紫禁城有何建築奧秘
紫禁城古建築群建造於明永樂十八年（1420年），是世界上現存規模最大、儲存最完整的古代木結構建築群。600年來，它們歷經各種自然災害而基本無恙，是我國古代建築工匠的智慧結晶。它有哪些獨特的建築結構？有哪些科學精巧的設計？
抗震功夫如何煉成
一段“故宮建築模型在強震模擬中巋然不倒”的影片曾在微博上走紅。這段影片來自英國電視臺第4頻道製作的紀錄片《紫禁城的秘密》。故宮博物院研究館員周乾博士是該紀錄片中展示的故宮建築模型抗震試驗的主要設計者。
故宮建築模型表現出的“強震不倒”靠的是什麼？周乾指出，中國是世界上最早將隔震理念應用到建築中的國家，故宮建築的設計建造中充分考慮了抗震的需求，採用了多項隔震技術。
所謂建築隔震，就是在建築基礎部位安放可運動裝置；地震發生時，透過裝置的運動來耗散、吸收部分地震能量，並錯開地震波的頻率，從而減輕地震對建築的損害。
故宮古建築的隔震是如何實現的呢？周乾舉例解釋道，比如建築的柱根並非插入地底下，而是平擺浮擱在柱頂石上。地震作用下，柱根在柱頂石上往復運動，產生摩擦滑移隔震效果。
故宮古建築的梁與柱採用榫卯節點形式連線，梁端做成榫頭形式，插入柱頂預留的卯口中。地震作用下，榫頭與卯口之間反覆開合轉動，併產生少量拔榫。拔榫即榫頭從卯口拔出，但不是脫榫，榫頭始終搭在卯口位置。這種相對轉動也是摩擦減震、隔震機理的體現。
柱頂之上為斗拱。斗拱由坐、拱、翹、升等小尺寸構架由下至上層層疊加而成。地震作用下，這些細小構件之間相互擠壓、錯動，可耗散大量地震能量，並能夠延長建築的晃動週期，產生隔震效果。地震結束後，這些小構件基本能恢復到初始位置，並保持完好。此外，厚重的屋頂猶如一個胖子，在外力作用下晃晃悠悠地往復搖擺，但始終保持穩定不倒，起到了很好的隔震效果。據統計，自紫禁城建成以來，故宮古建築經受了大大小小至少222次地震的考驗，其中不乏像1679年北京平谷發生的8。0級地震和1976年唐山發生的7。8級大地震。
在周乾看來，故宮古建築之所以能抵禦非常罕見的地震，有個非常重要的前提是：這些古建築在歷朝歷代得到了很好的維護保養。在古代，皇帝每年都會安排大量經費用於紫禁城建築的修繕，並有專門的部門負責修繕工作。如明代為工部營繕清吏司，清代為內務府營造司。新中國成立後，故宮博物院先後成立古建部、工程管理處、修繕技藝部來對故宮古建築進行定期維護和修繕。
“建築就像人一樣，具有生命屬性，時間長了，難免老化並出現各種病害，如開裂、拔榫、變形、糟朽等。只有及時採取各種有效措施對它們進行維護保養，並採取有效加固措施，才能使它們抵禦包括地震在內的各種自然災害，實現延年益壽。”周乾說道。
古建基礎裡的奧秘
紫禁城古建築營建智慧的一個重要體現，就是合理有效的建築基礎做法。其中，又以“一塊玉”基礎和“糯米”基礎值得稱道。
所謂“一塊玉”基礎，是指基礎做法為一個整體，專業上又稱之為“滿堂紅”基礎。這種做法的一個顯著特徵是：原有地基被全部挖去，然後重新由人工回填。
為什麼要挖去原有地基，而不是利用原始土層的基礎呢？這與中國古代的朝代更迭密切相關。我們知道，現存紫禁城是明朝永樂皇帝朱棣建造的。他建造的紫禁城，是在元朝紫禁城的基礎上建立的。也就是說，在明朝之前，紫禁城這個位置是元朝皇宮所在地。在中國古代有一個不成文的規定，就是任何一個朝代取代前朝時，都會滅前朝的“王氣”，其做法之一，就是把前朝的建築從底到頂都給毀了，包括基礎，而後從頭再來蓋自己的宮殿。因此，明朝建立紫禁城時，把元朝所有的建築連根毀掉，這樣一來，明紫禁城的基礎都得重新再做一遍，這就是紫禁城古建築基礎為“滿堂紅”做法的主要原因。
