600年屹立不倒
——紫禁城有何建筑奥秘
紫禁城古建筑群建造于明永乐十八年（1420年），是世界上现存规模最大、保存最完整的古代木结构建筑群。600年来，它们历经各种自然灾害而基本无恙，是我国古代建筑工匠的智慧结晶。它有哪些独特的建筑结构？有哪些科学精巧的设计？
抗震功夫如何炼成
一段“故宫建筑模型在强震模拟中岿然不倒”的视频曾在微博上走红。这段视频来自英国电视台第4频道制作的纪录片《紫禁城的秘密》。故宫博物院研究馆员周乾博士是该纪录片中展示的故宫建筑模型抗震试验的主要设计者。
故宫建筑模型表现出的“强震不倒”靠的是什么？周乾指出，中国是世界上最早将隔震理念应用到建筑中的国家，故宫建筑的设计建造中充分考虑了抗震的需求，采用了多项隔震技术。
所谓建筑隔震，就是在建筑基础部位安放可运动装置;地震发生时，通过装置的运动来耗散、吸收部分地震能量，并错开地震波的频率，从而减轻地震对建筑的损害。
故宫古建筑的隔震是如何实现的呢？周乾举例解释道，比如建筑的柱根并非插入地底下，而是平摆浮搁在柱顶石上。地震作用下，柱根在柱顶石上往复运动，产生摩擦滑移隔震效果。
故宫古建筑的梁与柱采用榫卯节点形式连接，梁端做成榫头形式，插入柱顶预留的卯口中。地震作用下，榫头与卯口之间反复开合转动，并产生少量拔榫。拔榫即榫头从卯口拔出，但不是脱榫，榫头始终搭在卯口位置。这种相对转动也是摩擦减震、隔震机理的体现。
柱顶之上为斗拱。斗拱由坐、拱、翘、升等小尺寸构架由下至上层层叠加而成。地震作用下，这些细小构件之间相互挤压、错动，可耗散大量地震能量，并能够延长建筑的晃动周期，产生隔震效果。地震结束后，这些小构件基本能恢复到初始位置，并保持完好。此外，厚重的屋顶犹如一个胖子，在外力作用下晃晃悠悠地往复摇摆，但始终保持稳定不倒，起到了很好的隔震效果。据统计，自紫禁城建成以来，故宫古建筑经受了大大小小至少222次地震的考驗，其中不乏像1679年北京平谷发生的8.0级地震和1976年唐山发生的7.8级大地震。
在周乾看来，故宫古建筑之所以能抵御非常罕见的地震，有个非常重要的前提是：这些古建筑在历朝历代得到了很好的维护保养。在古代，皇帝每年都会安排大量经费用于紫禁城建筑的修缮，并有专门的部门负责修缮工作。如明代为工部营缮清吏司，清代为内务府营造司。新中国成立后，故宫博物院先后成立古建部、工程管理处、修缮技艺部来对故宫古建筑进行定期维护和修缮。
“建筑就像人一样，具有生命属性，时间长了，难免老化并出现各种病害，如开裂、拔榫、变形、糟朽等。只有及时采取各种有效措施对它们进行维护保养，并采取有效加固措施，才能使它们抵御包括地震在内的各种自然灾害，实现延年益寿。”周乾说道。
古建基础里的奥秘
紫禁城古建筑营建智慧的一个重要体现，就是合理有效的建筑基础做法。其中，又以“一块玉”基础和“糯米”基础值得称道。
所谓“一块玉”基础，是指基础做法为一个整体，专业上又称之为“满堂红”基础。这种做法的一个显著特征是：原有地基被全部挖去，然后重新由人工回填。
为什么要挖去原有地基，而不是利用原始土层的基础呢？这与中国古代的朝代更迭密切相关。我们知道，现存紫禁城是明朝永乐皇帝朱棣建造的。他建造的紫禁城，是在元朝紫禁城的基础上建立的。也就是说，在明朝之前，紫禁城这个位置是元朝皇宫所在地。在中国古代有一个不成文的规定，就是任何一个朝代取代前朝时，都会灭前朝的“王气”，其做法之一，就是把前朝的建筑从底到顶都给毁了，包括基础，而后从头再来盖自己的宫殿。因此，明朝建立紫禁城时，把元朝所有的建筑连根毁掉，这样一来，明紫禁城的基础都得重新再做一遍，这就是紫禁城古建筑基础为“满堂红”做法的主要原因。
