劉妍：看不見的構(gòu)架

我們對(duì)西方的教堂都比較熟悉，在教堂里抬頭能看到的是穹頂，而今天要討論的結(jié)構(gòu)一般是很難有機(jī)會(huì)看到——就是藏在這層穹頂之上的木屋架，所以我們這期講座的題目叫“看不見的構(gòu)架”。（見圖1）

圖1

不只是我們中國，歐洲同樣有非常久遠(yuǎn)的木構(gòu)建筑歷史，歐洲德語區(qū)出土的榫卯最早在七千年前。不僅如此，歐洲學(xué)界早在十九世紀(jì)末期就開始了對(duì)木構(gòu)建筑的研究，出版了一批研究建筑木構(gòu)的著作，包括有：《木構(gòu)藝術(shù)》（1880年出版）、《屋頂結(jié)構(gòu)發(fā)展史》（1908年出版）、《中世紀(jì)到18世紀(jì)德語區(qū)教堂屋頂結(jié)構(gòu)》（1991年出版）和《bamberg屋頂八百年》（2004年出版）。其中，《中世紀(jì)到18世紀(jì)德語區(qū)教堂屋頂結(jié)構(gòu)》是到現(xiàn)在為止集大成的一部著作，我們接下來對(duì)屋頂發(fā)展歷史的梳理，也是來自這本書。

在研究手段上，歐洲的樹木年輪技術(shù)比較成熟，只要還有留存的建筑，重要的屋頂結(jié)構(gòu)，他們都會(huì)做樹輪測(cè)定，得到一個(gè)非常精確的紀(jì)年，對(duì)其形式和發(fā)展做一個(gè)很精確的歷史梳理。對(duì)此我覺得中國的學(xué)者還是很艷羨的，因?yàn)槲覀兊浆F(xiàn)在還沒有一個(gè)很精確的斷年的方法。

在研究范疇上，歐洲的木結(jié)構(gòu)研究主要在兩個(gè)方面：一個(gè)是框架房屋（Fachwerk），類似于我們南方的穿斗民居，另一個(gè)是屋頂（Dachwerk），今天我們要講的就是屋頂這方面的內(nèi)容。

在討論具體的屋頂發(fā)展之前，我們先談?wù)勱P(guān)于木構(gòu)屋頂?shù)幕靖拍睢?/p>

常見的木構(gòu)屋頂有兩種最基本形式： 檁屋頂和弦屋頂。檁屋頂?shù)闹饕慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)件是檁條，支承在下面的柱架上。檁條上面的椽子是相對(duì)自由的，可以釘也可以懸掛在檁條上。從屋頂結(jié)構(gòu)的發(fā)展來看，檁屋頂是一種相對(duì)原始先期的屋頂，包括我們中國古代的抬梁和穿斗屋頂、希臘神殿的屋頂，都屬于檁屋頂；（見圖2）

圖2

弦屋頂就是我們常說的三角屋頂，其最主要的持力構(gòu)件是上弦（三角形的兩條短邊），兩根上弦被下面的梁拉結(jié)在一起。從結(jié)構(gòu)上講，弦屋頂可以看作是拱結(jié)構(gòu)，兩根上弦形成八字拱，拱結(jié)構(gòu)是有側(cè)推力的，下面一定要有弦的聯(lián)系梁來拉緊。而檁屋頂是不需要側(cè)推的，他們每根構(gòu)件的力都是直接向下傳遞，所以對(duì)比檁屋頂，弦屋頂相對(duì)要成熟一些。西方教堂的屋頂基本屬于弦屋頂。（見圖3）

圖3

這里澄清一個(gè)概念，弦屋頂?shù)纳舷以谟⒄Z里面一般的譯法是rafter，而檁屋頂上的椽子在英語里面也叫做rafter。所以在中國翻譯的中，經(jīng)常把弦屋頂?shù)纳舷医凶龃?，這個(gè)其實(shí)是個(gè)非常大的誤區(qū)，把這兩種結(jié)構(gòu)在建造思維上面的區(qū)別抹殺掉了。

下面我們來談?wù)劦抡Z區(qū)木構(gòu)屋頂?shù)陌l(fā)展。

德語區(qū)留存最早的三角屋頂大概是在十二世紀(jì)初，最簡(jiǎn)單的就是一個(gè)三角形。為避免上弦下垂，早期的工匠在采用斜撐來支撐上弦，提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。稍微晚期點(diǎn)的支撐結(jié)構(gòu)更加的豐富，增加了更多的橫向支撐，來保證三角屋頂穩(wěn)定性。（見圖4）

