李碧雄,趙開鵬,王甜恬,劉慧軍,李梁慧
(1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院,四川 成都 610065;2.四川大學(xué)災(zāi)后重建與管理學(xué)院,四川 成都 610065;3.深地科學(xué)與工程教育部重點實驗室,四川 成都 610065)
作為三大藏區(qū)之一的安多藏區(qū)主要分布于四川、甘肅和青海三省,是一個多民族長期遷徙的“藏羌彝走廊”地區(qū)。因其獨特的地理位置及歷史上的多民族交融,使得安多民居既保留了藏式建筑族源上的特征,又因受周邊文化影響發(fā)展出多元化的地域性特點。郭桂瀾[1]從建筑的適應(yīng)性角度對阿壩州安多藏區(qū)民居進(jìn)行了分類,即阿壩州高原牧區(qū)、山原半農(nóng)半牧區(qū)、山原農(nóng)區(qū)和高山峽谷林區(qū)等四類安多藏式民居。大部分安多藏區(qū)地處地震頻發(fā)地區(qū),有必要關(guān)注其傳統(tǒng)民居結(jié)構(gòu)抗震性能,以提高該類村鎮(zhèn)建筑的抗震安全性。
針對傳統(tǒng)藏式民居,學(xué)者們的目光幾乎都聚焦于藏民的“黑帳篷”和“碉房”,相比之下,專門針對安多藏區(qū)內(nèi)藏式民居的研究文獻(xiàn)資料為數(shù)不多,且主要從建筑學(xué)和規(guī)劃的角度研究安多藏式民居[2~5]。從結(jié)構(gòu)角度關(guān)注傳統(tǒng)藏式民居的文獻(xiàn)不多,僅有幾篇文獻(xiàn)只涉及了墻體構(gòu)件或木構(gòu)架節(jié)點的力學(xué)特性[6-8],基于該類建筑的整體結(jié)構(gòu)組成特點的抗震性能分析幾乎無人涉獵。2017年九寨溝地震后,業(yè)界對安多藏式民居抗震表現(xiàn)有所提及[9-14],一般將其籠統(tǒng)歸為磚木結(jié)構(gòu)或石木結(jié)構(gòu)類,沒有觸及藏式民居特有的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征,對于其成災(zāi)機理缺少系統(tǒng)的分析。
本文以安多地區(qū)木構(gòu)架藏式民居為研究對象,通過實地調(diào)研和文獻(xiàn)分析,結(jié)合安多藏區(qū)地理分布特征以及地震動區(qū)劃,從整體結(jié)構(gòu)組成和構(gòu)造特點、歷史地震中抗震表現(xiàn)等角度,分析其抗震性能和抗震薄弱環(huán)節(jié),在此基礎(chǔ)上形成抗震設(shè)計和建造建議,以提升安多藏式民居的抗震性能,促進(jìn)安多藏族文化的傳承與發(fā)展,保護安多藏區(qū)藏民的生命財產(chǎn)安全。
安多藏區(qū)主要分布于甘肅藏區(qū)、青海藏區(qū)和四川阿壩地區(qū),位于藏族分布中心區(qū)的邊緣地帶,由于地緣關(guān)系,自古以來就與東邊的漢文化和北方的阿爾泰文化聯(lián)系密切,形成了獨特的安多文化和建筑風(fēng)貌。因安多藏區(qū)分布廣泛,各處自然環(huán)境條件、生產(chǎn)生活模式和民居風(fēng)貌等差異顯著,故安多藏區(qū)通常又分為高原牧區(qū)、山原半農(nóng)半牧區(qū)、山原農(nóng)區(qū)和高山峽谷林區(qū)等類別[1]。各區(qū)域的傳統(tǒng)民居建筑結(jié)構(gòu)差異較大,以下逐一分析。
(1)高原牧區(qū)
該區(qū)藏民以放牧為生,逐水草而居,主要分布于青南高原西部和北部,以方便遷移的草原黑帳篷為其傳統(tǒng)住屋。草原黑帳篷以木樁支撐,繩索牽拉,上百張牦牛皮覆蓋,形成蚌殼形、四方形或尖頂圓形的牧帳[1]。牧帳以木柱傳遞豎向荷載,以繩索拉力抵抗水平風(fēng)荷載,結(jié)構(gòu)樸實,是極富民族特色的非永久性民居,如圖1所示。
