導言：有一種說法是：在地震央殺死人的，不是地震本身，而是不抗震的建築。600年間，中國的紫禁城——故宮，經歷了200多場地震仍保存至今，它的背後藏著什麼秘密？
抗住地震的「故宮」
英國BBC曾推出過一部關於故宮的紀錄片《紫禁城的秘密》，其中最有看點的部分，當屬專家組搭建的故宮建築模型抗住了10級地震測試。
模擬7級地震時的建築模型
9.5級地震
10.1級地震時，建築模型左右搖晃，但並未倒坍
測試專家組按照1：5的比例搭建的故宮建築模型，抗住了10級地震模擬測試圖源：《紫禁城的秘密》
木結構建築的關節—榫卯
故宮是世界上現存規模最大、最完整的古代木結構建築群，而木結構的連接離不開榫卯。中國榫卯最早發現於7000年前的河姆渡文化，木材凸出的部分叫榫，凹陷的部分叫卯。這種不用釘子，只用咬合關係完成的連接，就是榫卯。
各式各樣的榫卯
榫卯結構不但可以承受較大的荷載，而且允許產生一定的變形，在地震情況下通過變形可以抵消一定能量，減小結構的地震響應。通過不同的切割與組合，榫卯可以演變出上百種樣式。
四箱體聯合榫卯
相比於用釘子釘死，榫卯更像是人體關節，是一種柔性連接方式。一些榫卯會使用魚鰾膠加固，這種用魚鰾蒸煮捶打製成的天然膠水，膠凝強度超過一般動物膠，能伴隨木質的膨脹收縮而變化，進一步形成彈性連接。
加上木材（順紋）本身的抗拉強度、抗壓強度較高，木結構房屋擁有更大的形變空間來抵消部分地震能量，可以說是以柔克剛。相比之下，石材、混凝土的韌性略差於木頭，地震央更容易發生剛性斷裂。
各材料密度、強度及比強度取值
此外，木質建築還有一個優勢在於重量。地震央，越沉重的建築受地震波影響越大，產生的晃動也越大。木製建築的重量約是鋼筋混凝土建築的五分之一，相對來說更不容易搖晃。
神奇的減震結構——斗拱
當然，要想抵禦地震的攻擊這還不夠，故宮建築里還有能起到減震效果的結構——斗拱。
當我們用木料蓋房子時，最簡單的方法就是四根立柱、四根橫樑。通過榫卯連接的方式，立柱與橫樑可以互相卡緊而不滑動，但是，此時柱子的頂端開了一個十字形凹槽，四周僅存的木材很容易折斷。為了解決這個問題，古人選擇局部增加柱子頂端的體積，來增強穩固性。
局部增加柱子頂端的體積的木製房梁結構
而接著是下一個問題：沒有柱子支撐部分的橫樑，很難承受整個屋頂的重量，遭遇地震時尤其危險。於是為了給梁架「減壓」，斗拱便出現了。
古人們很早就意識到一個基本物理知識:受力面積越大，壓強越小。因此在柱子頂端加一根橫木，再放上三個散鬥，就能有效緩解上部壓力。依此類推，還可以層層堆疊更多。
圖源：《紫禁城的秘密》
有無斗拱結構對比示意圖
隨著建築形式的發展，有限的屋頂越來越無法滿足古人日益膨脹的審美需求。斗拱也演變出了更多的樣式，如斗拱出踩：斗拱從檐柱中心開始，向內外兩側挑出，每挑出一步，稱為一踩。
斗拱出踩示意圖
最後概括一下，斗拱往往由很多小構件拼接而成，彼此間留有一些活動餘地，在地震發生時，可以利用各個構件之間的摩擦、錯位、往復運動，消解部分地震能量，減少房屋倒塌的機率。
1679年的京師大地震，是北京附近發生過的最大地震，震級估計為8級，宮殿建築損毀情況有詳細記載，但並沒有發生木骨架倒塌的情況。
蔣博光·《故宮古建築歷經地震狀況及防震措施》，1983年2月故宮博物院院刊
暗藏玄機的故宮地基
除了看得見的部分，故宮的地基也有著自己的秘密。
1977年工程技術人員鑽探勘察了故宮三大殿（太和殿、中和殿、保和殿）的地基，結果發現，太和殿地面以下有3層磚，往下是1米的石頭層、4米的碎磚與灰土交替層、6米的碎卵石與碎磚交替層。其中灰土由生石灰與黃土按3：7的比例混合而成，生石灰具有吸水後強度增大的優點和一定防潮性，而灰土層還摻有糯米汁，可以將灰土牢牢粘住，避免因大風大震而鬆散。
故宮三大殿地基構造示意圖
再往下是5.6米左右的木柱與填土交替層。大量木樁將荷載傳遞到更深更堅固的土層，下部的木筏式承台則是許多平鋪的圓木，當地震作用力傳導過來時，圓木水平滑移可以抵消一部分地震能量。
更特別的是，太和殿的柱子沒有深埋地下，而是柱底浮擱在柱墩上，與此同時，柱子並不是垂直建造的，柱頭與柱身存在著4.5度的偏移。這種設計日常可以防潮防蛀，地震時可以避免柱子被折斷，可以說是十分花心思了。
擱在柱墩上的柱子
結語：
就這樣，故宮建築從屋頂至地基進行了匠心獨運的防震設計，極大程度地減少了遭受自然災害損毀的可能性。故宮能夠在這片土地上屹立超過600年，設計與建設者的智慧和辛勞功不可沒。
參考文獻：
1、《紫禁城的秘密》, BBC紀錄片
2、中國古建築的斗拱結構是否符合力學原理？豬小寶的回答，知乎
3、東南大學建築理論│中建史—斗拱精講，東聯默言的文章，知乎
4、為什麼木結構建築的抗震性能普遍比較好？知乎
5、紫禁城600年地基解讀，《科技日報》
