某古建木结构的设计研究

王志刚

深圳大学建筑设计研究院有限公 司 ( 广东 深圳 518000)

[摘要]参照《木经》、宋代《营造法式》、清代《工程做法则例》的构造样式，利用现代结构计算技术进行南方小木作木结构的设计，既要按照现代的标准保证结构安全，又要遵循清代《工程做法则例》比例尺度的规定，学习几千年来历代工程前辈留给我们的智慧经验，同时也总结传统做法的不足。

工程概况：

深圳市某村祠堂，由于年久失修，需要重建，祠堂为三进式单层砖木结构，建筑面积490平方米，屋脊高度7~9米。效果图、方案图如下：

设计标准：设计烈度7度，场地类别Ⅱ类，设计地震分组第一组，抗震设防类别：丙类，50年一遇基本风压0.75KN/㎡，地面粗糙度B类。

结构体系：

采用硬山屋面，五檩、七檩、十一檩、十五檩实木架梁结构体系，东西两侧有承重青砖墙，木梁木柱连接采用隼卯连接。基础采用钢筋混凝土独立基础、木柱与基础采用杯口型式连接。

结构剖面图及主要节点如下所示：

结构计算采用计算机计算及手算结合的方法，主要采用的软件：

1. MIDAS GEN (韩国)

2、Dlubal RSTAB模块及RFEM模块（德国）

3、PKPM （中国建科院）

木材结构参数：

《工程做法则例》中规定：“凡檐柱以面阔十分之八定高,以十分之七定径寸。如面阔一丈一尺,得柱高八尺八寸,径七寸七分”，即对柱径有一定要求：明间面宽与柱高的比例为10：8，即所谓的面宽一丈，柱高八尺，柱高与柱径的比例为11：1。本项目总开间13.1米，中柱高约7米，面宽与柱高的比例约13：7，为柱直径0.4米，柱高与柱径的比例约 17.5，未完全按照《则例》的比例关系，原因是经过计算，考虑了木材强度等级、进深等因素。木材选用按照《木结构设计规范》的要求,檩、架梁、柱均采用强度等级不低于TC17、(a级)针叶树种，如柏木 长叶松 湿地松 粗皮落叶松 东北落叶松 欧洲赤松 欧洲落叶松等 ；也可以选择强度不低于TB15级的阔叶树种如锥栗(栲木) 桦木 黄梅兰蒂 梅萨瓦木 水曲柳 红劳罗木栎木 达荷玛木 萨佩莱木 苦油树 毛罗藤黄等。

由于木材的含水率对强度有较大影响，所以限定制作构件时，木材含水率均不应大于18%。

梁柱隼卯连接的计算及构造：

按照《工程做法则例》的分类，隼卯连接主要有垂直构件的隼卯，如管脚隼，由于古代基础多采用石础，预留海眼，木柱设隼，由于柱础埋置太浅，在低洼处容易受水侵蚀而出现腐烂破坏，在现代工程中已不可行，采用杯口基础更安合、耐久性更好。垂直构件与水平构件的隼卯，如馒头隼、燕尾隼、箍头隼、透隼、半隼，本项目梁柱采用半隼（长短隼）简化为梁高的一半做长隼，一半做短隼，长隼长度约柱径的2/3，短隼长度约柱径的1/3，如下图所示：

隼卯连接节点与现代常规结构完全不同，既不像钢筋混凝土框架梁柱的刚接框架节点，也不是可以完全转动的铰接节点，隼卯节点在重力、风、地震作用下会产生滑移、摩擦、挤压等作用，产生压、剪、弯、拉等内力。现代钢筋混凝土框架结构及钢框架结构的抗震设计原则之一是：强节点弱杆件，但隼卯结构则完全相反，根据相关试验研究，隼卯节点是通过隼卯间滑移、摩擦、挤压消耗了地震能量，榫卯连接属于半刚性连接，设计原则可理解为：强杆件弱节点。这种半刚性连接节点，可以理解为一种消能减震结构，具备了优良的减震性能。由于隼卯种类不同，木材种类不同，抗震性能也不尽相同。本项目梁柱节点采用包络计算，同时结合手算方式，按照刚接、半刚接、铰接、滑动支座等多种类型分别计算梁、柱、隼的强度，变形，构件截面尺寸取满足计算的最大值。结构模型如下图所示：

弯矩包络图（局部）

剪力包络图（局部）

挠度图（局部）

设计小结:

几千年以来中国的工匠先辈们总结出的木结构建造技术，在现代仍有实用价值，可以也应该发扬传承下去。通过试验及计算分析可以得出以下结论：隼卯结构是一种消能减震结构。木结构建筑也是低碳环保的绿色建筑，应该推广应用。传统木结构的不足之处有以下几点：

1. 古代柱础埋深太浅，在低洼处容易受水侵蚀而出现腐烂破坏；

2. 传统木结构防火性能较差；

3. 传统木结构多采用原木加工，木材利用效率不高。

目前的解决方案：

1. 基础采用混凝土杯口基础，为达到艺术效果也可以采用混凝土基础结合石础杯口，耐久性很好；

2. 现代木结构防火工艺比较成熟，当建设仿古木结构建筑时，必须进行防火设计；

3. 尽量采用速生林材，可以采用胶合木结构。

对木结构的展望：

利用现代计算技术，采用现代加工和安装工艺，选用速生林及胶合木，推广建造更高层数、更大跨度的现代木结构低碳建筑，为国家2030年碳达峰、2060年碳中和的国家战略做出应有的贡献。

参考文献：《 带墙体覆面板的榫卯木结构抗震性能分析 邵渊丹》

《中国古建筑木作营造技术 马炳坚》