圖4

到十三世紀(jì)中后期，由于對(duì)教堂屋頂審美要求提高，在財(cái)力不足以建石構(gòu)拱頂時(shí)，他們會(huì)用木構(gòu)屋頂來形成看似像拱券的效果?；镜姆椒ň褪窃谌俗中蔚娜俏菁苌厦婕尤胍恍┞晕澢男睋?，形成一個(gè)類似拱架的結(jié)構(gòu)，并以聯(lián)系梁承擔(dān)兩邊的側(cè)推力。這樣形成了若干個(gè)相對(duì)比開敞較大的屋頂空間。當(dāng)財(cái)力足夠建石構(gòu)拱頂?shù)臅r(shí)，也可以使用同樣的結(jié)構(gòu)來為拱券來讓出空間。（見圖5）

圖5

到十三至十四世紀(jì)，為了在出露明屋頂下部提供大跨度空間，現(xiàn)了另外的一種非常盛行的加固方法：利用斜撐在上部形成剪刀型的拉結(jié)。由于上部形成了若干個(gè)小的三角形，且兩個(gè)構(gòu)件是斜向相交的，有效的增加了節(jié)點(diǎn)之間的拉結(jié)面積，從而保證了整個(gè)拱架的穩(wěn)定。同時(shí)還可利用下部聯(lián)系橫梁之間的空間修建磚石拱券。

當(dāng)教堂有多個(gè)跨，跨度比較大時(shí)，出現(xiàn)了在中間跨使用三角屋架而兩邊加披的方式來擴(kuò)大整個(gè)屋架的結(jié)構(gòu)，這和中國唐代到遼代的建筑特征類似。（見圖6）

圖6

整個(gè)屋架用一種三維的結(jié)構(gòu)方式結(jié)合成整體。每隔若干屋架之間，使用一根使用下部拉結(jié)大梁的三角屋架。其他的框架不使用大梁，而通過墻面上的、受大梁固定的縱向梁固定，抵抗拱結(jié)構(gòu)的側(cè)推力。這種大梁叫作Ankorbalken,德語的Ankor就是英語的anchor, 就是“錨”。（見圖7）

圖7

隨著屋架跨度的進(jìn)一步增大，跨中開始使用帶有拉結(jié)作用的立“柱”。它可以設(shè)置在下弦中間，當(dāng)中間有拱券擋住它位置的時(shí)候，可以設(shè)置在兩側(cè)。發(fā)展到十四世紀(jì)初，連接梁的形狀就像健身用的拉桿一樣，削小中間部分的直徑以減小自重。是非常明確的受拉構(gòu)件。

同在這個(gè)時(shí)期，由屋頂?shù)臉?gòu)架越做越大，側(cè)向穩(wěn)定成為要解決的問題，所以增加一些拉結(jié)屋架的側(cè)向穩(wěn)定構(gòu)架，使他們不會(huì)發(fā)生側(cè)向的傾倒。（見圖8）

圖8

到十五世紀(jì)時(shí)，隨著教堂發(fā)展的興盛，屋頂變得越來越大，中柱起到結(jié)構(gòu)拉結(jié)作用也越來越大，因?yàn)橹兄芰?huì)回到上弦，又給上弦增加了非常多的結(jié)構(gòu)的壓力，所以在這個(gè)時(shí)期呢又發(fā)展出了非常多的辦法來分擔(dān)中柱上的受力，比如說通過在上弦下面做一個(gè)平行的上弦來分擔(dān)受力，或者在中柱上用很多斜向的構(gòu)件形成向上的拉結(jié)，或者就是把中柱的和下面的連系梁分開。這種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，是因?yàn)楣そ趁鎸?duì)的挑戰(zhàn)越來越多，于是他們采用各種方式來“修補(bǔ)”結(jié)構(gòu)。（見圖9）

圖9

在這種情況下，屋架開始向下一個(gè)步驟發(fā)展，隨著屋架本身的增大，受拉的柱子和斜撐越來越大，它們自身也會(huì)需要一些支撐，中柱就從受拉構(gòu)件回到了受壓柱子的作用，它更多的是把力傳遞到下面，并且用這些斜向支撐來分擔(dān)下面若干個(gè)連系梁上的受力，從而出現(xiàn)了一種樹狀的過渡性的構(gòu)架。（見圖10）