在進行人工回填土時，具體做法為：一層三七灰土、一層碎磚，反覆交替。所謂三七灰土，是一種以生石灰、黏土按3：7的質量比例配製而成具有較高強度的建築材料，在我國具有悠久的使用歷史。比如南北朝時，南京西善橋的南朝大墓封門前的地面即是灰土夯成的。這種灰土基礎的優點在於，生石灰遇水生成熟石灰，強度增大，吸水性很強，有利於在潮溼的環境中使用。灰土基礎本身的粘結強度比較高，適合於承受上部建築傳來的重量，而不會產生土體鬆散。
石灰是一種易於獲得的建築材料，我國在公元前7世紀就開始使用石灰。《本草圖經》有：“石灰，今所在近山處皆有之，此燒青石為灰也。又名石鍛，有兩種：風化、水化。”由此可知，生石灰取材方便，加工簡單，使用效果好，因而在古建築基礎中大量使用。那麼，為什麼紫禁城古建築的基礎不是全部做灰土分層，而非得“一層灰土、一層碎磚交替”呢？其實，這主要出於減小建築物發生沉降的考量。我們知道，灰土材料一般比較鬆軟，但柔性強就意味著硬度低，當上部建築的重量較大時，儘管建築在自重作用下會均勻下沉，但下沉量過大就會影響建築的有效使用。相比而言，碎磚的硬度遠大於灰土，且大部分屬於燒窯或砌牆用的殘餘料。把它們過篩子後得到尺寸相近的顆粒，就可用於代替灰土層。
關於“糯米”基礎，我國古建築專家劉大可先生在《明、清古建築土作技術（二）》中認為，古建基礎中有灌江米汁（糯米漿）的做法。就是將煮好的糯米汁摻上水和白礬以後，潑灑在打好的灰土上。江米和白礬的用量為：每平方丈（10。24平方米）用江米225克、白礬18。75克。在清代，官方對小夯灰土的做法也有這樣的描述：“第二步須在此步上趁溼打流星拐眼一次，潑江米汁（糯米汁）一層。水先七成為好摻江米汁，再灑水三成，為之催江米汁下行，再上虛，為之第二步土，其打法同前”。
糯米具有很好的黏性，摻入灰土基礎中，可使基礎具有很好的整體性和柔韌性，類似於硬度較高的均勻面糊團。這使得紫禁城古建築的基礎成為一個整體，建築物上部傳來的重量使得基礎產生整體均勻的下沉，幾乎不產生破壞，保證了上部建築的穩定性。即便是地震發生之時，基礎產生整體均勻變形，可延長建築的晃動週期，錯開地震波的峰值，減小基礎及上部建築的破壞，甚至有日本學者將這種柔性人工地基稱之為建築結構地基隔震應用的先例。
對於有淤泥層或地下水的地基層，古人則考慮在填土層之下埋設木樁。木樁可穿透淤泥層，並使得樁尖抵達堅硬的岩石層，木樁之上再為分層夯土。這樣一來，就可以避免基礎的不均勻沉降了。
充滿智慧的排水系統
每年雨季，故宮博物院三大殿前都會上演“千龍吐水”的景象。北京市一般每年6月份開始進入汛期，而位於北京市中心的紫禁城，建成至今600年很少遭受水患。這與紫禁城設計科學的排水系統有關。
紫禁城的地勢北高南低，其中北部的神武門地面比南部的午門地面高約兩米，整體形成約2‰的排水坡度。紫禁城以中軸線建築為核心的宮殿建築群又使得其整體地勢呈中間高、兩邊低的特點，且西南部的地勢又略高於東南部。這樣雨水會由北向南排、由中間向兩邊排，最後由東南出口排出。
自紫禁城建成以來，故宮古建築經受了大大小小至少222次地震的考驗，其中不乏像1679年北京平谷發生的8。0級地震和1976年唐山發生的7。8級大地震。
