九、从应县木塔说起
留传至今的我国古代众多的木构建筑中，山西应县木塔（见图1-37）是世界上现存最早、最高的一座。它建于辽清宁二年（1056年），塔身八角，底径30米，九层（明五层暗四层），连同塔刹总高度约70米。它高耸于大同盆地桑干河畔，气势雄伟，是中国古代材料力学和结构力学辉煌成就的例证。
图1-37 山西应县木塔
为什么我国的木结构能保持近千年而不被各种自然灾害（如风暴、地震）毁坏？我们在此结合文物实例介绍一点简单的材料力学和结构力学知识。
在地面立一电线杆，若不在其顶端拉铁丝到地面以加固，电线杆容易被大风刮倒，或被人推倒。若在电线杆的东西两边各拉一根加固铁丝，那么，只有在南北方向才比较容易推倒它；若在它南北两边又各拉一固定铁丝，这杆就牢固地树立于地面上了。在力学上，将那些铁丝称为“约束”；将电线杆和加固铁丝统称为“超静定结构”，也就是具有长久不变的几何形状和许多多余约束的结构。中国古代人对此已有所认识。宋代科学家沈括在《梦溪笔谈·技艺》中讲了这样一个故事：
钱氏⑥据两浙时，于杭州梵天寺建一木塔。方两三级，钱帅登之，患其塔动。匠师云：“未布瓦，上轻，故如此。”乃以瓦布之，而动如初。无可奈何，密使其妻见喻皓⑦之妻，赂以金钗，问塔动之因。皓笑曰：“此易耳。但逐层布板讫，便实钉之，则定不动矣。”匠师如其言，塔遂定。盖钉板上下弥束，六幕⑧相联如胠箧⑨，人履其板，六幕相持，自不能动。人皆服其精练。
“弥束”即前述力学上的“约束”。喻皓对匠师言及“布板”“实钉”，沈括为之所做的“钉板上下弥束，六幕相联如胠箧”的分析，表明当时人们认识到，增加结构的约束可以提高其刚度的道理。
应县木塔建筑在一个外包砖石的夯土基座上，塔身由内槽柱、外槽柱和副阶檐柱层层树立，所有柱子又有梁、枋、斗拱等连成一体（见图1-38），整个木塔体系类似于现代高层建筑的“双套筒”式结构。后者被认为是高层建筑中抗震性能最好的一种体系。“双套筒”也相当于沈括所说的双胠箧。这样的整体结构使塔具有较高的整体抗弯刚度和强度。此外，塔底层的内槽和外檐的角柱都是双柱，并砌在约1米厚的土墙内。在转角处又增设一柱，以改善梁枋和柱头交接的受力状态；在柱间填以厚墙，可以防止构架扭曲，二者都对增加塔的稳固性有利。
图1-38 应县木塔结构图
由梁、枋、斗拱和短柱组成的平座暗层，在金代维修时又增加斜撑，从而形成了类似近代建筑中平行桁架式的组合圈梁（见图1-39）。在平座内环还有枋木叠置的一道圈梁。这样，整个暗层就如同一个刚度极大的箍。在沈括所说的胠箧上再加上这个箍，每一层的强度自然大大增加。这样的四个暗层，对承受风压和抗震都起到了良好的作用。
图1-39 应县木塔内柱间斜撑架
应县木塔是八角形的，从力学上看也要合理些。八角形高塔所受的风压比四方形的轻些。具有锐角或直角的建筑物，地震时受力集中，容易损坏；八角形呈钝角，受力较均匀，因而抗震能力较强。再者，八角形每个壁面对地基的压力分布较四方形均匀，在一定程度上改善了塔身的总体性能，延长了它的寿命。
应县木塔中的斗拱和榫卯接合，表现了传统中国木结构建筑最大的特点。人们对斗拱的功能已有较深的认识，我们对它的历史和力学性能再做一点介绍。
之前我们已述及河姆渡遗址的梁木及其榫卯接合方式，可见，中国传统的木构建筑起源甚早。殷商时期，木构建筑初具规模，有了最初的柱础。斗拱在西周时期已见端倪，到西汉已相当普遍。在山东苍山（现为兰陵）城前村和前姚村的汉代画像石中，分别有气势雄伟的房屋斗拱和斗拱式桥墩（见图1-40）。迄今留存的唐宋以来各代古建筑中，斗拱及榫卯连接成为中国传统科学文化的一大特征（见图1-41）。
图1-40 汉代斗拱画像石
图1-41 梁桁与柱之间的斗拱
我国传统木构房屋的重量，主要通过梁桁等横向构件传至立柱。如果横梁与立柱直接连接，由于接触面小，压应力大，横梁有被局部压坏的危险，因为木材的横纹抗压能力远小于顺纹的抗压能力；同时，在与横梁斜接中，立柱受到来自屋顶重量的剪切应力极大，也有被劈裂的危险。斗拱的作用，就在于增大柱与梁之间互压面积，减低压应力数值，这既提高了横梁的强度，又避免立柱受剪切应力的破坏。
通常，参数（质地、大小等）一样而长度不同的两根梁，长度越大的梁抗弯能力越低。斗拱可以减小梁的跨度，从而提高它的抗弯能力和强度。据对古建筑的考察分析，例如，对山西五台山唐代南禅寺大殿“撩风”的测量，由于采用斗拱，跨度由5.01米减小至3.01米。如果不设置斗拱，该梁最大弯矩和剪切应力分别为有斗拱的2.56倍和1.58倍。同样，该地唐代佛光寺大殿“四椽栿”，由于采用斗拱而使其跨度缩短46%，从而大大降低了梁式构件的弯矩和剪力，节省了做栋梁用的木材。
北京天坛祈年殿内的藻井（见图1-42）是巧夺天工的梁柱结构，斗拱在其中起着重要作用。藻井由四根“龙井柱”支撑，柱子上端接有方形的“地梁”和圆形的“天梁”，天梁上又增设八根“雷公柱”。四根龙井柱和八根雷公柱共同承载藻井。藻井是由两层斗拱和一层“天花”组成，藻井正中间为金色龙凤浮雕。从艺术或美学上看，真是结构精巧，富丽堂皇；从科学技术上看，可谓均匀稳定，智慧结晶。藻井的两层斗拱使藻井结构均匀严密，宛如一个完整的刚性构件，其重量通过雷公柱、天梁和地梁又均匀地分配于四根龙井柱上。其中榫卯接合又使整个梁柱结构形成一个牢固的刚架，屹立在祈年殿内。
图1-42 北京天坛祈年殿藻井（仰视图）
榫卯连接，尤其是斗拱的榫卯接合，不但加强了木结构之间纵向与水平方向的连接强度，改善了构件搭接中的薄弱环节，而且这种连接属于柔性而非刚性，因而能起到极好的抗震效果。在地震等强大外力作用下，各构件之间可以稍有错动又不分离，构件不致折断而倒塌。当外力解除后，由于构件的柔性连接，构件又可以以其弹性而恢复原状。正是这种柔性连接，起到了减震作用。
另一个有趣的现象是，一些不了解中国传统建筑的人往往怀疑木结构的立柱支撑于地面柱础上是否牢固。事实上，作为整体的木结构，其立柱不深入地表，而支撑于地面柱础上，就可以极大地避免地震横波的袭击。因为水平方向的地面运动不会太大地影响地面木结构。当然，若该木结构处于震中，受到来自地下的纵波的振荡，那就另当别论了。应县木塔、南禅寺大殿、佛光寺大殿等一些古建筑，迄今仍巍然屹立，大都与它们的木结构抗震性能有关。