圖10

德語區(qū)建筑從這種樹狀結(jié)構(gòu)上發(fā)展出了一種叫做“stehender Stuhl”,字面義就是“立凳”構(gòu)造：把中柱變成主要結(jié)構(gòu)組件，像凳子一樣支撐著上面的連系梁和整個(gè)屋架。（見圖11）

圖11

“立凳”不僅是支撐結(jié)構(gòu)，在施工上也能起到輔助支撐的作用。我們可以看它的施工步驟：先布置底下兩根縱向沿墻的梁和橫向的連系梁，再在連系梁上面立凳子，凳子相當(dāng)于框架結(jié)構(gòu)，凳子上面繼續(xù)往上立中柱，然后安裝斜架的支撐，最后是屋架的上弦，形成完整的屋架結(jié)構(gòu)。立凳結(jié)構(gòu)屋頂邏輯清晰，它的出現(xiàn)標(biāo)志著德語區(qū)屋架結(jié)構(gòu)進(jìn)入成熟階段。（見圖12）

圖12

“立凳”結(jié)構(gòu)出現(xiàn)之后發(fā)展出了多種變型，比如它會(huì)把這種”立凳“與豎向的受拉的柱子結(jié)合使用，并且通過若干層的凳子形成非常大的屋架。這個(gè)大屋架如果在民居或者在城市的商業(yè)建筑中屋架幾乎可以說是建筑的主體，變成了重要的使用空間。（見圖13）

圖13

對(duì)于大跨度屋頂結(jié)構(gòu),可以看到像這樣的屋頂相比早期的加披大跨度屋頂已經(jīng)有進(jìn)步，它中間的主坡跟兩邊側(cè)坡統(tǒng)一在一個(gè)完整的構(gòu)架之下。為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)完整，它在中間立了像凳架縱向磚石柱來分散掉結(jié)構(gòu)本身跨度的問題。（見圖14）

圖14

在十四、十五世紀(jì)，這種結(jié)構(gòu)在大的教堂經(jīng)常用到，在教堂上部形成非常壯觀的的空間，下面是漢諾威Marktkirche教堂屋架內(nèi)部的照片，它的構(gòu)件在交接的部分形成非常復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)，其難度已經(jīng)不亞于中國建筑與家具的榫卯節(jié)點(diǎn)了。（見圖15）

圖15

在十五-十六世紀(jì)，立柱凳子在民間的建筑當(dāng)中看起來像另外一種叫做liegender Stuhl, 直譯就是“躺著的凳”的結(jié)構(gòu)。因?yàn)槊耖g建筑需要把屋頂中間的凈空讓出來使用，所以將豎向立柱放到旁邊，然后用節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行加固，在下層形成一個(gè)剛度比較大的空間。這種形式的立柱也可以形成非常多層數(shù)，形成巨大的構(gòu)架。這兩種“凳”式結(jié)構(gòu)可以說是現(xiàn)在在德語區(qū)最常見的屋頂形式，它們相對(duì)來說比較成熟一些。（見圖16）

圖16

十七-十八世紀(jì)之后德語區(qū)的屋架結(jié)構(gòu)就進(jìn)入了巴洛克時(shí)期，這一段時(shí)期屋頂構(gòu)架看起來更加豐富復(fù)雜。巴洛克時(shí)期是董書音下面的案例所討論的范疇，等下由她來給大家介紹，我就不多講了。

飛速的過完了發(fā)展史，讓我們來看一下歐洲的工匠所使用的工具。

歐洲的工匠使用的工具和中國還是比較相近的，從十六世紀(jì)的版畫中可以看到，他們平木用的斧子，跟中國斧子的形狀略有不同，但功能是一樣的，還能看到他們也有曲尺和墨斗。在具體的工法上也有不同，比如他們?cè)谧鲩究椎臅r(shí)候，一般會(huì)用鉆先鉆孔，而中國的工匠不用鉆，就直接打鑿。木構(gòu)民族在處理木構(gòu)的工具和材料上，還是具有一定相似性的。（見圖17）

