木結(jié)構(gòu)建筑復(fù)原記：日本大洲城天守閣修繕

四層天守閣木結(jié)構(gòu)復(fù)原——大洲城天守閣》

撰文：山田憲明，山田憲明構(gòu)造設(shè)計(jì)事務(wù)所

翻譯：陸洋，山田憲明構(gòu)造設(shè)計(jì)事務(wù)所

歷史背景

明治維新之后，大洲城天守閣于1888年（明治21年）被拆除。近年來大洲市出于觀光資源的考慮決定啟動(dòng)天守閣復(fù)原計(jì)劃。一百多年過去了，天守閣的雛形模型和當(dāng)時(shí)的外觀照片被奇跡般地保存了下來，為天守閣復(fù)原計(jì)劃奠定了基礎(chǔ)，有力地推動(dòng)了復(fù)原工作的進(jìn)行（圖1，2）。

圖1 天守閣雛形模型；圖2 天守閣舊時(shí)外觀

作為結(jié)構(gòu)技術(shù)人員，首要的使命就是在保證大洲城建筑結(jié)構(gòu)安全性的同時(shí)，對(duì)其大規(guī)模木結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行開發(fā)。本文將概括介紹大洲城天守閣在復(fù)原設(shè)計(jì)時(shí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

大洲城天守閣結(jié)構(gòu)概要

大洲城天守閣建筑高度為19.15m，一層平面11.8m×13.8m，共有4層木結(jié)構(gòu)和4層本瓦葺屋頂（圖3~7）。（日本瓦葺主要有三種：本瓦葺、行基葺、棧瓦葺）

圖3 大洲城鳥瞰圖

圖4 天守閣外觀

圖5 天守閣內(nèi)景

個(gè)建筑的主體結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)部分構(gòu)成：由大直徑承重立柱、梁、貫（橫木）等結(jié)構(gòu)單元以傳統(tǒng)榫卯連接方式構(gòu)成的半剛性框架結(jié)構(gòu)；厚度約200mm的土墻（下方為臺(tái)基、橫木）構(gòu)成的抗剪結(jié)構(gòu)，也是結(jié)構(gòu)的第二道抗側(cè)力體系（這種多層木結(jié)構(gòu)在側(cè)力作用下主要為剪切型變形）。另外，垂壁、腰壁是為了控制立柱彎曲形變而專門設(shè)計(jì)的。平面中央的主立柱為兩層貫通式，其他立柱則是立于橫梁之上形成上下對(duì)應(yīng)的普通形式。因此，受連

接梁尺寸的影響，立柱采用最大直徑為一尺八寸（約600mm）的大直徑木材。

圖6 二層平面圖

圖7 南側(cè)第十軸剖面圖

大直徑的柱子和橫梁構(gòu)成了主要框架結(jié)構(gòu)，連接部位的結(jié)構(gòu)主要分為長榫貫通式連接和梁頭榫內(nèi)嵌型兩種，構(gòu)件大部分為單向連接（T形連接），目的是簡化節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造。為防止橫木脫出，柱與橫木的連接節(jié)點(diǎn)采用帶榫卯嵌合的貫穿式連接（圖8）。連接節(jié)點(diǎn)均為傳統(tǒng)木-木連接，不使用金屬構(gòu)件。立柱木材選取的是本地檜木和木曾檜木，梁采用木曾檜木，臺(tái)基采用秋田栗木。

圖8 貫穿式橫木的連接方法

最大的課題——連接節(jié)點(diǎn)的定量化

在所有結(jié)構(gòu)中，構(gòu)造連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)在決定了框架結(jié)構(gòu)特性與剛度的同時(shí)還影響了施工方法并提升了美觀性，展現(xiàn)了設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性，這正是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所謂的“根”之所在。傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)中，榫卯節(jié)點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)特性與剛度的影響比其他任何材質(zhì)的結(jié)構(gòu)（鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)等）都更為重大。因此，如果不能準(zhǔn)確、定量化地對(duì)榫卯節(jié)點(diǎn)位數(shù)據(jù)（剛度）進(jìn)行分析研究，想駕馭傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特性幾乎是不可能的。大洲城項(xiàng)目結(jié)構(gòu)分析中，連接節(jié)點(diǎn)的定量化成為最大的課題。要對(duì)連接節(jié)點(diǎn)的傳力機(jī)制以及變形能力進(jìn)行準(zhǔn)確的解析和構(gòu)造特性的定量化，就必須深入考慮木材本身的基本特性。

