高层纯木结构的建筑设计探索

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摘要：笔者作为上海市科研计划项目《传统楼阁式高层纯木结构塔设计理论和方法研究》（课题编号：13231201700-01）的主要研究人员，以上海宝山寺木塔工程作为研究对象，从该工程的建筑设计角度出发，归纳了设计取得的部分成果及存在的问题，进而为后续高层木结构塔设计，特别是仿唐(宋)时期的佛塔的建筑设计提供理论上的帮助。

关键词：宝山寺；木塔设计榫卯构造

1概况

我国古代木结构建筑是辉煌中华文明的重要组成部分，传统木结构建筑文化的传承和发扬以及我国古代木结构建筑的营造工艺的总结和继承具有重要的文化社会意义，作为传统楼阁式高层纯木结构塔更是中国古代建筑文明的重要载体之一。本文以宝山寺木塔工程作为研究对象，该工程位于上海市宝山区罗店老镇区宗教文化旅游区内,按照中国盛唐时期木佛塔的建筑风格及结构形式设计建造，建筑面积约1000平米，概算造价3774.33万元。平面呈正方形，殿身面阔进深各三间（图1），一层设副阶，七重檐，塔高55.3米(含塔刹)，所有木构件全部采用榫卯构造连接。

2高层纯木结构塔设计

唐代建筑塔的平面形状多为方形，原因在于早期塔多由楼阁式木构建筑演变而来，基本为第一层比较高，二层及以上塔身逐渐收缩，塔檐自下而上各部位都有收分，出檐深远，外观优美，参见唐朝同时期日本飞鸟时代的法隆寺塔。建筑布局有前塔后殿，塔殿并重多种珈蓝布局形式。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，寺庙内大都另辟塔院。本项目独立设置塔院，与寺庙中心建筑大雄宝殿呈45度对角设立。木塔建筑设计平面呈方型，广深各三间，七层楼阁式木塔，采用非洲花梨木打造，建筑高度室外地坪至塔刹55.3米，一层设有副阶周匝，下设两层台明，台明采用汉白玉砌筑而成。整个木塔建筑严格遵循《营造法式》的用材制度，采用三等材取值设计（即营造尺尺长16cm，契厚16cm，契广为24cm），取殿身三间设计中最大值。高层木塔自身建筑设计因其较为复杂的多层平面组织与其竖向尺度构成上，都存在着大量比例关系，故立面构成也是材分模数设计的必然结果。而其最重要也是最严密的比例关系就是塔身各层高度与面阔的比例关系，在用材制确认后，我们经过反复研究塔身的营造尺度关系及与塔身实际受力情况的理论推理上，设定塔身基准层面阔与层高的相应尺寸。即以中间层第四层为基准层，其横向尺度（心间面阔）4200mm，竖向尺度（层高）5250mm（4200mm+1050mm）构成基准核（图2），那么第四层的基准层便形成1:1.25的宽高比。在基准层尺度关系的构成基础上，建筑上下层心间面阔逐层加减200mm，便形成了各层尺寸构成。平立面各层均以第四层为基准，以其尺度4200mm的1/21（即200mm，以A表示）为变量，递加减而集成了各层的尺度结构。其心间面阔尺度具体见表1。木塔平面一层副阶设20根檐柱，塔身主体外圈为12根柱，内筒4根柱，设计定性内筒4根柱形成塔身的主体结构框架，4根柱从顶层至底层呈斜线笔直贯通，类似于柱子侧角，为提高整体刚度要求4根金柱联系不断开，实际由于取材困难等原因很难满足该要求，故需要进行木柱拼接，并在楼面1米以上高度进行拼接。拼接采用营造法式中拼合柱与现代工程技术相结合的方式进行，该举措有效保证了内筒结构的刚度。而拼接完后侧角产生一个约1.59%的斜率值，与常规柱侧角1.5%的斜率不谋而合。初始设计的内筒4根金柱从上到下通天设置，并未随外檐柱一起设立退进关系，造成外檐柱层层退进收分同时外檐柱铺作梁枋组件与内筒柱子偏心情况。外檐柱每层都退进，理应内筒柱子也需层层退进，但是内筒柱子是结构根本，不能断为每层一根，经过研究比较想出柱子侧脚办法，即设立斜柱，这也是内筒4根金柱侧角设计的主要原因。每层金柱之间再通过两道主梁连接，上下主梁和之间的斜撑形成内筒桁架，金柱与内筒桁架形成内筒框架体系，即为木塔最基本也是最重要的结构框架。各层结构平面内部呈筒状，柱与塔壁之间设登临而用的木楼梯、楼板，外设有平座及栏杆。建筑形态呈塔身每层阑额之上设普柏枋（为增加结构传力稳定性增加普柏枋，使受力更均衡）。上施五铺作单杪单下昂（一层除外），补间用斗子蜀柱。层层檐柱内退300，平座用义柱造，栏杆用斗子蜀柱承盆唇寻杖，转角处，横向构件双向出挑。外侧檐柱上下层不贯通，下层柱顶设柱头铺作，上层柱根叉于栌斗之上，通过斗拱侧向约束与下层柱形成有效连接，即叉柱造；结构计算时上下层柱之间设小立柱和转换梁模拟叉柱造，小立柱与上下柱之间采用铰接连接。檐柱之间、檐柱与金柱之间通过普拍枋、阑额、外檐主梁相连，结构计算时各构件连接均按铰接设计。金柱、檐柱、廊柱在一层位置均浮搁于台基之上；为减少水平作用下柱的上拔力的影响，在柱底设钢管插入柱内，钢管另一端埋入台基内；一层金柱、檐柱、廊柱柱底通过地栿相连，使各柱柱底形成整体，地栿设于柱础之上，采用榫卯与柱连接。考虑到结构受力的完整性，一层设置副阶。平面心间面阔尺寸等设计数据同二层设计数值，不再逐层加减。另外副阶在现存唐代同时期建筑的日本法隆寺等塔中几乎不存在，本项目副阶设计主要出于增强塔的寿命且有立面美观，“绕塔礼佛”之诸多功用而设置。塔刹参照敦煌壁画中相关资料设计，根据比例关系，刹高取值塔身1/3，为13.3米。由基座、覆钵、受花、相轮九重及刹杆、华盖、宝珠、仰月、水烟、风铃等组成。其中受花、风铃、宝盖均施以浮雕纹饰图案，水烟为镂空飞天图形，体现唐代佛教艺术风格。