圖17

接下來談?wù)勎菁芙ㄔ斓倪^程。因?yàn)槲菁艹叨忍罅?，長(zhǎng)邊的連系梁大概有三十米甚至更長(zhǎng)，所以他們?cè)诘孛嫔舷确艠?，之后再把所有的?gòu)件在地面上進(jìn)行拼裝，使每一個(gè)構(gòu)架的節(jié)點(diǎn)跟尺度大小相似。拼裝完之后在構(gòu)架上做上標(biāo)記，標(biāo)記這是哪一品構(gòu)架的哪一根梁的位置，再將構(gòu)架拆解，用吊車吊到屋架上面去。地面拼裝的這個(gè)步驟可以解釋西方的構(gòu)架中為什么常用“搭掌造”這種連接形式，因?yàn)樾枰诘孛嫔掀囱b，若用穿孔連接，會(huì)穿不過去，所以采用“搭掌造”這種榫卯相卡的方式來連接。（見圖18）

圖18

最后提一本有意思的書——《Cathedral of Chutreaux》，作者是David Macaulay一名美國科普畫家，這本書講述的是法國一座十三世紀(jì)大教堂的建造過程，其中關(guān)于屋頂?shù)慕ㄔ爝^程是這樣：外墻修建完成之后開始吊裝屋頂，首先用吊車把在地面經(jīng)過拼裝調(diào)試的屋頂構(gòu)件一件一件的吊上去，再將這些構(gòu)件再次組合，完成屋架拼裝。屋架完成后，開始吊裝木拱架，再以木拱架為支撐和模板，在其上砌筑磚石拱券，再拆掉木拱架支撐，磚石拱券完成。在整個(gè)上面結(jié)構(gòu)完成之后，再安裝玻璃及一些相對(duì)脆弱性的構(gòu)件，直到整個(gè)教堂完成，成為我們今天所見的大教堂。（見圖19）

圖19

最后回到我們的題目：“看不見的構(gòu)架”，它是整個(gè)結(jié)構(gòu)的幕后英雄，支撐著屋頂，并且在結(jié)構(gòu)的建造中發(fā)揮著施工輔助的作用。

董書音：工匠的選擇

研究案例 -- 維也納霍夫堡皇宮

項(xiàng)目背景：霍夫堡始建于13世紀(jì)，長(zhǎng)期作為奧地利皇室宮殿存在，現(xiàn)在作為多個(gè)博物館及政府辦公室包括總統(tǒng)辦公室，遺產(chǎn)保護(hù)中心等機(jī)構(gòu)駐地。經(jīng)過六百年持續(xù)不斷的加建和增建，有各式不同的屋架類型。

紅色部分為研究區(qū)域，處于瑞士翼（Swiss Court）、力奧波德翼（Leopold Wing）和儀典大廳（Ceremonial Hall）三塊屋頂?shù)慕唤游恢谩?span>

力奧波德翼建于1681年，采用凳式屋架系統(tǒng)，中間有墻體支撐；

瑞士翼建于中世紀(jì)，但至今遺留下來的屋頂結(jié)構(gòu)，根據(jù)年輪測(cè)定應(yīng)是建于1680年，亦是采用凳式屋架系統(tǒng)，中間有一個(gè)懸掛柱，避免下方的聯(lián)系梁因?yàn)樽陨淼闹亓繌澢?、斷裂?span>

儀典大廳建于1802年，采取更有效率的桁架的組織方式來懸掛梁架，并且通過梁架懸掛下面的天花板。

研究區(qū)域位于三塊屋頂?shù)慕唤犹?，?jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研后，發(fā)現(xiàn)它不同尋常的地方：

1. 凌亂的頂部

2. 無用之檁

3. 角度異常檁

4. 穿越中的斜梁

為什么會(huì)出現(xiàn)這些情況？為了解決這幾個(gè)疑問，必須先了解初始結(jié)構(gòu)是什么樣，又經(jīng)過了什么樣的變遷而形成現(xiàn)在的樣子。首先透過相關(guān)圖像與歷史追溯：

在歷史圖像資料中，研究區(qū)域的這塊屋頂最早在十六世紀(jì)中期出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)叫做兒童翼。一個(gè)世紀(jì)后，擴(kuò)建形成力奧波德翼，但建成三年后在戰(zhàn)爭(zhēng)中焚毀。重建之后的翼有了變化，在塔和力奧波德翼中間增加了一個(gè)小露臺(tái)，可能是為了避免大火從一個(gè)屋頂連燒到另一個(gè)屋頂。在十八世紀(jì)，維也納皇宮拆除了四邊的角樓。十九世紀(jì)早期，儀典大廳建成，拆除了一部分屋頂，之后就少有變化一直持續(xù)到現(xiàn)在。

