浅析中国现代大跨度木桁架结构屋顶设计

随着现代木结构建筑在我国蓬勃发展，木结构在未来的建筑设计中将会处于重要地位。本文关注于中国现代木结构建筑设计当中大跨度木桁架结构屋顶的设计，从建筑学的视角，观察与学习案例中木结构的结构形式、结构节点，总结相应屋顶可实现的结构形式及其空间效果，并分析它对于实现相应设计方案的合理性与先进性。

几乎每个建筑时代都跟结构的探索相联系。人们常常因此得出结论：建筑，这就是结构。

——勒·柯布西耶《走向新建筑》

前　言

在世界上不同的地域都存在着木结构建筑的轨迹。我国自古便有木结构传统建筑，其中凝结了传统建筑文化的精髓。而西方国家的建筑虽是一部“石头史书”，却也不难发现木结构建筑的身影。然而随着混凝土和钢结构建筑的发展，近代很长一段时间里我国木结构建筑的发展停滞不前，同时森林资源的短缺，使木结构建筑的发展更为艰难。受到各种条件制约的木结构建筑曾一度似乎渐渐淡出了历史的主流，现如今在绿色、可持续背景下却又重回历史舞台。

当今社会，随着环境的恶化和自然资源的日益稀缺，严峻的现实使得可持续发展的观念逐渐深入人心。人们基于对可持续发展理论的理解，以及人性化为主导的建筑的人文关怀，对作为可再生的生态建材之一的木材的重视程度日益提升。木结构建筑因此在未来的建筑设计潮流中又再度占有了举足轻重的地位。另外，我国地震频发，木结构建筑相较于混凝土和钢结构建筑具有更优越的抗震性能。对于难以预知的自然灾害，主动预防比灾后救援更重要。就这个角度而言，发展现代木结构建筑对一个地震多发国家具有重要意义。

大尺度现代木结构屋顶常用的结构类型是桁架结构，属于向量作用的结构体系，由坚固的直线构件组成，其力的改向通过向量分解来实现。体系杆件（弦杆、腹杆）一部分受压力作用，其他部分受拉力作用。综合考虑桁架各杆件节点构造合理性等问题，可把平行弦桁架的结构形式拓展为三角形桁架、梯形桁架、多边形桁架、弧形桁架等，受力更为合理。

案例分析

● 原木桁架：浙江金华乡贤馆

受到各方面因素的制约与限制，大型原木结构在现代中国建筑设计中运用得并不多，处于起步阶段的建筑实践主要集中于日本、澳大利亚和欧洲国家，不过也是有一些优秀的中国木结构案例的，比如说浙江金华乡贤馆（图1）。

图1 浙江金华乡贤馆俯瞰

乡贤馆位于武义江边，改造前的建筑是比较初级的加工厂。随着城市的不断发展外扩，产业的更新升级，城市把此区域定位为文创园。乡贤馆作为展示金东区文化、艺术、城市规划的场所，利用部分旧工业建筑改造而成（图2）。

图2 乡贤馆改造前后

场地内原有建筑为初级包装企业，作为发展良好的乡镇企业，工厂厂房早已不再适应现在的产业需要，荒废许久。

原有建筑在当时的历史条件下采用砖结构和木屋架结构，为了保留场所记忆，建筑师对其做尽可能小的干预，保留原有建筑的结构和空间格局，只是在周边做一些加建和更新并对原有结构进行加固以提高结构的安全性。

拆除原建筑周边搭建的构筑物后，让出了入口空间。在原有两栋建筑之间加建了木结构雨棚与入口大厅。采用木结构是为了与原有三角木屋架形成一个时空的对话，延续原有场所记忆的同时又符合当今新时代的特征。雨棚下面形成了类似传统建筑屋檐下的灰空间，作为室内外空间的自然过渡，但因为是山墙面的方向，具有很强的正面性，又不同于传统屋檐的体验。新建的木结构雨棚及大厅同原有建筑的木质屋架相互呼应，保留的木桁架结构是那个历史时期特有的符号语言，历史与现代进行了强烈的时空对话。新建部分采用木桁架结构，其中木杆件截面尺寸为150mm×300mm，屋顶最大跨度达14m。