在进行人工回填土时，具体做法为：一层三七灰土、一层碎砖，反复交替。所谓三七灰土，是一种以生石灰、黏土按3：7的质量比例配制而成具有较高强度的建筑材料，在我国具有悠久的使用历史。比如南北朝时，南京西善桥的南朝大墓封门前的地面即是灰土夯成的。这种灰土基础的优点在于，生石灰遇水生成熟石灰，强度增大，吸水性很强，有利于在潮湿的环境中使用。灰土基础本身的粘结强度比较高，适合于承受上部建筑传来的重量，而不会产生土体松散。
石灰是一种易于获得的建筑材料，我国在公元前7世纪就开始使用石灰。《本草图经》有：“石灰，今所在近山处皆有之，此烧青石为灰也。又名石锻，有两种：风化、水化。”由此可知，生石灰取材方便，加工简单，使用效果好，因而在古建筑基础中大量使用。那么，为什么紫禁城古建筑的基础不是全部做灰土分层，而非得“一层灰土、一层碎砖交替”呢？其实，这主要出于减小建筑物发生沉降的考量。我们知道，灰土材料一般比较松软，但柔性强就意味着硬度低，当上部建筑的重量较大时，尽管建筑在自重作用下会均匀下沉，但下沉量过大就会影响建筑的有效使用。相比而言，碎砖的硬度远大于灰土，且大部分属于烧窑或砌墙用的残余料。把它们过筛子后得到尺寸相近的颗粒，就可用于代替灰土层。
关于“糯米”基础，我国古建筑专家刘大可先生在《明、清古建筑土作技术（二）》中认为，古建基础中有灌江米汁（糯米浆）的做法。就是将煮好的糯米汁掺上水和白矾以后，泼洒在打好的灰土上。江米和白矾的用量为：每平方丈（10.24平方米）用江米225克、白矾18.75克。在清代，官方对小夯灰土的做法也有这样的描述：“第二步须在此步上趁湿打流星拐眼一次，泼江米汁（糯米汁）一层。水先七成为好掺江米汁，再洒水三成，为之催江米汁下行，再上虚，为之第二步土，其打法同前”。
糯米具有很好的黏性，掺入灰土基础中，可使基础具有很好的整体性和柔韧性，类似于硬度较高的均匀面糊团。这使得紫禁城古建筑的基础成为一个整体，建筑物上部传来的重量使得基础产生整体均匀的下沉，几乎不产生破坏，保证了上部建筑的稳定性。即便是地震发生之时，基础产生整体均匀变形，可延长建筑的晃动周期，错开地震波的峰值，减小基础及上部建筑的破坏，甚至有日本学者将这种柔性人工地基称之为建筑结构地基隔震应用的先例。
对于有淤泥层或地下水的地基层，古人则考虑在填土层之下埋设木桩。木桩可穿透淤泥层，并使得桩尖抵达坚硬的岩石层，木桩之上再为分层夯土。这样一来，就可以避免基础的不均匀沉降了。
充满智慧的排水系统
每年雨季，故宫博物院三大殿前都会上演“千龙吐水”的景象。北京市一般每年6月份开始进入汛期，而位于北京市中心的紫禁城，建成至今600年很少遭受水患。这与紫禁城设计科学的排水系统有关。
紫禁城的地势北高南低，其中北部的神武门地面比南部的午门地面高约两米，整体形成约2‰的排水坡度。紫禁城以中轴线建筑为核心的宫殿建筑群又使得其整体地势呈中间高、两边低的特点，且西南部的地势又略高于东南部。这样雨水会由北向南排、由中间向两边排，最后由东南出口排出。
自紫禁城建成以来，故宫古建筑经受了大大小小至少222次地震的考验，其中不乏像1679年北京平谷发生的8.0级地震和1976年唐山发生的7.8级大地震。