另外，通過樹木年輪測(cè)定法，推定主結(jié)構(gòu)的建成的年代是1753年左右，也就是文獻(xiàn)記載西北角的角樓被拆毀的同一年。

同時(shí)，通過對(duì)遺失和加建的部分進(jìn)行調(diào)查，從木材尺寸及榫卯的搭建方式可以判斷頂部結(jié)構(gòu)并非是原始的屋面構(gòu)架，而是為了迎合當(dāng)時(shí)所流行的孟莎頂來進(jìn)行加建的。

19世紀(jì)前后，孟莎頂盛行。18世紀(jì)的皇家圖書館設(shè)計(jì)，采用了緩和的孟莎頂。而在一個(gè)世紀(jì)之后，力奧波德翼改建，在原來的兩折屋頂上，覆蓋了一個(gè)緩和的頂架偽裝成是一個(gè)孟莎頂。

據(jù)此，我們可以進(jìn)行還原：假定屋頂中軸線在懸掛柱中心，鏡像對(duì)應(yīng)后形成三角形屋面，正好覆蓋了屋面的跨度，這可能是最接近原始屋面的形式。

那為什么會(huì)創(chuàng)造出三折的屋面呢？

據(jù)推測(cè)力奧波德屋面在1683年建成時(shí)，保留原有墻基作為構(gòu)件基礎(chǔ)，于是出現(xiàn)了一個(gè)非等分的兩個(gè)三角的體系。

而當(dāng)工匠在處理如何在平臺(tái)上架設(shè)屋頂時(shí)，他們決定在原力奧波德翼的輪廓的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)屋架結(jié)構(gòu)。他們?nèi)确至宋菝婵缍?，?chuàng)造出一種三折屋面，分散屋架負(fù)荷，并營造了屋架底部的無柱空間。

在確定最早期的屋面結(jié)構(gòu)是一個(gè)三折屋面后，現(xiàn)在要解決的是“角度異常的檁”和“穿越中的斜梁”的問題。

三折屋面和原瑞士翼屋面相接時(shí)，可能有兩種連接方式：

1. 以山墻直接隔斷

2. 用斜面和瑞士翼的屋面相接

通過判斷穿越中的斜梁是否屬于原初屋面結(jié)構(gòu)的一部分，或許能幫助我們判定當(dāng)時(shí)的屋面是采用了哪一種交接方式。

在現(xiàn)場(chǎng)不同的構(gòu)件上，可以看到早期工匠所留下的不同符號(hào)。工匠記號(hào)是與屋架施工方式有關(guān)的工匠標(biāo)記。工匠在制作屋架時(shí)，會(huì)先在地面進(jìn)行組裝，組裝的時(shí)候會(huì)在每一品的梁架上標(biāo)記號(hào)，以確保在梁架拆散后還能認(rèn)出梁架從屬，再行組裝。不同組工匠或是不同時(shí)期的工匠會(huì)使用不一樣的記號(hào)。

通過對(duì)于工匠記號(hào)的研究，斜梁上的標(biāo)記和交接屋面的第四榀梁架上的標(biāo)記完全相同，可以判定這榀斜梁是屬于當(dāng)時(shí)原初屋架結(jié)構(gòu)的一部分。由此我們可以判斷該梁的作用是用于聯(lián)系和承接從瑞士翼延伸到屋面的斜向構(gòu)件，并可以倒推出當(dāng)時(shí)為斜面相連的交接方式。

在這個(gè)屋架施工完工后50年，為了營造儀典大廳，建筑師決定拆除部分始建于1753年的屋架。而從穿越斜梁的所在的位置可以推斷，原有屋面的南面輪廓比現(xiàn)有輪廓偏北，因此工匠除了拆除部分的原屋架外，事實(shí)上還將原有建筑的邊界外推。

由于屋面外推，屋面坡度產(chǎn)生了變化，工匠在改建的過程中，謹(jǐn)慎地保持原主屋架不變，重新調(diào)整了檁條角度。

最后，我們可以總結(jié)，在研究區(qū)域的這塊屋頂上有過三個(gè)階段：

1. 新建；2. 儀典大廳建成之后，進(jìn)行了第一次改變，切除了差不多三分之一的部分；3. 在孟莎頂?shù)募咏ㄟ^程中，增建頂部上層屋面的結(jié)構(gòu)。

（以上內(nèi)容均根據(jù)講座現(xiàn)場(chǎng)錄音和主講人提供的演示文件整理而成）

文字整理：林宜萱、楊磊；錄音整理：韓西峰；格式校對(duì)：華益