原建筑的瓦片保温性能较差，在原有木桁架的上面增加了保温层，上面使用了轻质的金属屋面；建筑每隔一段距离，把屋面瓦替换成透明瓦，形成了建筑之间的交流空间；建筑墙体使用原建筑的砖，重新砌筑，以满足功能性开窗要求（图3）。

图3 乡贤馆项目爆炸分析图

另外，保留了原建筑的两跨坡屋顶形式，同时为达到更好的采光通风效果，方案增设了顶部天窗。光线透过天窗照射到木质桁架上，漫反射进室内，烘托出整个空间的氛围。热空气上升产生的气流，通过天窗排出室外，最大化地增强自然通风效果，减少对能源的消耗（图4）。

图4 乡贤馆屋顶剖透视

阿尔瓦·阿尔托曾经说过：“老的东西不会再生，但也不会完全消失，曾经有过的东西总是以新的形式再次出现”，其实建筑是以螺旋上升的方式发展的。现代木结构建筑越来越多的出现恰恰印证了这个观点。现代木结构有材料轻、可装配的建构逻辑、良好的生态性能，随着科技带来的建造成本的降低，将更多地应用于既有建筑改造项目之中（图5）。

图5 乡贤馆屋顶改造前后

● 轻木结构胶合木桁架：唐山有机农场

唐山有机农场（图6）位于唐山古冶城区边缘的一片农田之中，周边零散分布着村落和房屋。用地是一块长方形平地，占地面积约6,000㎡。建筑的基本功能是有机粮食加工作坊——原料来自于分散在全国各地的有机粮食原产区，在这里完成粮食的收集、加工、包装流程，再将成品运送至外地。建筑师的设计想法就是创造一个放大的四合院，营造一个充满自然氛围和灵活性的工作场所，并自成一体地与周围广阔平坦的田野产生对应关系。该建筑获得了2017年加拿大《木结构设计与建筑》杂志大奖（Wood
Design & Building Awards）。

图6 唐山有机农场实景图与模型俯瞰

该建筑分为原料库、磨坊、榨油坊、包装区四个主要部分，庭院内侧为工作流线，建筑外侧的游廊为参观流线。内庭院作为粮食的晒场，多层次的错落院落空间由不同层次的双坡顶拓扑组合而成。对于每一片屋顶的连接关系，形式设计采用了简单的屋顶连续的方式，借鉴四合院的形式，形成四周围合的空间布局，整体感极强，也创新地使用大片的透明纵墙，现代感十足。最终形成了2.1m小尺度游廊、4.2m中尺度房间、8.4~16.8m大尺度厂房的多种跨度的使用空间。

该项目的结构采用轻型木结构的结构体系（图7），在木框架墙体上架设胶合木桁架梁，顶部铺设木板屋顶、防水卷材与油毡瓦，以2.1m的木框架墙体作为基本模数，所有的木构件都根据基本模数控制，屋顶跨度最大处达16.8m，胶合木杆件截面尺寸约为200mm×100mm。建筑整体置于60cm高的混凝土台基之上，使建筑悬浮于地面之上，这样做有利于设备管线的铺设，同时也可以达到更好的防潮性能。建筑围护结构采用半透明PC板，与木材一样具有质量小和施工安装快的特点。整体的结构概念、材料运用造就了建筑快速装配的特性，也营造出了一个温暖、自然的农场工作环境（图8）。

图7 唐山有机农场项目生成图解  

图8 唐山有机农场内部结构

对于节点处理方面，木构件交接处均采用金属构件连接，保证结构安全性的同时又符合工业化生产的特性。为了能够使建筑具有更好的耐久性，金属连接件均做防锈蚀处理，与经过烘烤的木料具有很好的融合性，在整体效果方面，木材经过烘烤后更具质感，金属构件并不显得突兀，黑色的节点处理让人想到何陋轩等现代大师之作，造就结构独有的美感。

● 钢木组合桁架：中国美术学院水岸山居

水岸山居（图9）位于中国美术学院象山校区内，是作为学校的专家接待中心使用的酒店建筑。建筑位于象山的南面山脚，毗邻“杜家浦”小河，具有依山傍水的地理条件。王澍的设计概念为“一种聚集丰富差异性的建筑类型学”。整个建筑由一片连绵不断的木构架大屋顶覆盖，屋顶下仿佛覆盖了一个村落，功能上由东向西依次为茶室、会议、餐厅、住宿。另外，大屋顶在功能上还有保护夯土墙的作用（图10）。

