位于北京市中心的紫禁城（今故宮博物院）始建于1420年，為永樂(lè)帝朱棣令工匠在拆除元代皇宮的基礎(chǔ)上肇建。近600年來(lái)，紫禁城古建筑歷經(jīng)各種自然災(zāi)害而保存無(wú)恙，不僅與建筑本身科學(xué)合理的構(gòu)造密切相關(guān)，其建筑地基亦為古建筑穩(wěn)固的重要保障。從分層構(gòu)造角度講，紫禁城古建筑地基可分為下、中、上3個(gè)部分。

　　紫禁城古建筑地基的下部做法一般為一層碎磚、一層灰土的交替使用，總厚度在1.2米至3.1米之間，有專家戲稱該地基做法為“千層餅”。這種地基不是天然的，是古代工匠在元代地基的基礎(chǔ)上夯實(shí)鋪墁而成的，因而屬于人工處理地基。紫禁城古建筑“千層餅”的地基構(gòu)造科學(xué)而又合理。

　　從材料角度講，灰土由生石灰與黃土按3∶7的比例混合而成，由于生石灰具有吸水后強(qiáng)度增大的優(yōu)點(diǎn)，因而灰土基礎(chǔ)不僅強(qiáng)度較高，而且具有一定的防潮性能。紫禁城古建筑的灰土層地基中還摻有“糯米汁”，即用糯米熬成的汁灑在灰土里。其優(yōu)點(diǎn)在于：糯米具有很好的黏性，可以將灰土牢牢地黏固在一起，形成一個(gè)整體，猶如一個(gè)面糊團(tuán)團(tuán)，不會(huì)因?yàn)榇箫L(fēng)、大震而松散。

　　從構(gòu)造上講，灰土層與碎磚層的交替使用也有利于建筑本身的穩(wěn)固。如果全部用灰土層地基，那么由于灰土的韌性較大，盡管上部建筑產(chǎn)生均勻下沉，但是其下沉量偏大；如果全部采用碎磚層地基，那么盡管碎磚的硬度比灰土要大，但由于碎磚的顆粒直徑比灰土大，在夯實(shí)過(guò)程中彼此之間會(huì)有空隙，因而會(huì)造成基礎(chǔ)密實(shí)度偏弱。采取一層碎磚一層灰土的交替夯實(shí)方法，既有利于建筑的均勻下沉，又能避免建筑本身下沉量過(guò)大，還能保持地基本身的密實(shí)度。

　　紫禁城古建筑“千層餅”地基之上，是磉礅層，為紫禁城古建筑地基的中間部分，其主要作用是支撐柱頂石傳來(lái)的建筑重量。所謂“磉墩”，即柱頂石下方的獨(dú)立地基，多為磚砌。

　　磉墩與“千層餅”地基做法不同，它不是滿鋪在地基土之上，而是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的立方體磚墩，磚墩的平面尺寸為1米至2米見(jiàn)方，厚度一般不少于1米。磉墩材料并非是灰土與碎磚，而是整塊磚，其硬度大、承載力好，因而有利于承受柱頂石傳來(lái)的上部集中作用力，并將該作用力向下部的“千層餅”地基擴(kuò)散，符合土力學(xué)傳力原理。

　　磉墩地基的做法與紫禁城古建筑的構(gòu)造特征密切相關(guān)，其主要原因在于紫禁城古建筑是行列有序的立柱來(lái)支撐上部構(gòu)架及屋頂重量，并將該重量傳給柱頂石。由于立柱是分散的，因而對(duì)應(yīng)每根立柱下方，都有一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的地基層，且地基層材料硬實(shí)，受到較大作用力（即屋頂傳來(lái)的重量）而不會(huì)產(chǎn)生破壞，磚砌磉墩就起到這個(gè)作用。

　　紫禁城古建筑地基的最上面一層就是柱頂石。柱頂石位于磉墩之上，其上部表面平整，主要用于支撐立柱。立柱柱根不落入地下，而是浮擱在表面平整的柱頂石上。這種“平擺浮擱”的露明安裝方式是科學(xué)而又合理的。

　　首先，木柱柱根不插入地底下，有利于避免地底下空氣不流通導(dǎo)致的柱根糟朽問(wèn)題；其次，柱根浮放在柱頂石上，不會(huì)傳遞彎矩作用力，避免地震等外力造成的柱根折斷問(wèn)題；再次，在發(fā)生地震等自然災(zāi)害時(shí)，柱根可在柱頂石表面做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，巧妙地將部分地震能量轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，減少了自身地內(nèi)能（即內(nèi)力破壞），產(chǎn)生了“四兩撥千斤”的效果。

　　另外，網(wǎng)上盛傳太和殿廣場(chǎng)的地基為“橫七豎八”15層厚地磚（每層地磚厚約為0.12米，15層地磚總厚度約為1.8米），其主要目的是為了防止刺客挖通向太和殿的地道。上述觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。太和殿是明清帝王舉行登基、大婚、冊(cè)立皇后、命將出征等重要禮儀活動(dòng)的場(chǎng)所，平時(shí)基本不開(kāi)。明代皇帝平時(shí)在太和門上朝，清代皇帝在乾清門上朝。對(duì)于刺客而言，挖一個(gè)通向太和殿的地道幾乎沒(méi)有任何意義，因?yàn)榛实燮綍r(shí)根本就不在太和殿里。不僅如此，明清時(shí)期的紫禁城戒備森嚴(yán)，任何風(fēng)吹草動(dòng)都會(huì)引起侍衛(wèi)們的高度警惕，更何況是“挖地道”了。

　　1977年故宮中和殿安裝避雷針時(shí)，工程技術(shù)人員通過(guò)鉆探和地質(zhì)勘查方式，獲得了太和殿、中和殿、保和殿地面至地下16米深處的地基分層做法。易知太和殿地面以下有3層磚，厚0.4米；往下為厚度約為1.0米的石頭層；往下再為總厚度約為4米的碎磚與灰土的交替層，也就是前面所說(shuō)的“千層餅”層；再往下就是厚度約為6米的碎卵石與碎磚的交替層；再往下就是木柱和填土的交替層，深度約為5.6米。柏木樁的主要目的就是將樁尖穿透淤泥層，抵達(dá)堅(jiān)硬的巖石層上。

　　太和殿地基究竟有多深，目前尚未知。由于太和殿具有上述復(fù)雜的地基構(gòu)造，刺客要想通過(guò)太和殿廣場(chǎng)的地下通道再挖到太和殿地面來(lái)，幾乎是不可能的。因此，太和殿廣場(chǎng)地面沒(méi)有必要通過(guò)“橫七豎八”的磚層來(lái)防止刺客挖地道。

　　紫禁城古建筑的地基設(shè)計(jì)的巧妙而又合理，不僅穩(wěn)固可靠，而且均勻、穩(wěn)固，這使得近600年里的時(shí)間里，紫禁城古建筑能夠始終保持穩(wěn)固。這不僅體現(xiàn)了古代工匠的智慧，而且其中蘊(yùn)含的科學(xué)機(jī)制仍值得現(xiàn)代工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)和參考。

　?。ㄗ髡呦倒蕦m博物院研究館員）

關(guān)注【深圳科普】微信公眾號(hào)，在對(duì)話框：
回復(fù)【最新活動(dòng)】，了解近期科普活動(dòng)
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動(dòng)
回復(fù)【研學(xué)營(yíng)】，了解最新科普研學(xué)營(yíng)
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書(shū)籍】，了解最新科普書(shū)籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動(dòng)
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【科學(xué)防控】，學(xué)習(xí)疫情相關(guān)科普知識(shí)
?