫殿区域的雨水通过地上、地下排水系统排向南部的内金水河，再向东汇集到东华门附近的内金水河出口，然后排出紫禁城到筒子河（即护城河）内，最后由筒子河排向通惠河。
紫禁城南北向的整体的排水坡度约为2/1000，与今天的排水规范高度相符，反映了古代工匠的智慧。
从中间到两侧
紫禁城里所有广场，包括皇帝走的御路、东西六宫的甬道，都呈现中间高、两侧低的特点，使得降落到地面的雨水很快汇集到室外地面的东西两侧，然后再由东西两侧向南排。
从上到下
紫禁城屋顶呈上端陡、下端缓的曲面造型。上端陡，使得雨水能在屋顶上部迅速下排，而下端缓，则使得雨水在屋檐处尽量往前排出。如此一来，不仅屋顶不易积水，而且雨水也不容易逆着屋檐回流反渗，从而避免门、窗、柱等木构件产生糟朽。
另外，位于屋檐处、呈三角尖状的底瓦，称作滴子，有利于雨水汇聚成直线形式排向地面。
一些室外台阶被设计成锯齿形的坡道样式，称为礓䃰。礓䃰形式的台阶不仅有利于数量较多的人员上下坡道，而且非常有利于排水，避免雨水在建筑坡道处的汇集。
而在东西六宫区域的庭院内，屋檐下一般铺墁有坡道状的砖层（内高外低），我们称为散水。散水可避免雨水在屋檐处汇集，不仅利于排水，而且利于保护建筑基础。
另外，前朝三大殿台基上环绕着一排排汉白玉制的龙头，共1142个，我们称之为“蚣蝮”，主要起排水作用。在暴雨时期，1142个龙头同时排水，显示出“千龙吐水”的建筑奇观。“蚣蝮”形象的使用，巧妙地把紫禁城排水系统的实用性与艺术性进行了完美结合。
紫禁城里有内金水河，其重要性不仅在于排水，而且在于防火。紫禁城金水河呈弯弯曲曲平面形状，其主要目的之一，是为了充分接近宫殿建筑，以便建筑遭受火患时能尽快获得水源。另外，金水河的水汽也有调节紫禁城局部气候的作用。
小兽文化
屋顶小兽的数量与古建筑的等级有着对应关系：建筑的等级越高，小兽数量越多。紫禁城古建筑屋顶小兽的数量一般是3、5、7、9个，即均为阳数（单数），即龙、凤、狮子、天马、海马、狻猊（suan ni）、獬豸（xie zhi）、斗牛、押鱼。
故宫的太和殿屋顶的小兽数量为10个，在前述小兽的基础上增加了“行什”，紫禁城仅此一例。
小兽最初的功能是用来固定屋脊处的瓦件。屋脊（即两个屋面坡的交线）的泥背一般较厚，瓦件容易下滑。古代工匠为固定瓦件，常常使用铆钉将瓦件与下部的泥背进行拉接。
然而钉子暴露在空气中时间过长时，会因为雨淋而生锈，于是古代工匠在钉子顶部增加了一个琉璃质“帽子”，并将“帽子”制作成不同动物的形象，逐渐形成了小兽。 这些套帽有着丰富的文化寓意。
首先是仙人，名叫迦陵频迦，不属于小兽。
唐代莫高窟壁画的迦陵频迦就是仙人的原型。
仙人骑凤，寓意逢凶化吉。
龙，是天子化身，寓意帝王、皇权。
凤，是百鸟之王，寓意天下飞禽，带来天下太平。
狮子，是百兽之王，寓意天下走兽。
天马是古代战神，可腾云驾雾、追风逐利。
海马是古代神兽，可畅游四海，英勇忠诚。
狻猊，外号披头，是龙的第8个孩子，跟狮子一样勇猛，吃虎豹。
押鱼，是海中神兽，可兴风祈雨、灭火防灾。
獬豸，是独角神兽，象征刚正不阿。很多政法大学、法院门口，都有獬豸造型的雕塑。
斗牛是一种龙，为镇水兽，常在蜿蜒道路旁及金鳌玉栋坊之上。
最后一个，行什，仅在太和殿出现，第十只小兽。有人认为这是猴子造型，其实它有翅膀，是传说中雷震子的化身。中国木构古建筑怕雷击，它有防雷的寓意。 故宫古建筑屋顶的小兽造型，是古代镇物文化的重要内容，也是古人希冀国泰民安等美好愿望的反映。
No. 1
与现代相比，故宫的古建筑抗震系统有何异同？
在减震、隔震等抗震机制上，现代建筑与古代建筑有着诸多的相似之处，只不过古代工匠累积了丰富的经验和智慧，但不能用科学原理进行解读。
例如：现代在建筑里加入阻尼器或其它耗能装置，可减轻建筑的震害；故宫古建筑里糯米、榫卯、斗拱等的运用，基本也发挥了类似的效果。
所以作为现代人，我们一方面要推进科学进步，另一方面要多学习古人的智慧，研究其中的机理，包括防火、防雷、防虫、排水等方面。
No. 2
在没有空调的古代，故宫是否通过建筑设计实现降温？
紫禁城建筑，整体冬暖夏凉，主要得益于两点：一、非常厚的墙体；二、屋顶瓦面之下厚厚的泥背层（一般20-30厘米厚），赋予了建筑良好的隔热性能。
另外，内廷建筑隔扇和槛窗外面挂有很多帘子，内廷各个院落内在暑天时会搭凉棚，以上均有利于祛暑。紫禁城还有五座冰窖，每座冰窖可以储藏五千块冰。
夏季时，皇帝会安排相关人员把冰块分给后妃和大臣等。这些冰块既可以掺在水果里食用，也可以放在透气的盒子里，使之自然融化而发出凉气，进而使得建筑降温。
No. 3
故宫建筑还有什么其他有趣或有用的设计？
音响效果方面，紫禁城里的畅音阁，类似于今天的国家大剧院，皇帝在畅音阁对面的阅视楼内听戏。畅音阁一楼的顶板设计了凹形的藻井造型，能像喇叭一样进行扩音。另外，畅音阁一层地板之下设有五口井，有的是空井，有的存储有水。这些空井和水井可产生共振效果，使得演员表演的声音得到放大，并能够清晰地传到皇帝耳朵里。
外观保养方面，紫禁城屋顶的瓦面，采用了琉璃瓦，在阳光照射下闪闪发光，衬托出紫禁城的皇权与威严。
建筑采光方面，紫禁城古建筑的屋檐端部向上翘曲，这种做法称为“反宇”。“反宇”避免了太阳光直射入室内，且实现了夏天正午时分太阳光进入不了室内，而冬天正午时分的阳光能够恰好照入室内最深处。这也是前面提到的冬暖夏凉的古建筑智慧之一。
No. 4
故宫未开放的区域是什么样子？未来，故宫会不会全面开放？
我们的老院长单霁翔先生曾经说过，尽量把故宫最大程度地开放，展示在公众面前。2018年底，故宫的开放区域也达到了80%。
就我个人而言，我也非常支持故宫古建筑开放。建筑开放了，才有人去管理它、维修它，我们也容易发现建筑漏雨、开裂的问题。此外，公众能够更好全面地学习欣赏故宫古建筑本身的历史和文化内涵。
至于故宫未开放的区域，由于它们尚未完成修缮，因而无论其外形还是其内部陈设，都不适于立刻对外展示。因为故宫古建筑研究及修缮人员有限，我们只能有计划地对古建筑进行修缮、管理和保护，满足开放条件时再适时开放。
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