圖1 “黑帳篷”結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 “Black Tents”structure diagram
(2)山原半農(nóng)半牧區(qū)
該區(qū)主要分布于青海果洛州和黃蘭州等地,靠近藏族分布中心區(qū),民居風(fēng)貌為藏區(qū)最常見的夯土或石砌平屋頂建筑,因形似碉堡,稱之為“碉房”。碉房的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示,以夯土墻或片石墻作為外圍承重墻,與內(nèi)部木構(gòu)件構(gòu)成豎向承重體系,是較為典型的密椽平頂式建筑。梁柱連接為“擱搭方式”,即將梁簡單擱置于柱頂或通過替木、墊木擱置于柱頂,柱下端通過柱基立于樓面或地面,柱分層立放,且上下層間柱位可能錯開。
圖2 “碉房”結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 “Blockhouse”structure diagram
外圍筒狀墻體和內(nèi)部木框架構(gòu)成了剛?cè)岵某兄伢w系:寬厚的外墻具有較大的抗壓強度和剛度[6-8],不僅承擔(dān)起民居主要的豎向荷載,更是抵御水平風(fēng)荷載和地震作用的主要構(gòu)件;內(nèi)部的木框架在地震作用下具有較好的延性,適當(dāng)?shù)膹椥宰冃慰珊纳⒌卣鹱饔冕尫诺哪芰俊?/p>
(3)山原農(nóng)區(qū)和高山峽谷林區(qū)
該區(qū)主要分布于四川阿壩州和甘肅甘南州等地,如九寨溝地區(qū),因與漢族地區(qū)接壤,民居型式受漢文化影響頗深,不同程度上借鑒了漢族木構(gòu)架建筑的特點,形成了漢式木構(gòu)架與藏族傳統(tǒng)碉房混搭的獨特建筑結(jié)構(gòu)。根據(jù)受漢族建筑文化影響程度的不同,大致可分為以下兩類結(jié)構(gòu)形式。
(1)受漢文化影響相對較少的藏族民居,梁柱連接方式以傳統(tǒng)碉房的“擱搭方式”為主,邊柱與梁采用卯榫連接,且沿房屋高度貫通,最頂層采用木構(gòu)架雙坡屋面,如圖3(a)所示。在川西北地區(qū)還能觀察到如圖3(b)所示的情況,頂層以“似穿斗式木構(gòu)架”承重,即采用木枋穿柱,椽子擱于柱頂,但其他部分仍采用傳統(tǒng)密椽平頂式結(jié)構(gòu),笨重的樓面荷載由主體木構(gòu)架承受,可稱其為“半穿斗式混合結(jié)構(gòu)”。這類半穿斗式藏式建筑的夯土墻或砌體墻僅作為圍護,分層砌筑。
圖3 半穿斗式藏族民居結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the structure of a half-through bucket-style Tibetan house
(2)受漢文化影響較多的藏族民居,其結(jié)構(gòu)型式已接近漢式穿斗木構(gòu)架,如圖3 所示,形成以穿斗式木構(gòu)架為主、底層夯土墻為輔的承重結(jié)構(gòu)體系,“半截夯土承重墻,穿斗屋架升二三層”可概述其結(jié)構(gòu)特點[1],該類房屋與南方漢式穿斗木構(gòu)架最大的不同是其樓蓋大都采用藏式做法,體量笨重。
上述兩類以木材為主的藏式民居,主梁與柱傳力較為清晰,但因樓板具有多層構(gòu)造,樓層之間的傳力方式頗為復(fù)雜。由于民居木材加工等局限,圓椽、限制樓板夯土層的外圍構(gòu)造和木墻底部的木基礎(chǔ)等構(gòu)件尺寸與主梁尺寸相差不大,從建筑外側(cè)看樓層傳力極為復(fù)雜。民居主要的豎向荷載都由木柱承擔(dān),水平荷載主要由民居中的通長柱承擔(dān)。由于圓椽密布且尺寸較大、房屋開間較小,樓板剛度及自重較大,較為考驗主梁及梁柱節(jié)點的承載能力。