首先從以往研究所收集的數(shù)據(jù)開始調(diào)查。現(xiàn)在關(guān)于榫卯接合部的研究在不斷增加，但在大洲城結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始的時(shí)候（平成12年，公元2000年），關(guān)于傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑榫卯接合部特性的體系性研究是非常有限的。稲山正弘先生（現(xiàn)東京大學(xué)農(nóng)學(xué)部教授）的“木結(jié)構(gòu)局部力學(xué)特性”系列研究吸引了我的目光，這一理論是在對(duì)不同木材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出的，其周密性和實(shí)用性讓我決定在大洲城的接合部計(jì)算模型中采用這一理論。

木材本身的特點(diǎn)，除了垂直于纖維方向受壓易損以外，也容易產(chǎn)生彎曲、剪切、割裂等脆性破壞。對(duì)于這類脆性材料而言，木材在抵御地震荷載的過程中，其結(jié)構(gòu)需要具備較高的形變?nèi)菰S度，因此結(jié)構(gòu)體系的重要性不言而喻，而連接節(jié)點(diǎn)則成為控制結(jié)構(gòu)整體變形能力的關(guān)鍵。因木材局部在荷載下屈服的接合方式，使得組成的框架結(jié)構(gòu)變形能力相對(duì)更高。傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑在抵御地震荷載的過程中十分頑強(qiáng)，一般認(rèn)為是通過榫卯接合部相對(duì)較高的形變?nèi)菰S度來實(shí)現(xiàn)的。

一方面大尺寸木材的柱、梁構(gòu)成大洲城天守閣的主要承重結(jié)構(gòu)，從榫卯的木材局部力學(xué)特性及其形變能力的角度考慮，接合部的抵抗力矩評(píng)估是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的主要議題，同時(shí)榫卯接合部的精確模型化也需要花費(fèi)大量的時(shí)間。

設(shè)計(jì)概要

針對(duì)長期豎向荷載及頻遇地震荷載（基本剪切系數(shù)=0.20），采用容許應(yīng)力度法設(shè)計(jì)。針對(duì)罕遇地震的抗震設(shè)計(jì)，進(jìn)行了抗水平力能力（日本習(xí)慣將風(fēng)荷載和地震荷載統(tǒng)稱為水平力，而能力則是剛度和強(qiáng)度的統(tǒng)稱）計(jì)算以及時(shí)程分析法計(jì)算，同時(shí)采用燃燒計(jì)算法進(jìn)行防火設(shè)計(jì)。

圖9 3D 框架解析模型

進(jìn)一步深入開發(fā)了榫卯節(jié)點(diǎn)的抵抗力矩計(jì)算法以及節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度計(jì)算法。在模型中加入了扭轉(zhuǎn)彈簧單元，并采用矩陣式分析直接剛度法的3D框架模型（圖9）進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。土墻的抗剪剛度在模型中簡化為與剛度相匹配的斜撐進(jìn)行計(jì)算。

連接節(jié)點(diǎn)的模型化

接合部位的力矩主要是由節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)變形后與柱體接觸面的局部壓力和摩擦力等因素產(chǎn)生的。部分接合類型（貫通橫木、加銷釘?shù)拈L梁頭榫（簡稱長梁頭榫）、加銷釘?shù)钠搅侯^榫（簡稱平梁頭榫））是局部力學(xué)特性的狀態(tài)假設(shè)，利用因旋轉(zhuǎn)角度而產(chǎn)生的應(yīng)力關(guān)系以及接合部旋轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算式進(jìn)行分析（圖10，11）。模型化木材的局部力學(xué)特性研究（節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)制與剛度/強(qiáng)度特性的計(jì)算）采用了稲山先生的研究理論。

圖10 抵抗力矩接合部旋轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式

圖11 接合部抵抗力矩計(jì)算模型

接合部實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)中開發(fā)的計(jì)算模型和實(shí)際狀況的匹配度試驗(yàn)得到了HAZAMA技術(shù)研究所的支持和協(xié)助，用實(shí)物的1/2比例縮小模型進(jìn)行加力試驗(yàn)。試驗(yàn)體主要分為兩個(gè)類型：柱和梁構(gòu)成的T形試件（6個(gè)對(duì)照組），以及柱和橫木組成的十字形試件（4個(gè)對(duì)照組），用圖12所示的裝置進(jìn)行加力試驗(yàn)（圖13）。通過比對(duì)，T形和十字形試件同計(jì)算模型模擬的結(jié)果吻合度很高。

圖12 抵抗力矩接合部加力試驗(yàn)概要

圖13 抵抗力矩接合部試驗(yàn)體及位置

土墻的模型化

在3D模型中，土墻用剪切剛度匹配的斜撐桿件單元代替便于計(jì)算分析。大洲城復(fù)原之際進(jìn)行了墻壁剪切試驗(yàn)，從結(jié)果來看土墻剪切彈性模量為5.5N/m㎡，短期容許剪應(yīng)力度為0.10N/m㎡；短期地震荷載時(shí)土墻剪應(yīng)力最大為0.075N/m㎡，小于短期容許剪應(yīng)力。

