高層純木結構的建筑設計探索

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摘要：筆者作為上海市科研計劃項目《傳統樓閣式高層純木結構塔設計理論和方法研究》（課題編號：13231201700-01）的主要研究人員，以上海寶山寺木塔工程作為研究對象，從該工程的建筑設計角度出發，歸納了設計取得的部分成果及存在的問題，進而為后續高層木結構塔設計，特別是仿唐(宋)時期的佛塔的建筑設計提供理論上的幫助。

關鍵詞：寶山寺；木塔設計榫卯構造

1概況

我國古代木結構建筑是輝煌中華文明的重要組成部分，傳統木結構建筑文化的傳承和發揚以及我國古代木結構建筑的營造工藝的總結和繼承具有重要的文化社會意義，作為傳統樓閣式高層純木結構塔更是中國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象，該工程位于上海市寶山區羅店老鎮區宗教文化旅游區內,按照中國盛唐時期木佛塔的建筑風格及結構形式設計建造，建筑面積約1000平米，概算造價3774.33萬元。平面呈正方形，殿身面闊進深各三間（圖1），一層設副階，七重檐，塔高55.3米(含塔剎)，所有木構件全部采用榫卯構造連接。

2高層純木結構塔設計

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建筑演變而來，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，外觀優美，參見唐朝同時期日本飛鳥時代的法隆寺塔。建筑布局有前塔后殿，塔殿并重多種珈藍布局形式。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，寺廟內大都另辟塔院。本項目獨立設置塔院，與寺廟中心建筑大雄寶殿呈45度對角設立。木塔建筑設計平面呈方型，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，一層設有副階周匝，下設兩層臺明，臺明采用漢白玉砌筑而成。整個木塔建筑嚴格遵循《營造法式》的用材制度，采用三等材取值設計（即營造尺尺長16cm，契厚16cm，契廣為24cm），取殿身三間設計中最大值。高層木塔自身建筑設計因其較為復雜的多層平面組織與其豎向尺度構成上，都存在著大量比例關系，故立面構成也是材分模數設計的必然結果。而其最重要也是最嚴密的比例關系就是塔身各層高度與面闊的比例關系，在用材制確認后，我們經過反復研究塔身的營造尺度關系及與塔身實際受力情況的理論推理上，設定塔身基準層面闊與層高的相應尺寸。即以中間層第四層為基準層，其橫向尺度（心間面闊）4200mm，豎向尺度（層高）5250mm（4200mm+1050mm）構成基準核（圖2），那么第四層的基準層便形成1:1.25的寬高比。在基準層尺度關系的構成基礎上，建筑上下層心間面闊逐層加減200mm，便形成了各層尺寸構成。平立面各層均以第四層為基準，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構。其心間面闊尺度具體見表1。木塔平面一層副階設20根檐柱，塔身主體外圈為12根柱，內筒4根柱，設計定性內筒4根柱形成塔身的主體結構框架，4根柱從頂層至底層呈斜線筆直貫通，類似于柱子側角，為提高整體剛度要求4根金柱聯系不斷開，實際由于取材困難等原因很難滿足該要求，故需要進行木柱拼接，并在樓面1米以上高度進行拼接。拼接采用營造法式中拼合柱與現代工程技術相結合的方式進行，該舉措有效保證了內筒結構的剛度。而拼接完后側角產生一個約1.59%的斜率值，與常規柱側角1.5%的斜率不謀而合。初始設計的內筒4根金柱從上到下通天設置，并未隨外檐柱一起設立退進關系，造成外檐柱層層退進收分同時外檐柱鋪作梁枋組件與內筒柱子偏心情況。外檐柱每層都退進，理應內筒柱子也需層層退進，但是內筒柱子是結構根本，不能斷為每層一根，經過研究比較想出柱子側腳辦法，即設立斜柱，這也是內筒4根金柱側角設計的主要原因。每層金柱之間再通過兩道主梁連接，上下主梁和之間的斜撐形成內筒桁架，金柱與內筒桁架形成內筒框架體系，即為木塔最基本也是最重要的結構框架。各層結構平面內部呈筒狀，柱與塔壁之間設登臨而用的木樓梯、樓板，外設有平座及欄桿。建筑形態呈塔身每層闌額之上設普柏枋（為增加結構傳力穩定性增加普柏枋，使受力更均衡）。上施五鋪作單杪單下昂（一層除外），補間用斗子蜀柱。層層檐柱內退300，平座用義柱造，欄桿用斗子蜀柱承盆唇尋杖，轉角處，橫向構件雙向出挑。外側檐柱上下層不貫通，下層柱頂設柱頭鋪作，上層柱根叉于櫨斗之上，通過斗拱側向約束與下層柱形成有效連接，即叉柱造；結構計算時上下層柱之間設小立柱和轉換梁模擬叉柱造，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普拍枋、闌額、外檐主梁相連，結構計算時各構件連接均按鉸接設計。金柱、檐柱、廊柱在一層位置均浮擱于臺基之上；為減少水平作用下柱的上拔力的影響，在柱底設鋼管插入柱內，鋼管另一端埋入臺基內；一層金柱、檐柱、廊柱柱底通過地栿相連，使各柱柱底形成整體，地栿設于柱礎之上，采用榫卯與柱連接。考慮到結構受力的完整性，一層設置副階。平面心間面闊尺寸等設計數據同二層設計數值，不再逐層加減。另外副階在現存唐代同時期建筑的日本法隆寺等塔中幾乎不存在，本項目副階設計主要出于增強塔的壽命且有立面美觀，“繞塔禮佛”之諸多功用而設置。塔剎參照敦煌壁畫中相關資料設計，根據比例關系，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、風鈴等組成。其中受花、風鈴、寶蓋均施以浮雕紋飾圖案，水煙為鏤空飛天圖形，體現唐代佛教藝術風格。