图9 水岸山居空间透视

图10 水岸山居屋顶结构

结构设计方面建筑主要分为两个结构部分，下部主体建筑采用钢筋混凝土框架的结构体系，木屋盖为钢木混合的桁架结构。建筑师计划采用实心方木作为杆件，以小尺度杆件实现大跨度的屋顶结构，但由于结构跨度过大，最大屋顶跨度达19.8m，纯木结构无法满足受力要求，最终发展为了钢木混合的杆件形式，根据受力情况不同安排钢木杆件和纯木杆件的区别分布。为了与钢木结构形式上的呼应也是为解决木材截面厚度过大而产生的不均匀干缩现象，将方木改变为两块扁木并置，每个扁木的杆件尺寸为45mm×180mm。

而钢木组合杆件在屋架中的分布问题，有两种方案，方案一（如图11上）是根据受力情况，将屋架杆件分为主序列和次序列，在主序列杆件中设置钢骨，次序列以纯木杆件为主；方案二（如图11下）是根据计算结果的杆件内力分布情况，在受力较大的杆件中布置钢骨。最终以方案一为主，但出于提高承载力与结构整体性和刚度的角度出发，在局部受力较大的次序列杆件中也加入了钢骨。

图11 水岸山居屋顶方案一（上）与方案二（下）

节点设计方面如图12所示，齿板连接、螺栓加连接板等连接方式是常规的木结构节点，但会有大面积的金属构件外露。在该项目中为了营造纯净的木构氛围，遂将金属构件隐藏于木构件内部。最终节点的形式为销轴连接与齿板连接的结合。齿板隐藏于杆件双扁木拼合的两片木板中，再将螺栓对穿形成销轴加齿板的连接方式。这样的节点设计既体现了齿板的力学优点又能展示销轴的美学特点。

图12 水岸山居节点设计

● 拱形桁架体系：柳州开元寺大雄宝殿

柳州开元寺复建于2012年，是上海交通大学规划建筑设计有限公司木结构设计研究所主持设计的胶合木仿古宗教建筑。

复建的开元寺位于柳州市都乐公园内，基地三面环山，前拥龙珠湖，占地面积87,127㎡，总建筑面积26,040㎡。根据用地情况和唐风建筑特点，将大雄宝殿布置在基地的中心位置，北部为藏经阁，南面留出宽阔的广场。

柳州开元寺大雄宝殿的原型为《营造法式》中记载的“殿堂等八铺作副阶六铺作双槽草架侧样”，上、下檐斗栱制度为“殿侧样十架椽，身内双槽用四柱，殿身外转八铺作、重拱出三抄双下昂，副阶外转六铺作、重拱出双抄双下昂” (图13)。

图13 柳州开元寺大雄宝殿建成效果

建筑师在原型的基础上做了以下四种变化：

1）重新排布殿内四根金柱，将中间跨间距增大至18.48m，两个边跨等距，缩至4.13m；

2）四金柱等高，柱头上为九层纵横叠置素枋形成的简化铺作层；

3）在金柱及铺作层上用胶合木的直梁和弧形梁组合形成的桁架结构组成殿内的梁架体系，共4组沿面阔方向均匀排列；

4）用胶合木的直梁和弧形梁组合而成的半圆形桁架与面阔方向五间的纵梁相交，形成类似西方建筑中穹顶的木构架形式（图14）。

图14 柳州开元寺大雄宝殿工程档案

大雄宝殿的结构采用了胶合木桁架体系，但仍是“彻上露明造”，弧形梁和直梁组成的桁架以及素枋叠置的铺作共同构成了天花藻井。虽然是现代的以胶合木为主要材料，但还是能给人以传统寺庙的空间感受，也能获得更为开阔的空间。室内为纵向18.48m、横向27.86m，最大净高16m的巨大空间，为开元寺大殿与现存的唐代佛殿室内空间与礼佛视角对比。在开元寺大殿中，正常身高的人看到正面佛像的仰角是11°~14°，是人眼观察比较舒适的视域，与以往的佛殿建筑不同。佛像的尺度并没有缩小，而是让佛像的高度通过观赏视距的扩大而在视线中有所降低，这样并不会减弱佛像的庄严肃穆，反而会使佛像更具亲和力，似乎走下神坛来到人间传法（图15）。