紫禁城古建筑的屋顶均为坡屋顶做法，这使得雨水降落到屋顶后，沿着坡度往下流向地面。而屋顶坡度又具有上部陡、下部缓的特点，使得雨水在屋顶上部迅速下排，而在屋檐位置则朝远方排出。这种坡度设计，一方面使得屋顶不易积水，另一方面可避免屋檐部位的雨水回流反渗。为了使屋顶雨水有序往下排，瓦面被做成一道道小沟状，称为“瓦垄”。瓦垄由底瓦和盖瓦组成。其中，底瓦用板瓦铺墁，上瓦压下瓦，上下瓦之间用灰泥抹严实，其主要用途为形成雨水下排的“水沟”;盖瓦用筒瓦铺墁，上瓦与下瓦首尾相接，接缝处用灰泥抹严实，每块盖瓦的两端分别扣在相邻两块底瓦之上，其主要用途为形成“水沟”的侧壁。位于屋檐处的底瓦做成三角尖状，称为“滴子”，其主要作用是让瓦垄的雨水汇集成一条直线下落。而与之相邻的盖瓦则做成圆筒状，称为“猫头”，其主要作用是充分扣压在滴子端部，防止雨水渗入屋檐内。紫禁城古建筑一般坐落在高高的台基之上。台基凸立于地面之上，有利于建筑本身的稳定及建筑防潮。紫禁城前朝三大殿（太和殿、中和殿、保和殿）的台基做法为我国古建筑台基工艺的最高等级，即采用三层须弥座叠加而成，俗称“三臺”，总高度达8.13米。由于台基的核心材料为土，为避免雨水渗入台基内部造成土体松散，台基排水极其重要。
三大殿三台的每层台基的地面都有着3%～5%的坡度，且中间高、四周低，使得台基地面的雨水能够迅速汇集到端部。每层台基的端部都有栏板，每两块栏板之间都有望柱（即短柱），望柱底部则伸出类似于龙头的石质构件。这个石质的“龙头”称为排水兽，其外形特征属于明代龙生九子之“蚣蝮”。排水兽内部有较大的空间，有利于栏板底部的雨水迅速汇入进水口，犹如产生“吸水”功能，避免了雨水在栏板位置的积存。这种凸出在台基侧壁以外的排水兽做法，可以使得雨水向前、向远方排出，形成良好的排水效果，且避免了雨水回流。三大殿的三台一共有1142个蚣蝮造型，在雨季尤其是暴雨时期，几乎每个蚣蝮都能够发挥排水作用，可产生“千龙吐水”的奇观。
紫禁城的广场地面排水巧妙地利用地势坡度进行，以太和殿广场排水为例来说明。太和殿广场中轴线方向有2.2米宽的御路，由汉白玉铺墁而成，且比广场其他位置地势要高，使得降落到广场上的雨水迅速排向东西两侧的明沟中。紫禁城的整体地势北高南低，使得太和殿广场东西侧明沟中的雨水向南流动，汇入广场南侧的暗沟中。该位置的暗沟呈西高东低走向，因而暗沟中的雨水又汇入广场东南角更深的涵洞中，涵洞的另一侧则是文华殿区域的内金水河。这样一来，太和殿广场的地表雨水很快流入地下暗沟，并汇入到内金水河中。
紫禁城有着纵横交错的地下排水系统，其分布特征为：在北部有一条东西向的暗沟，这条暗沟向南伸出若干分支，接纳各宫殿雨水，并将雨水汇入紫禁城南部的内金水河。其中，北部的暗沟位于神武门内以南约50米处，长度几乎贯穿紫禁城的东西向，上部铺设石板，且每隔一定距离的石板上有泄水的小孔。该处暗沟分别沿着建福宫、乾隆花园、东侧十三排等区域设置南向分支暗沟。对于建福宫区域的暗沟而言，其中的雨水向南经西六宫、内廷后三宫西侧、养心殿，再流入武英殿以东的内金水河。对于乾隆花园区域分支的暗沟而言，其中的雨水向南经过东六宫、宁寿宫区域、御茶膳房，再流入文华殿东侧的内金水河。对于东侧十三排区域的暗沟而言，其中的雨水向南经北十三排、南十三排，再流入清史馆区域的内金水河。
紫禁城排水的智慧方法，包含了我国古代工匠无穷的智慧，其中很多措施对现代建筑的防汛仍能提供有益的参考。
来源：科学大观园
