高層純木結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計(jì)探索

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摘要：筆者作為上海市科研計(jì)劃項(xiàng)目《傳統(tǒng)樓閣式高層純木結(jié)構(gòu)塔設(shè)計(jì)理論和方法研究》（課題編號(hào)：13231201700-01）的主要研究人員，以上海寶山寺木塔工程作為研究對(duì)象，從該工程的建筑設(shè)計(jì)角度出發(fā)，歸納了設(shè)計(jì)取得的部分成果及存在的問(wèn)題，進(jìn)而為后續(xù)高層木結(jié)構(gòu)塔設(shè)計(jì)，特別是仿唐(宋)時(shí)期的佛塔的建筑設(shè)計(jì)提供理論上的幫助。

關(guān)鍵詞：寶山寺；木塔設(shè)計(jì)榫卯構(gòu)造

1概況

我國(guó)古代木結(jié)構(gòu)建筑是輝煌中華文明的重要組成部分，傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑文化的傳承和發(fā)揚(yáng)以及我國(guó)古代木結(jié)構(gòu)建筑的營(yíng)造工藝的總結(jié)和繼承具有重要的文化社會(huì)意義，作為傳統(tǒng)樓閣式高層純木結(jié)構(gòu)塔更是中國(guó)古代建筑文明的重要載體之一。本文以寶山寺木塔工程作為研究對(duì)象，該工程位于上海市寶山區(qū)羅店老鎮(zhèn)區(qū)宗教文化旅游區(qū)內(nèi),按照中國(guó)盛唐時(shí)期木佛塔的建筑風(fēng)格及結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)建造，建筑面積約1000平米，概算造價(jià)3774.33萬(wàn)元。平面呈正方形，殿身面闊進(jìn)深各三間（圖1），一層設(shè)副階，七重檐，塔高55.3米(含塔剎)，所有木構(gòu)件全部采用榫卯構(gòu)造連接。

2高層純木結(jié)構(gòu)塔設(shè)計(jì)