抗側(cè)向力能力（剛度/強(qiáng)度）的研究

傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的整體剛度/強(qiáng)度往往由接合部的局部力學(xué)特性而決定，既往的試驗(yàn)調(diào)查顯示，位移角小于1/15 rad的變形（SLS）仍可維持建筑的設(shè)計(jì)性能，墻壁也不能超過1/15 rad位移角度極限。因此，整體結(jié)構(gòu)全體1/15rad的彈性位移角仍可維持結(jié)構(gòu)性能，而從安全方面考慮，極限位移角保持在1/20 rad以下（ULS）即具備足夠的抗水平力能力，可滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)需求。

抗水平力能力研究是利用節(jié)點(diǎn)分配法進(jìn)行木結(jié)構(gòu)構(gòu)件和墻壁抗剪強(qiáng)度的計(jì)算所必需的，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的屈服強(qiáng)度由接合部的強(qiáng)度來決定。

必要的抗水平力（抗震）強(qiáng)度Ds是“建告第1792號(hào)”的計(jì)算方法以及延性計(jì)算法兩方面的要求，設(shè)計(jì)時(shí)取其大者。

在進(jìn)行LEVEL 2（50 kine）的地震荷載（大地震，按第2 級(jí)別地震速度計(jì)算， 地震波5 0 k i n e ， 速度為50~80cm/s，震度6~7級(jí)）多自由度體系模型的時(shí)程分析時(shí)，仍可滿足正常使用及承載力（變形、剪切力等）的規(guī)范要求。各層的分解模型采用三折線（Trilinear）模

型解析，得到的剛性作為參數(shù)逐步變化，共建立54種分解模型進(jìn)行分析計(jì)算。輸入地震波分別使用了ELCENTSNS、TAFT-SNS、TOKYO 101、HACHIN-SNS共4種波型，得到地震響應(yīng)分析的結(jié)果，最保守的計(jì)算是假設(shè)層間位移角為1/30 rad，抗剪強(qiáng)度仍有15%的冗余，從而確認(rèn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)得到充分滿足。

結(jié)語

傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的繼承和復(fù)興是當(dāng)下越來越迫切的問題。近年來，日本國內(nèi)各地傳統(tǒng)木構(gòu)造的研究、實(shí)踐等不斷發(fā)展，相關(guān)活動(dòng)也不斷增加，相信不久將會(huì)產(chǎn)生更加廣泛的影響。

此次大型木結(jié)構(gòu)建筑天守閣的復(fù)原項(xiàng)目對(duì)我來說是非常寶貴的經(jīng)驗(yàn)，也是非常光榮的任務(wù)（圖14，15），希望能對(duì)大家有所借鑒。

圖14 一層施工現(xiàn)場

圖15 樓梯及挑空天花板

項(xiàng)目信息

業(yè)主：大洲市

建設(shè)地點(diǎn)：日本愛媛縣大洲市

建筑設(shè)計(jì)：三宿工房、竹林舎、前川建筑研究室

施工單位：間組

建物規(guī)模：平面面積500m2，地上４層，建筑高度19.15m

主要結(jié)構(gòu)：木結(jié)構(gòu)、樁基礎(chǔ)

建成時(shí)間：2004

獲獎(jiǎng)：第１屆日本“制造業(yè)大獎(jiǎng)”（2005），第７屆日本國土技術(shù)

開發(fā)獎(jiǎng)最優(yōu)秀獎(jiǎng)（2005），日本建筑學(xué)會(huì)業(yè)績獎(jiǎng)（2006）

[山田憲明]

山田憲明構(gòu)造設(shè)計(jì)事務(wù)所（Yamada noriaki Structural Design office，YSD）創(chuàng)始人、主持結(jié)構(gòu)工程師，曾任早稻田大學(xué)和信州職人學(xué)校講師。曾獲日本制造業(yè)大獎(jiǎng)、日本國土技術(shù)開發(fā)獎(jiǎng)最優(yōu)秀獎(jiǎng)、日本JSCA 作品獎(jiǎng)、日本構(gòu)造設(shè)計(jì)獎(jiǎng)、日本木材技術(shù)中心理事長獎(jiǎng)等。

[陸洋]

山田憲明構(gòu)造設(shè)計(jì)事務(wù)所結(jié)構(gòu)工程師， 曾任職于德國斯圖加特Schlaich Bergermann Partner（SBP）建筑結(jié)構(gòu)咨詢公司，主要研究方向：大跨度鋼結(jié)構(gòu)、輕結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等。

下載