从根号二的数字密码到精密设计的排水系统,从倦勤斋的通景画到太和殿的镇殿灵符,故宫博物院研究馆员、古建专家周乾,以扎实的专业知识、详实的文献资料,真实再现建造过程,细致拆解古建结构与布局,探究建筑背后的历史与文化,辅以235张高清彩图,全面呈现故宫之精妙与华美。
“偷梁换柱”是一个与古建筑相关的成语,后来该词多指以假代真,用欺骗的手段改变事物的性质。然而,在以故宫为代表的古建筑工程领域,“偷梁换柱”却属于一种科学实用的修缮加固方法。
梁、柱
故宫古建筑中,梁是截面形状为长方形的木料,且木料的长度尺寸远大于截面尺寸。梁为水平向放置,两端的底部有支撑构件。梁主要用于承担建筑上部构件及屋顶的全部重量,并把这些重量向下传给支撑构件。
柱子即为梁两端的支撑构件。柱子截面形状一般为圆形,长度尺寸远大于截面直径。柱子为竖向放置,主要用于承担上部梁传来的重量,并向下传递给下部的梁或直接传至地面。
梁与柱采用榫卯形式连接,形成稳固的大木结构体系。位于屋架内的若干梁在竖向被层层往上“抬”,上下梁之间由短柱支撑,最底部的梁由立于地面的立柱支撑。梁、柱均为中国木结构古建筑的核心受力、传力构件,缺一不可。
“偷梁换柱”的科学原理
对于古建筑而言,位于地面之上的立柱,或因长期承受上部结构传来的重量而产生开裂残损,或因柱底部位长期受到地面潮气影响而出现糟朽残损,使得木柱强度下降,无法正常支撑梁。在上述情况下,可采用“偷梁换柱”的加固方法。
“偷”是“托”的谐音,“偷梁换柱”实际就是“托梁换柱”。其基本做法为:首先将“假柱”(即临时的竖向支撑构件)安装在梁底部、原柱(原有立柱)旁边;再抽去原柱,使得梁传来的重量由“假柱”承担,且“假柱”将该重量向下传给地基;然后安装新柱,新柱的材料、尺寸及安装位置与原有立柱相同;最后将“假柱”移去。
古建筑领域中,完善的“偷梁换柱”加固方法具有科学性,可有效地用于残损木柱加固,其原理主要包括以下三个方面:
其一,从梁的角度而言,其为水平受力构件,并在两端把外力向下传给立柱。梁只有保持水平稳定状态,才能保证整个大木结构的稳定。在加固古建筑时,“偷梁”实际为“托梁”,即由原柱、假柱、新柱分别支托梁,整个过程中梁始终受到支托,因而能始终保持水平稳定状态。
其二,从柱的角度而言,其为竖向支撑构件,并最终把上部构件的重量传给地基。立柱只有充足的承载力,且与梁有可靠连接时,才能有效承担梁传来的作用力。“换柱”加固过程中,技术人员虽然将原柱抽去,但是预先将“假柱”设立于原柱附近,让“假柱”代替原柱发挥支撑作用,因而“换柱”过程对结构整体的稳定基本无影响。“换柱”完成后,新柱与原柱有着同样的材料、尺寸,且与梁有着相同的可靠连接方式,完全能够代替原柱发挥支撑作用,因而可以将“假柱”移去。
其三,从梁、柱整体结构角度而言,“偷梁换柱”方法对整体结构扰动小,且能达到良好的加固效果:原柱被新柱原位替换,新柱不仅有很好的支撑作用,而且与梁仍有可靠连接;“假柱”仅用于加固过程的临时支撑,且在原柱被撤去后,能够与梁组成临时稳定的结构体系。因此,在“偷梁换柱”过程中,梁、柱结构整体始终处于稳定状态。
中国古代兵法三十六计之第二十五计为“偷梁换柱”,古人把军阵中的“天衡”比作梁,“地轴”比作柱,站立在“梁”“柱”上的兵力均为主力。在战场上,把对方的主要军力引开,频繁地更换对方军队阵容,即“偷梁换柱”,等对方力量变弱时,再乘机进攻并战胜之。
“偷梁换柱”与《史记》卷三之《殷本纪第三》内容密切相关。原文载有,“纣倒曳九牛,抚梁易柱也”,意思就是纣王力大无穷,可以拽着九头牛,手托着梁换柱子。
工程实例
“偷梁换柱”的加固技术在中国古建筑保护维修中得到了充分运用,其典型工程实例即为故宫太和殿某立柱的加固。2004年工程技术人员在对太和殿进行勘查时,发现有一根立柱的下部出现了糟朽问题,该立柱与梁的连接方式类似于上页示意图的虚线框部分。施工技术人员采取了“偷梁换柱”方法对该立柱进行了加固,具体过程为:①揭露→②偷梁→③抽柱→④换柱。