图15 柳州开元寺人视角的设计

大殿中的结构用胶合木构件均在工厂中按设计尺寸加工制作，每个构件上的榫头、卯眼以及金属件预留孔都是由数控加工中心完成的，所有构件均在工厂完成表面防护的髹漆处理后再运送到现场进行装配式施工。屋顶结构见图16。

图16 柳州开元寺屋顶结构效果

柳州开元寺大殿的设计与建造，是设计师充分利用传统和现代木结构知识实现的，用现代的胶合木配合创新的结构设计实现了与空间属性相符的大跨度空间。

● 钢木混合空腹桁架拱：天府农业博览园

图17 天府农业博览园俯瞰

天府农业博览园（图17）的主展馆采取世界首创的钢木混合空腹桁架拱（钢木结构），整体为CNC加工木檩条+ETFE膜结构体系，整个结构体系呈现出优美的弧线形。项目由中国建筑设计院崔愷院士领导的设计团队进行设计。弯曲的结构体系象征田间的滚滚麦浪，搭配暖色调为主的膜材料，一跨一跨的钢木空腹桁架拱结构体系就像是田间垂着脑袋的麦穗，非常复合农业博览园的建筑性格。主展览区域由77个木拱架构建的5个展览馆组成，跨度高度均不相同，节点类型繁多，设计难度大。其中，最大的木拱架跨度达到了120余m，拱高40
余m，这样惊人的数据使得该项目成为全球最大的木构大跨度建筑之一（图18）。

图18 天府农业博览园内部

构件结构方面，主展馆所使用的钢木混合空腹桁架拱的组装采用变截面胶合木作为拱形桁架的上下弦杆，和锥形腹杆共同形成三角形截面的拱形桁架。空腹桁架拱结构通过构建三角形截面使结构体系更加稳定，三角形的截面由桁架杆件构成，通过钢节点与木拱架进行连接，使得结构体系连接处更加稳固。钢节点的使用在保证木结构为主导的同时，也保证了结构体系的强度与稳定性更加符合要求。

材料方面，成都天府农业博览园主要结构为木结构，除了以木材作为主要结构材料使用之外，还采用了其他材料加以辅佐和配合；例如钢材、混凝土以及建筑顶棚所采用的德国进口ETFE膜。木材作为结构主材，来自于欧洲高寒地带的落叶松和云杉。落叶松是非常好的大跨度木结构材料的选择，它的纤维构成紧密厚重，因此抗压抗弯曲的强度非常大，而且具有良好的耐腐蚀性能。

美学效果方面，设计团队首先选用能够代表农产品的农作物——小麦的形态作为建筑主要结构形态的模仿对象。将滚滚麦浪翻滚在麦田的景象搬到了农业博览园中。五颜六色的膜材质顶棚象征着沉甸甸的麦穗，表达着丰收的喜悦之情，
整体达到了结构与形式的统一（图19）。

图19 天府农业博览园顶棚节点

结　语

无论是浙江金华乡贤馆采用原木桁架结构置入于原有三角木屋架，还是唐山有机农场以不同跨度的轻木结构胶合木桁架的组合，或者是柳州开元寺大雄宝殿采用创新的直梁与弧形梁组成的拱形桁架体系，都是从原有的中国木结构建筑形式中提炼出精华，完成现代性的试验。而中国美术学院水岸山居用钢木组合桁架营造出屋顶的连续波折，成功地为王澍大师的设计概念服务，带来强大的视觉冲击力。天府农业博览园首创了钢木混合空腹桁架拱，形成超级大跨，满足了设计师崔愷在项目中对于大型开敞顶棚“麦浪”的设计需求。

桁架结构是大尺度现代木结构屋顶中最常用的结构类型，在中国如今以木结构为中心的建筑设计日益增多的发展期，桁架绝对是实现大跨空间最重要的一种结构形式。