3多方技術支持

我國木結構有著悠遠的歷史，在古代就形成了梁柱連接的木結構體系。到唐代趨于成熟，宋代李明仲所著的《營造法式》從建筑、結構到施工，全面系統地反映了我國古代木結構體系。新中國成立后相繼出臺了《木結構設計規范》等規范，相比較而言對于木結構研究中的基礎理論部分涉及較少，鑒于目前國內未對高層木結構建筑設計有規范性的指導文件，本項目還對統樓閣式高層純木結構塔受力性能進行研究，主要通過關鍵節點縮尺模型試驗，木塔縮尺模型振動臺試驗獲取相關性能參數，并在試驗數據驗證的前提下，通過精細化模型分析，進一步研究高層純木結構塔的結構性能和抗震，抗風能力，為評價和優化結構設計方案提供理論依據。此外還運用BIM技術，通過技術建模，施工組織設計模擬和工程管理檔案庫的建立，為業主提供全方位各視角的精準效果圖展示，也為設計方和施工方在塔身構造設計過程中的節點合理性探討提供了可視化呈現，更是在設計過程中為設計方提供了諸多優化點，包括解決樓梯局部梁下凈高過低，塔身一層內筒藻井由于半球形狀及轉角斗栱繪制的復雜性，斗栱榫卯交接關系等問題。本項目在建造過程中就需要監測建筑，并將監測結果反饋設計，設計核對監測結果并對設計成果進行復核，在檢驗設計成果可靠性的同時進行設計優化。

4結束語

上海寶山寺木塔工程項目有幾點重要啟示和感悟。第一，對于高層仿古建筑設計，在根植文脈的基礎上，充分結合古法工藝，運用現代技術分析論證項目的可實施性，高層木結構尚無規范設計可依循，需對建筑進行實驗分析，還應及時對監測成果進行復核優化。第二，為確保工程高質量，設計團隊應與各方緊密配合，從調研分析到基礎設計到模型試驗到現場施工監測，全方面參與跟蹤并及時修正。第三，打造精品工程需要設計團隊做事一絲不茍，不輕易下結論，反復推敲，這往往決定工程的最終品質，需要設計團隊保持縝密心思和耐性做設計，有精益求精的匠心精神。

參考文獻：

[1]李誡編,營造法式[M].中國書店版.

[2]梁思成.梁思成全集[第三卷][第七卷][M].中國建筑工業出版社.

[3]張十慶.中日古代建筑大木技術的源流與變遷[M].天津大學出版社.

作者:黃瀛丹