唐代建筑塔的平面形狀多為方形，原因在于早期塔多由樓閣式木構(gòu)建筑演變而來(lái)，基本為第一層比較高，二層及以上塔身逐漸收縮，塔檐自下而上各部位都有收分，出檐深遠(yuǎn)，外觀優(yōu)美，參見(jiàn)唐朝同時(shí)期日本飛鳥(niǎo)時(shí)代的法隆寺塔。建筑布局有前塔后殿，塔殿并重多種珈藍(lán)布局形式。隋唐以前的佛寺，一般在寺前或宅院中心造塔，隋唐以后，佛殿普遍代替了佛塔，寺廟內(nèi)大都另辟塔院。本項(xiàng)目獨(dú)立設(shè)置塔院，與寺廟中心建筑大雄寶殿呈45度對(duì)角設(shè)立。木塔建筑設(shè)計(jì)平面呈方型，廣深各三間，七層樓閣式木塔，采用非洲花梨木打造，建筑高度室外地坪至塔剎55.3米，一層設(shè)有副階周匝，下設(shè)兩層臺(tái)明，臺(tái)明采用漢白玉砌筑而成。整個(gè)木塔建筑嚴(yán)格遵循《營(yíng)造法式》的用材制度，采用三等材取值設(shè)計(jì)（即營(yíng)造尺尺長(zhǎng)16cm，契厚16cm，契廣為24cm），取殿身三間設(shè)計(jì)中最大值。高層木塔自身建筑設(shè)計(jì)因其較為復(fù)雜的多層平面組織與其豎向尺度構(gòu)成上，都存在著大量比例關(guān)系，故立面構(gòu)成也是材分模數(shù)設(shè)計(jì)的必然結(jié)果。而其最重要也是最嚴(yán)密的比例關(guān)系就是塔身各層高度與面闊的比例關(guān)系，在用材制確認(rèn)后，我們經(jīng)過(guò)反復(fù)研究塔身的營(yíng)造尺度關(guān)系及與塔身實(shí)際受力情況的理論推理上，設(shè)定塔身基準(zhǔn)層面闊與層高的相應(yīng)尺寸。即以中間層第四層為基準(zhǔn)層，其橫向尺度（心間面闊）4200mm，豎向尺度（層高）5250mm（4200mm+1050mm）構(gòu)成基準(zhǔn)核（圖2），那么第四層的基準(zhǔn)層便形成1:1.25的寬高比。在基準(zhǔn)層尺度關(guān)系的構(gòu)成基礎(chǔ)上，建筑上下層心間面闊逐層加減200mm，便形成了各層尺寸構(gòu)成。平立面各層均以第四層為基準(zhǔn)，以其尺度4200mm的1/21（即200mm，以A表示）為變量，遞加減而集成了各層的尺度結(jié)構(gòu)。其心間面闊尺度具體見(jiàn)表1。木塔平面一層副階設(shè)20根檐柱，塔身主體外圈為12根柱，內(nèi)筒4根柱，設(shè)計(jì)定性內(nèi)筒4根柱形成塔身的主體結(jié)構(gòu)框架，4根柱從頂層至底層呈斜線筆直貫通，類(lèi)似于柱子側(cè)角，為提高整體剛度要求4根金柱聯(lián)系不斷開(kāi)，實(shí)際由于取材困難等原因很難滿足該要求，故需要進(jìn)行木柱拼接，并在樓面1米以上高度進(jìn)行拼接。拼接采用營(yíng)造法式中拼合柱與現(xiàn)代工程技術(shù)相結(jié)合的方式進(jìn)行，該舉措有效保證了內(nèi)筒結(jié)構(gòu)的剛度。而拼接完后側(cè)角產(chǎn)生一個(gè)約1.59%的斜率值，與常規(guī)柱側(cè)角1.5%的斜率不謀而合。初始設(shè)計(jì)的內(nèi)筒4根金柱從上到下通天設(shè)置，并未隨外檐柱一起設(shè)立退進(jìn)關(guān)系，造成外檐柱層層退進(jìn)收分同時(shí)外檐柱鋪?zhàn)髁鸿式M件與內(nèi)筒柱子偏心情況。外檐柱每層都退進(jìn)，理應(yīng)內(nèi)筒柱子也需層層退進(jìn)，但是內(nèi)筒柱子是結(jié)構(gòu)根本，不能斷為每層一根，經(jīng)過(guò)研究比較想出柱子側(cè)腳辦法，即設(shè)立斜柱，這也是內(nèi)筒4根金柱側(cè)角設(shè)計(jì)的主要原因。每層金柱之間再通過(guò)兩道主梁連接，上下主梁和之間的斜撐形成內(nèi)筒桁架，金柱與內(nèi)筒桁架形成內(nèi)筒框架體系，即為木塔最基本也是最重要的結(jié)構(gòu)框架。各層結(jié)構(gòu)平面內(nèi)部呈筒狀，柱與塔壁之間設(shè)登臨而用的木樓梯、樓板，外設(shè)有平座及欄桿。建筑形態(tài)呈塔身每層闌額之上設(shè)普柏枋（為增加結(jié)構(gòu)傳力穩(wěn)定性增加普柏枋，使受力更均衡）。上施五鋪?zhàn)鲉舞聠蜗掳海ㄒ粚映猓?，補(bǔ)間用斗子蜀柱。層層檐柱內(nèi)退300，平座用義柱造，欄桿用斗子蜀柱承盆唇尋杖，轉(zhuǎn)角處，橫向構(gòu)件雙向出挑。外側(cè)檐柱上下層不貫通，下層柱頂設(shè)柱頭鋪?zhàn)鳎蠈又嬗跈径分?，通過(guò)斗拱側(cè)向約束與下層柱形成有效連接，即叉柱造；結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)上下層柱之間設(shè)小立柱和轉(zhuǎn)換梁模擬叉柱造，小立柱與上下柱之間采用鉸接連接。檐柱之間、檐柱與金柱之間通過(guò)普拍枋、闌額、外檐主梁相連，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)各構(gòu)件連接均按鉸接設(shè)計(jì)。金柱、檐柱、廊柱在一層位置均浮擱于臺(tái)基之上；為減少水平作用下柱的上拔力的影響，在柱底設(shè)鋼管插入柱內(nèi)，鋼管另一端埋入臺(tái)基內(nèi)；一層金柱、檐柱、廊柱柱底通過(guò)地栿相連，使各柱柱底形成整體，地栿設(shè)于柱礎(chǔ)之上，采用榫卯與柱連接?？紤]到結(jié)構(gòu)受力的完整性，一層設(shè)置副階。平面心間面闊尺寸等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)同二層設(shè)計(jì)數(shù)值，不再逐層加減。另外副階在現(xiàn)存唐代同時(shí)期建筑的日本法隆寺等塔中幾乎不存在，本項(xiàng)目副階設(shè)計(jì)主要出于增強(qiáng)塔的壽命且有立面美觀，“繞塔禮佛”之諸多功用而設(shè)置。塔剎參照敦煌壁畫(huà)中相關(guān)資料設(shè)計(jì)，根據(jù)比例關(guān)系，剎高取值塔身1/3，為13.3米。由基座、覆缽、受花、相輪九重及剎桿、華蓋、寶珠、仰月、水煙、風(fēng)鈴等組成。其中受花、風(fēng)鈴、寶蓋均施以浮雕紋飾圖案，水煙為鏤空飛天圖形，體現(xiàn)唐代佛教藝術(shù)風(fēng)格。