基于實地考察和文獻(xiàn)資料查閱,上述各類安多藏式民居在地理上的分布如圖4 所示,位于四川、甘肅和青海三省交界地區(qū),地處青藏高原東緣的橫斷山脈,地震頻發(fā),歷史上在川西北地區(qū)發(fā)生過大大小小的地震700 余次,其中:以1933 年7.5 級疊溪地震、1976 年7.2 級松潘-平武地震、1989 年6.6 級小金地震、2008 年8.0級汶川地震和2017 年7.0 級九寨溝地震影響最為強烈。從中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖可以看出:安多藏區(qū)大部分位于7度(0.15 g)及其以上抗震設(shè)防烈度地區(qū):一方面,藏民們在遭受歷次地震劫難后,民居結(jié)構(gòu)構(gòu)造亦在不斷完善和改良,努力適應(yīng)抗震需求,在歷史長河中發(fā)展成今日的建筑型式,其中有對抗震有利的部分值得發(fā)揚;另一方面,隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展,人類對居住安全要求越來越高,在保留其建筑風(fēng)貌和文化的同時,應(yīng)從結(jié)構(gòu)抗震理論的角度引領(lǐng)其發(fā)展,提升其建造水平。
圖4 穿斗式藏族民居結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the structure of bucket-type Tibetan dwellings
綜上所述,安多藏區(qū)的民居結(jié)構(gòu)構(gòu)造與其所在的地理位置密切相關(guān),從圖5可知:位于藏漢交接地區(qū)的山原農(nóng)區(qū)和高山峽谷林區(qū)民居系藏式碉房和漢式穿斗木構(gòu)架的混搭,其結(jié)構(gòu)的主要特征可概括為圖6所示。藏族中心區(qū)或靠近中心區(qū)的藏式民居主要由外圍石砌墻或土夯墻與內(nèi)部木柱共同承重,各層樓屋蓋木梁通過“擱搭方式”簡支于墻或木柱上,每層木柱支承于地面或樓面上,沿高度方向不貫通,這類房屋屬于混合結(jié)構(gòu)承重,整體性不強,內(nèi)部層與層之間不連續(xù),但外圍厚重墻體會加大房屋的整體剛度。與漢族接壤的藏區(qū)藏式民居或多或少引進(jìn)了穿斗木構(gòu)的做法,外圍護墻不參與承重或僅部分參與承重,一定程度上改善了房屋的整體性,優(yōu)化了結(jié)構(gòu)承重體系。
圖5 安多藏式民居地理分布圖Fig.5 Geographical distribution map of Amdo Tibetan dwellings
圖6 山原農(nóng)區(qū)和高山峽谷林區(qū)民居的結(jié)構(gòu)特點Fig.6 Structural characteristics of residential houses in the mountain plains and forest areas in the mountains and valleys
2017 年九寨溝地震中當(dāng)?shù)孛窬釉馐芰瞬煌潭鹊钠茐?,震中漳扎?zhèn)所轄區(qū)域即為傳統(tǒng)的安多村落,九寨溝地震中安多民居的震害表現(xiàn)及震害特征為解析安多藏式民居的抗震性能提供了依據(jù)。
由于震中地區(qū)民居結(jié)構(gòu)型式多樣,震害亦各不相同,圖7給出了一些典型的破壞情況,如圍護墻倒塌、局部坍塌等,可以看出:非結(jié)構(gòu)構(gòu)件圍護墻的破壞非常普遍,調(diào)查顯示,因非結(jié)構(gòu)構(gòu)件震壞導(dǎo)致至少5 人遇難,該現(xiàn)象也應(yīng)引起業(yè)界關(guān)注。