3多方技术支持

我国木结构有着悠远的历史，在古代就形成了梁柱连接的木结构体系。到唐代趋于成熟，宋代李明仲所著的《营造法式》从建筑、结构到施工，全面系统地反映了我国古代木结构体系。新中国成立后相继出台了《木结构设计规范》等规范，相比较而言对于木结构研究中的基础理论部分涉及较少，鉴于目前国内未对高层木结构建筑设计有规范性的指导文件，本项目还对统楼阁式高层纯木结构塔受力性能进行研究，主要通过关键节点缩尺模型试验，木塔缩尺模型振动台试验获取相关性能参数，并在试验数据验证的前提下，通过精细化模型分析，进一步研究高层纯木结构塔的结构性能和抗震，抗风能力，为评价和优化结构设计方案提供理论依据。此外还运用BIM技术，通过技术建模，施工组织设计模拟和工程管理档案库的建立，为业主提供全方位各视角的精准效果图展示，也为设计方和施工方在塔身构造设计过程中的节点合理性探讨提供了可视化呈现，更是在设计过程中为设计方提供了诸多优化点，包括解决楼梯局部梁下净高过低，塔身一层内筒藻井由于半球形状及转角斗栱绘制的复杂性，斗栱榫卯交接关系等问题。本项目在建造过程中就需要监测建筑，并将监测结果反馈设计，设计核对监测结果并对设计成果进行复核，在检验设计成果可靠性的同时进行设计优化。

4结束语

上海宝山寺木塔工程项目有几点重要启示和感悟。第一，对于高层仿古建筑设计，在根植文脉的基础上，充分结合古法工艺，运用现代技术分析论证项目的可实施性，高层木结构尚无规范设计可依循，需对建筑进行实验分析，还应及时对监测成果进行复核优化。第二，为确保工程高质量，设计团队应与各方紧密配合，从调研分析到基础设计到模型试验到现场施工监测，全方面参与跟踪并及时修正。第三，打造精品工程需要设计团队做事一丝不苟，不轻易下结论，反复推敲，这往往决定工程的最终品质，需要设计团队保持缜密心思和耐性做设计，有精益求精的匠心精神。

参考文献：

[1]李诫编,营造法式[M].中国书店版.

[2]梁思成.梁思成全集[第三卷][第七卷][M].中国建筑工业出版社.

[3]张十庆.中日古代建筑大木技术的源流与变迁[M].天津大学出版社.

作者:黄瀛丹