3多方技術(shù)支持

我國(guó)木結(jié)構(gòu)有著悠遠(yuǎn)的歷史，在古代就形成了梁柱連接的木結(jié)構(gòu)體系。到唐代趨于成熟，宋代李明仲所著的《營(yíng)造法式》從建筑、結(jié)構(gòu)到施工，全面系統(tǒng)地反映了我國(guó)古代木結(jié)構(gòu)體系。新中國(guó)成立后相繼出臺(tái)了《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》等規(guī)范，相比較而言對(duì)于木結(jié)構(gòu)研究中的基礎(chǔ)理論部分涉及較少，鑒于目前國(guó)內(nèi)未對(duì)高層木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)有規(guī)范性的指導(dǎo)文件，本項(xiàng)目還對(duì)統(tǒng)樓閣式高層純木結(jié)構(gòu)塔受力性能進(jìn)行研究，主要通過(guò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)縮尺模型試驗(yàn)，木塔縮尺模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)獲取相關(guān)性能參數(shù)，并在試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的前提下，通過(guò)精細(xì)化模型分析，進(jìn)一步研究高層純木結(jié)構(gòu)塔的結(jié)構(gòu)性能和抗震，抗風(fēng)能力，為評(píng)價(jià)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案提供理論依據(jù)。此外還運(yùn)用BIM技術(shù)，通過(guò)技術(shù)建模，施工組織設(shè)計(jì)模擬和工程管理檔案庫(kù)的建立，為業(yè)主提供全方位各視角的精準(zhǔn)效果圖展示，也為設(shè)計(jì)方和施工方在塔身構(gòu)造設(shè)計(jì)過(guò)程中的節(jié)點(diǎn)合理性探討提供了可視化呈現(xiàn)，更是在設(shè)計(jì)過(guò)程中為設(shè)計(jì)方提供了諸多優(yōu)化點(diǎn)，包括解決樓梯局部梁下凈高過(guò)低，塔身一層內(nèi)筒藻井由于半球形狀及轉(zhuǎn)角斗栱繪制的復(fù)雜性，斗栱榫卯交接關(guān)系等問(wèn)題。本項(xiàng)目在建造過(guò)程中就需要監(jiān)測(cè)建筑，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)核對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果并對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行復(fù)核，在檢驗(yàn)設(shè)計(jì)成果可靠性的同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

4結(jié)束語(yǔ)

上海寶山寺木塔工程項(xiàng)目有幾點(diǎn)重要啟示和感悟。第一，對(duì)于高層仿古建筑設(shè)計(jì)，在根植文脈的基礎(chǔ)上，充分結(jié)合古法工藝，運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)分析論證項(xiàng)目的可實(shí)施性，高層木結(jié)構(gòu)尚無(wú)規(guī)范設(shè)計(jì)可依循，需對(duì)建筑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，還應(yīng)及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行復(fù)核優(yōu)化。第二，為確保工程高質(zhì)量，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)與各方緊密配合，從調(diào)研分析到基礎(chǔ)設(shè)計(jì)到模型試驗(yàn)到現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)，全方面參與跟蹤并及時(shí)修正。第三，打造精品工程需要設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)做事一絲不茍，不輕易下結(jié)論，反復(fù)推敲，這往往決定工程的最終品質(zhì)，需要設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)保持縝密心思和耐性做設(shè)計(jì)，有精益求精的匠心精神。

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作者:黃瀛丹