圖7 九寨溝地震中民房典型震害情況Fig.7 Typical earthquake damage to private houses in the Jiuzhaigou earthquake
根據(jù)九寨溝地震后專家小組對極震區(qū)(Ⅷ和Ⅸ區(qū))建筑物的震害調(diào)查資料[11],統(tǒng)計受損建筑共計337棟,其中:木構(gòu)架85棟,磚混結(jié)構(gòu)110 棟,RC(鋼筋混凝土)框架結(jié)構(gòu)61 棟,RC 框架-砌體混合結(jié)構(gòu)81 棟,受損情況見表1。表中平均震害指數(shù)反映了各類結(jié)構(gòu)房屋的受損程度,指數(shù)越大,說明該類房屋具有更高的易損性。木構(gòu)架房屋主要指安多藏區(qū)的藏式民居。
由表1 可知:極震區(qū)木構(gòu)架民居平均震害指數(shù)明顯大于框架結(jié)構(gòu),與另外兩種結(jié)構(gòu)大致相當(dāng)。相較于另外三種結(jié)構(gòu)型式,木構(gòu)架毀壞率和嚴(yán)重破壞率均為最高,分別達(dá)5.9%和29.4%,說明有相當(dāng)比例的木構(gòu)架房屋的抗震能力堪憂。但也應(yīng)注意到,在磚混結(jié)構(gòu)和RC 框架-砌體混合結(jié)構(gòu)基本完好率為零的情況下,木構(gòu)架為5.9%,僅略低于RC框架結(jié)構(gòu),表明有一部分木構(gòu)架房屋表現(xiàn)出了優(yōu)良的抗震性能。
表1 九寨溝地震極震區(qū)各類房屋的震害矩陣(%)[11]Table 1 Earthquake damage matrix of various types of houses in the Jiuzhaigou earthquake extreme earthquake zone(%)
雖然木構(gòu)架房屋毀壞率達(dá)5.9%,但整體垮塌的卻很少[13],震損特征主要表現(xiàn)為墻體等圍護結(jié)構(gòu)開裂、外閃或倒塌,或是屋面掉瓦,梁柱搭接處局部斷榫、脫榫或移位,柱腳發(fā)生滑移等[12,14],具有典型的“墻倒屋不塌”特點。相比之下,就主體承重結(jié)構(gòu)層面而言,木構(gòu)架房屋更多表現(xiàn)為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞和構(gòu)件的連接處破壞[10]。
值得指出的是,2008 年汶川地震后,當(dāng)?shù)鼐用穹勒饻p災(zāi)意識大大提升,在政府指導(dǎo)下,居民開始有意識地對現(xiàn)有民居進(jìn)行修復(fù)和加固。民居使用效果更好的水泥等膠凝材料,減少夯土墻,加固梁柱節(jié)點,增加部分抗震設(shè)防措施等,這些舉措在2017年九寨溝地震中發(fā)揮了積極作用,與同震級的蘆山地震相比,九寨溝災(zāi)區(qū)簡易房屋整體的抗震性能較強[15],災(zāi)害損失也相對較小。
木框架具有較好的延性,而墻體自重和剛度較大,因此在地震作用下,民居的損傷大部分來自于墻體的破壞。同烈度下,磚混結(jié)構(gòu)的墻體和框架結(jié)構(gòu)的填充墻破壞程度較小,多為裂縫發(fā)育,嚴(yán)重時為“X”形貫穿裂縫,而藏式民居的墻體由于砌筑方式特殊和黃泥等膠凝材料強度不足等原因,多表現(xiàn)為墻體剝落,嚴(yán)重時墻體垮塌為松散堆積物。
為了揭示木構(gòu)架安多藏式民居在九寨溝地震中抗震表現(xiàn)的內(nèi)因,從結(jié)構(gòu)整體組成、細(xì)部連接構(gòu)造、地基基礎(chǔ)等方面剖析其抗震薄弱環(huán)節(jié),結(jié)構(gòu)簡化力學(xué)模型示意如圖8所示,不利于抗震的因素可歸納為以下幾點:
