北京日报记者 路艳霞 崔家宁
“这是我国首次对故宫中和殿斗拱进行抗震试验！”日前，在北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室内，故宫博物院古建专家周乾郑重宣布了这一消息。
20余年来，周乾一直坚持给故宫古建做“体检”，其新书《坐在故宫屋檐下：图解紫禁城五十问》也于近期出版，以严谨科学的态度、通俗生动的笔墨把故宫故事讲给万千大众。
周乾在模拟斗拱抗震试验现场。北京日报记者 崔家宁摄
近3小时试验验证古建智慧
故宫中和殿曾名华盖殿、中极殿，位于太和殿与保和殿之间，是故宫外朝三大殿之一，距今已有606年历史。
设计这场抗震试验的周乾在现场向记者科普：“斗拱位于柱顶之上、屋檐之下，由方形的‘斗’、与长度方向平行的‘拱’、与宽度方向平行的‘翘’一层层叠加，就像一个个倒立的三角形。”他说，参与本次试验的斗拱模型，是按中和殿真实斗拱1:2的比例缩小制作的。
竖向受压性能试验首先开启，按照周乾的解释，竖向力就是指屋顶往下传的力。为便于施加竖向压力，斗拱模型倒置。记者在现场看到，时间一分一秒过去，当压力逐渐加大至6.4吨时，斗拱模型几乎纹丝不动。对此，周乾解释说：“我们在对古建筑的斗拱进行保护、维修时，会发现它最下面的坐斗以及与坐斗相连的部分，容易产生破坏。从这次试验可以看出，中国古代工匠独具匠心，他们会把坐斗做得很大，因为坐斗受的力非常大，而其他细小的构件，如三才升、十八斗等受的力就小了很多。”他说，斗拱的这些构件因为分担的压力小，所以一般不会产生破坏。
接下来，中和殿斗拱水平低周反复加载试验开始了。据周乾介绍，所谓“水平低周反复加载”，就是模拟水平方向的地震力，且一步步将模拟地震力增大，极为缓慢地往复推拉斗拱，直至斗拱破坏。“我们需要通过采集数据获得斗拱的抗震曲线，从曲线形状判断斗拱在破坏前的抗震性能。”周乾说，该过程犹如对逐步增大的地震力进行“超慢放”，以便揭示斗拱在被破坏前抗震的每个细节。
试验初始几乎看不到斗拱发生任何变化，但随着加载过程的延续，斗拱周边开始不时发出轻微的“噼啪”声，而地震力更大的时候，会听到清脆的“嘭”的声音，整个试验迎来了高潮阶段。此时，周乾不失时机地科普道，中国古代建筑以木材为核心材料，采用榫卯连接。斗拱的上下构件之间，主要通过暗销连接。因此，这“噼啪”声恰恰说明构件之间已经开始产生挤压、摩擦，而“嘭”的一声，说明暗销已经断裂，但这时会看到，构件依然完好无损。
随着模拟地震力进一步增大，此时斗拱的三才升（即一种小尺寸构件）侧板被挤压断裂，这标志着斗拱进入破坏阶段，试验宣告结束。周乾说：“暗销是斗拱上下构件之间的连接件，为一个圆柱状的小木棍。地震力很小时，暗销保证了斗拱上下构件之间的整体性，此时斗拱整体摇晃，抗震性能尚未明显发挥。地震力增大到一定程度后，暗销被剪断，此时斗拱的上下层构件之间开始工作了。”周乾说，它们通过彼此间的相对摩擦滑移，在地震力作用下不断往返运动，期间耗散了大量地震能量。当地震力结束后，上下层构件又恢复到原位置。“因此，可以说暗销是斗拱水平抗震的‘开关’，一旦剪断，斗拱就开始发挥抗震功能。”
历时近3个小时的试验结束了。结果显示：中和殿斗拱在屋顶传来的竖向压力下，具有优秀的承重性能；在水平地震作用下，具有优秀的自复位能力和抗震能力，不容易产生破坏。
为39座故宫古建完成安全评估
10年前，一座缩小版故宫木构建筑模型，就曾在此地进行过一场模拟地震测试。
周乾回忆，当年一位英国记者通过网上设法找到他的联系方式，给他打来电话。原来，英国一家电视台拍了一部对世界各国文化遗产抗震性能进行试验的纪录片，对方希望来中国见证中国古建筑抗震性能。
英国拍摄团队以及英方专家进驻试验室，从2016年5月一直持续到当年10月。结果，故宫古建筑抗震试验震惊了世界：当试验输入的地震烈度达到10.1度时，模型的墙体虽然倒塌，但木构骨架——包括斗拱、榫卯、浮放柱础体系——犹如不倒翁一样，不断摇摆并复位，没有任何木构件被破坏。周乾说，这正是古谚所云“墙倒屋不塌”的生动写照，也印证了斗拱与榫卯结构卓越的隔震耗能特性。
周乾说，一次次的科学研究和试验，让他愈加深刻地认识到：中国古代工匠拥有卓越的建筑智慧。
周乾于2003年进入故宫博物院工作，他的任务是为古建筑做“力学体检”——从现代结构力学的角度分析建筑的安全状况。入职不久，他便赶上了太和殿百年大修项目。此后，从角楼、神武门、英华殿，到慈宁花园临溪亭、乾隆花园建筑群、咸福宫建筑群，周乾与同事们先后为39座故宫古建筑完成了力学安全评估。
他的故宫专著入选高考试卷
2002年11月，一场招聘会让当时在北京工业大学就读的硕士生周乾，与故宫结缘——他的简历意外掉进人事处办公桌夹缝，直到招聘几乎快结束了，工作人员扫地时才被发现，并通知他面试。这份“扫出来的幸运”，让他得以踏入故宫，成为古建部的一员。
现在的周乾，作为故宫学研究院的研究人员，潜心从事故宫学学术研究。“刚进故宫的时候，我很无知，以为自己是工学背景，在学校里学的知识足够了，什么都懂。”周乾在接受采访时笑称，“实际上，当我真正接触古建筑，在工程实践和学术研究中，逐渐感悟、学习其中蕴含的古代工匠建筑智慧、博大精深的文化内涵时，越来越发现自己如此渺小。”
2024年高考的全国甲卷语文试题中，有一道阅读题，这道题选自周乾的专著《故宫建筑细探》，内容是关于故宫古建筑中一种科学实用的修缮加固方法——“偷梁换柱”，以及对其中科学意义的解读。“高考题出来后，很多朋友给我发消息，说孩子考完试专门去买了我的书，想了解更多故宫古建的知识。我特别开心，这就是科普的意义。”
周乾说，古人的营造智慧，不是锁在学术论文里的公式，也不是藏在深宫里的秘密，它应该被更多年轻人知道、理解、传承。
人物小传
周乾，故宫博物院古建专家，毕业于北京工业大学，2003年进入故宫博物院工作，为古建筑做“力学体检”。
20多年过去，周乾留下了沉甸甸的成绩：曾获国家科学技术进步奖一等奖，发表学术论文、文章200余篇，出版著作26种。
抗震机理
“以柔克刚”的太极功夫
“中国古代建筑的智慧不是‘硬扛’，而是通过运动来耗散地震能量。”周乾说，斗拱抵抗外力的机制，正是通过构件之间的摩擦滑移—复位、挤压变形—复位，将地震输入的能量逐步消耗掉。
“中国的古代建筑抗震机理类似于太极功夫，有着四两拨千斤的奇妙。”周乾说，中和殿斗拱的抗震试验，再次验证了“以柔克刚”的中国古建智慧。
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