木結(jié)構(gòu)建筑復(fù)原記：日本大洲城天守閣修繕

公共|2658天前|xiaomeimei123|

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)計事務(wù)所

翻譯：陸洋

，山田憲明構(gòu)造設(shè)計事務(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天守閣復(fù)原計劃

。一百多年過去了，天守閣的雛形模型和當時的外觀照片被奇跡般地保存了下來

，為天守閣復(fù)原計劃奠定了基礎(chǔ)

，有力地推動了復(fù)原工作的進行（圖1，2）

。

圖1 天守閣雛形模型

；圖2 天守閣舊時外觀

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

，對其大規(guī)模木結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法進行開發(fā)

。本文將概括介紹大洲城天守閣在復(fù)原設(shè)計時的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

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

個建筑的主體結(jié)構(gòu)主要由兩個部分構(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)點的構(gòu)造。為防止橫木脫出

，柱與橫木的連接節(jié)點采用帶榫卯嵌合的貫穿式連接（圖8）

。連接節(jié)點均為傳統(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)點的定量化

在所有結(jié)構(gòu)中

，構(gòu)造連接節(jié)點的設(shè)計在決定了框架結(jié)構(gòu)特性與剛度的同時還影響了施工方法并提升了美觀性

，展現(xiàn)了設(shè)計人員的創(chuàng)造性，這正是結(jié)構(gòu)設(shè)計所謂的“根”之所在

。傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)中

，榫卯節(jié)點對結(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

，如果不能準確、定量化地對榫卯節(jié)點位數(shù)據(jù)（剛度）進行分析研究

，想駕馭傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特性幾乎是不可能的

。大洲城項目結(jié)構(gòu)分析中，連接節(jié)點的定量化成為最大的課題

。要對連接節(jié)點的傳力機制以及變形能力進行準確的解析和構(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?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">，F(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)計開始的時候（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，這一理論是在對不同木材進行實驗的基礎(chǔ)上提出的

，其周密性和實用性讓我決定在大洲城的接合部計算模型中采用這一理論

。

木材本身的特點，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，一般認為是通過榫卯接合部相對較高的形變?nèi)菰S度來實現(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估是結(jié)構(gòu)設(shè)計時的主要議題

，同時榫卯接合部的精確模型化也需要花費大量的時間

。

設(shè)計概要

針對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

。針對罕遇地震的抗震設(shè)計

，進行了抗水平力能力（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度的統(tǒng)稱）計算以及時程分析法計算

，同時采用燃燒計算法進行防火設(shè)計

。

圖9 3D 框架解析模型

進一步深入開發(fā)了榫卯節(jié)點的抵抗力矩計算法以及節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度計算法。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）進行詳細計算

。土墻的抗剪剛度在模型中簡化為與剛度相匹配的斜撐進行計算。

連接節(jié)點的模型化

接合部位的力矩主要是由節(jié)點旋轉(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)剛度的計算式進行分析（圖10

，11）

。模型化木材的局部力學(xué)特性研究（節(jié)點的受力機制與剛度/強度特性的計算）采用了稲山先生的研究理論

。

圖10 抵抗力矩接合部旋轉(zhuǎn)剛度計算公式

圖11 接合部抵抗力矩計算模型

接合部實驗

設(shè)計中開發(fā)的計算模型和實際狀況的匹配度試驗得到了HAZAMA技術(shù)研究所的支持和協(xié)助，用實物的1/2比例縮小模型進行加力試驗

。試驗體主要分為兩個類型：柱和梁構(gòu)成的T形試件（6個對照組）

，以及柱和橫木組成的十字形試件（4個對照組），用圖12所示的裝置進行加力試驗（圖13）

。通過比對

，T形和十字形試件同計算模型模擬的結(jié)果吻合度很高。

圖12 抵抗力矩接合部加力試驗概要

圖13 抵抗力矩接合部試驗體及位置

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算分析

。大洲城復(fù)原之際進行了墻壁剪切試驗，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/強度）的研究

傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的整體剛度/強度往往由接合部的局部力學(xué)特性而決定

，既往的試驗調(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)計標準需求。

抗水平力能力研究是利用節(jié)點分配法進行木結(jié)構(gòu)構(gòu)件和墻壁抗剪強度的計算所必需的

，此時節(jié)點的屈服強度由接合部的強度來決定

。

必要的抗水平力（抗震）強度Ds是“建告第1792號”的計算方法以及延性計算法兩方面的要求，設(shè)計時取其大者

。

在進行LEVEL 2（50 kine）的地震荷載（大地震

，按第2 級別地震速度計算，地震波5 0 k i n e

，速度為50~80cm/s

，震度6~7級）多自由度體系模型的時程分析時，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種分解模型進行分析計算

。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

，最保守的計算是假設(shè)層間位移角為1/30 rad

，抗剪強度仍有15%的冗余，從而確認設(shè)計標準得到充分滿足

。

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

、實踐等不斷發(fā)展

，相關(guān)活動也不斷增加，相信不久將會產(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)原項目對我來說是非常寶貴的經(jīng)驗

，也是非常光榮的任務(wù)（圖14，15）

，希望能對大家有所借鑒

。

圖14 一層施工現(xiàn)場

圖15 樓梯及挑空天花板

項目信息

業(yè)主：大洲市

建設(shè)地點：日本愛媛縣大洲市

建筑設(shè)計：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)

建成時間：2004

獲獎：第１屆日本“制造業(yè)大獎”（2005）

，第７屆日本國土技術(shù)

開發(fā)獎最優(yōu)秀獎（2005）

，日本建筑學(xué)會業(yè)績獎（2006）

[山田憲明]

山田憲明構(gòu)造設(shè)計事務(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

、日本國土技術(shù)開發(fā)獎最優(yōu)秀獎

、日本JSCA 作品獎、日本構(gòu)造設(shè)計獎

、日本木材技術(shù)中心理事長獎等

。

[陸洋]

山田憲明構(gòu)造設(shè)計事務(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

。

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2018-05-17 12:47:57010

小日本啊

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