圖8 川西北地區(qū)典型安多藏式民居的結(jié)構(gòu)簡化力學(xué)模型Fig.8 Simplified mechanical model of typical Amdo Tibetan dwellings in northwestern Sichuan
(1)結(jié)構(gòu)承重體系混雜。木構(gòu)架與砌筑墻混合承載,榫接連接與“擱搭”連接并用,傳力路徑不清晰,各部分的剛度不均衡,強度不匹配,地震中的抗震薄弱點易率先發(fā)生破壞而危及整體結(jié)構(gòu)安全。
(2)豎向連續(xù)性差。為數(shù)較多的安多民居采用分層建造的方式,上下層之間僅靠外圍承重墻或部分貫通柱來維持層間連續(xù)性,較少使用通長柱[16]。此外,由于大部分梁柱連接很少使用釘子和榫接方式,簡單“擱搭”方式較多,進(jìn)一步削弱了其整體性。需要指出的是:豎向分層建造也有可能給房屋抗震帶來有利的一面,地震中層間錯動可以吸收和耗散一部分地震能量,從而減輕對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不利影響。
(3)樓板自重大。大部分采用傳統(tǒng)藏式民居的樓屋蓋構(gòu)造,即密椽平頂式樓蓋,樓面密布圓木椽子、木板、草木和夯土等多層結(jié)構(gòu)材料[17],與漢式木板樓面相比,較大的樓層自重不僅增加了梁柱及承重墻的負(fù)擔(dān),也會加大地震作用。
(4)砌體或夯土墻的強度低、剛度大。作為承重墻易發(fā)生震害而導(dǎo)致房屋坍塌,作為外圍非承重墻的損害風(fēng)險高,易造成人員傷亡;無論是外貼還是內(nèi)嵌的圍護墻,與木框架均無任何拉結(jié)或加強整體性的措施,加大了其震害風(fēng)險。
(5)建筑場地易失效。川西北安多藏式民居大多依山而建,因地制宜,依據(jù)山坡的緩急,地基的處理方式不盡相同,但普遍為半挖半填,場地處理簡單。地震中場地失效也可能導(dǎo)致其上的房屋破壞。
川西北安多藏式民居在一座座山坡上呈現(xiàn)“下土上木,木瓦封頂”的樓閣狀居所,兼具厚重與輕盈特征,富含文化與生活的氣息,地方特色明顯,與自然融為一體。土夯墻、石砌體、藤條、木塊瓦、木構(gòu)架乃至砌筑黃泥,均取材當(dāng)?shù)?,具有良好的生態(tài)友好性。而在安多藏族悠久的發(fā)展歷史中,歷經(jīng)若干次地震洗禮的藏式民居也形成了一些獨特的抗震結(jié)構(gòu)和構(gòu)造,主要體現(xiàn)在以下幾方面。
梁柱連接方式既有相對簡單的直接擱搭式,也有較為復(fù)雜的雀替構(gòu)造。前者受力簡單,顯粗獷之美,柱上端呈弧形,直接“叉”起大梁,或者在柱頂起一塊托木,兩側(cè)梁交錯搭接于其上,稱為“毛柱頭”,梁的錯接不用卯榫和釘子,簡單且更換方便,適用于房屋底層[18];后者可視為半剛性節(jié)點,常見于民居二層或宗教建筑,如圖7 所示,柱、斗、墊木、弓木、連梁從下到上形成集優(yōu)美與實用為一體的節(jié)點組合,輔以暗銷固定[19],是長期以來藏式民居的獨特結(jié)構(gòu)節(jié)點,在結(jié)構(gòu)中荷載傳遞具有重要作用。繪有艷麗色彩的雀替托起梁,裝飾在藏民極為看重的經(jīng)堂,成為藏式民居一道靚麗風(fēng)景。此外,在青海同仁郭麻日村藏式民居發(fā)現(xiàn)如圖9所示的插柱構(gòu)造[20],在下層柱頂留有榫頭,上層柱底留有卯槽,甚至?xí)娩撫斣诮涌p處環(huán)釘一周,增強柱抗側(cè)移能力,加強層間豎向連續(xù)性。
圖9 插柱構(gòu)造示意圖Fig.9 Schematic diagram of inserting post structure