紫禁城古建築的屋頂均為坡屋頂做法，這使得雨水降落到屋頂後，沿著坡度往下流向地面。而屋頂坡度又具有上部陡、下部緩的特點，使得雨水在屋頂上部迅速下排，而在屋簷位置則朝遠方排出。這種坡度設計，一方面使得屋頂不易積水，另一方面可避免屋簷部位的雨水迴流反滲。為了使屋頂雨水有序往下排，瓦面被做成一道道小溝狀，稱為“瓦壟”。瓦壟由底瓦和蓋瓦組成。其中，底瓦用板瓦鋪墁，上瓦壓下瓦，上下瓦之間用灰泥抹嚴實，其主要用途為形成雨水下排的“水溝”；蓋瓦用筒瓦鋪墁，上瓦與下瓦首尾相接，接縫處用灰泥抹嚴實，每塊蓋瓦的兩端分別扣在相鄰兩塊底瓦之上，其主要用途為形成“水溝”的側壁。位於屋簷處的底瓦做成三角尖狀，稱為“滴子”，其主要作用是讓瓦壟的雨水彙集成一條直線下落。而與之相鄰的蓋瓦則做成圓筒狀，稱為“貓頭”，其主要作用是充分扣壓在滴子端部，防止雨水滲入屋簷內。紫禁城古建築一般坐落在高高的臺基之上。臺基凸立於地面之上，有利於建築本身的穩定及建築防潮。紫禁城前朝三大殿（太和殿、中和殿、保和殿）的臺基做法為我國古建築臺基工藝的最高等級，即採用三層須彌座疊加而成，俗稱“三臺”，總高度達8。13米。由於臺基的核心材料為土，為避免雨水滲入臺基內部造成土體鬆散，臺基排水極其重要。
三大殿三臺的每層臺基的地面都有著3%～5%的坡度，且中間高、四周低，使得臺基地面的雨水能夠迅速彙集到端部。每層臺基的端部都有欄板，每兩塊欄板之間都有望柱（即短柱），望柱底部則伸出類似於龍頭的石質構件。這個石質的“龍頭”稱為排水獸，其外形特徵屬於明代龍生九子之“蚣蝮”。排水獸內部有較大的空間，有利於欄板底部的雨水迅速匯入進水口，猶如產生“吸水”功能，避免了雨水在欄板位置的積存。這種凸出在臺基側壁以外的排水獸做法，可以使得雨水向前、向遠方排出，形成良好的排水效果，且避免了雨水迴流。三大殿的三臺一共有1142個蚣蝮造型，在雨季尤其是暴雨時期，幾乎每個蚣蝮都能夠發揮排水作用，可產生“千龍吐水”的奇觀。
紫禁城的廣場地面排水巧妙地利用地勢坡度進行，以太和殿廣場排水為例來說明。太和殿廣場中軸線方向有2。2米寬的御路，由漢白玉鋪墁而成，且比廣場其他位置地勢要高，使得降落到廣場上的雨水迅速排向東西兩側的明溝中。紫禁城的整體地勢北高南低，使得太和殿廣場東西側明溝中的雨水向南流動，匯入廣場南側的暗溝中。該位置的暗溝呈西高東低走向，因而暗溝中的雨水又匯入廣場東南角更深的涵洞中，涵洞的另一側則是文華殿區域的內金水河。這樣一來，太和殿廣場的地表雨水很快流入地下暗溝，並匯入到內金水河中。
紫禁城有著縱橫交錯的地下排水系統，其分佈特徵為：在北部有一條東西向的暗溝，這條暗溝向南伸出若干分支，接納各宮殿雨水，並將雨水匯入紫禁城南部的內金水河。其中，北部的暗溝位於神武門內以南約50米處，長度幾乎貫穿紫禁城的東西向，上部鋪設石板，且每隔一定距離的石板上有洩水的小孔。該處暗溝分別沿著建福宮、乾隆花園、東側十三排等區域設定南向分支暗溝。對於建福宮區域的暗溝而言，其中的雨水向南經西六宮、內廷後三宮西側、養心殿，再流入武英殿以東的內金水河。對於乾隆花園區域分支的暗溝而言，其中的雨水向南經過東六宮、寧壽宮區域、御茶膳房，再流入文華殿東側的內金水河。對於東側十三排區域的暗溝而言，其中的雨水向南經北十三排、南十三排，再流入清史館區域的內金水河。
紫禁城排水的智慧方法，包含了我國古代工匠無窮的智慧，其中很多措施對現代建築的防汛仍能提供有益的參考。