純砌體或夯土墻的整體性依賴于墻體內(nèi)部材料的粘結(jié)性能,剛度較大,延性有限。墻體向上收分、內(nèi)部輔以柳條、木棍編制而成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的承重生土墻如圖10(a)所示,是藏民們與大自然長期斗爭的智慧結(jié)晶,極似現(xiàn)代鋼筋混凝土構(gòu)造。獨特的墻體構(gòu)造使其在地震作用下泥散而墻不倒,震后修復(fù)容易。另有墻體使用柳條墻如圖10(b)所示、木板墻或柳條敷泥墻形式[1],可有效減輕結(jié)構(gòu)自重。
圖10 安多藏式民居墻體Fig.10 Walls of Amdo Tibetan houses
基于上述分析,對安多藏式民居的設(shè)計建造提出了以下建議:
(1)優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系
在保持安多地區(qū)藏式民居建筑風(fēng)貌的同時,優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系,加強房屋的整體性,盡量減輕自重,形成抗震科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。
傳統(tǒng)藏式民居木框架主次梁布局不甚合理,圓木椽子布置密集,樓面多層構(gòu)造,面層以土夯實,自重較大且易造成木構(gòu)件腐蝕。圓木椽子應(yīng)適當(dāng)減少并減小其直徑,主梁及其他主要木框架承重構(gòu)件可適當(dāng)加大其尺寸或以強度更高的復(fù)合材料代替。如今混凝土面層已逐漸代替夯土面層在部分藏民家中運用,堅固且耐久。此外,平整的木質(zhì)樓板亦可替代夯土樓板作為現(xiàn)代化藏式木質(zhì)民居的重要組成部分。
(2)發(fā)展新型建造材料和建造工藝
挖掘傳統(tǒng)建造工藝中亮點,引入新材料新工藝,實現(xiàn)墻體的結(jié)構(gòu)受力功能和保溫隔熱功能的統(tǒng)一,提升民居的居住安全性和舒適性。
傳統(tǒng)藏式民居大多數(shù)墻體抗震性能有限,耐久性不佳,引入水泥、磚砌體等材料代替黃泥、毛石等傳統(tǒng)材料,能有效提升墻體的強度和耐久性。外圍的藤條墻常以敷泥的方式取得保溫隔熱的效果,但強度及耐久性能有限。摻稻殼灰的水泥混凝土具有良好的保溫隔熱性能[22],兼顧強度與綠色發(fā)展的理念,可考慮將其作為藏式民居的新型墻體材料加以利用。
(3)促進(jìn)藏式民居建造標(biāo)準(zhǔn)化
在地方職能部門的統(tǒng)籌和專業(yè)人員的參與下,形成具有地方特色安多藏式民居設(shè)計施工及抗震加固導(dǎo)則或手冊,確保當(dāng)?shù)夭孛窬幼“踩?/p>
經(jīng)過實地調(diào)研和文獻(xiàn)分析,傳統(tǒng)安多藏式民居的結(jié)構(gòu)特點和抗震性能可總結(jié)如下:
(1)民居建造就地取材,具有典型的生態(tài)建筑特征,受穿斗式木構(gòu)架影響程度不同,而形成結(jié)構(gòu)構(gòu)造各異的安多藏式民居。
(2)結(jié)構(gòu)體系混雜,木構(gòu)架與砌筑墻體聯(lián)合承重,木構(gòu)架中梁柱榫接與擱搭連接同時出現(xiàn),地震中受力機理復(fù)雜,易形成抗震薄弱環(huán)節(jié)。
(3)房屋豎向連續(xù)性差:一方面削弱性房屋的整體性;另一方面,地震中的層間錯動有助于耗散地震能量。
(4)砌筑墻體強度低且缺乏整體加強措施,地震中率先發(fā)生破壞,危及結(jié)構(gòu)及人員安全。
綜上所述,建議在保持藏式建筑風(fēng)貌的前提下,加大引進(jìn)現(xiàn)代設(shè)計建造技術(shù)和材料、工藝,開發(fā)安全舒適的藏式民居,形成安多藏區(qū)民居安全、文化繁榮和共同富裕的共贏局面。