貫木拱結(jié)構(gòu)技術(shù)的前世今生

王冠一

在中國建筑師王澍近年的建筑實踐中，輕型木構(gòu)架已成為其常見設計手法：通過小尺寸的木材搭接實現(xiàn)相當大的跨度，非常巧妙；而且木材之間不是剛性連接，而是鉸接，有些地方甚至僅利用摩擦力搭接，非常易于拆卸和復用。那么，這種結(jié)構(gòu)技術(shù)的基本原理是什么？由何而來，又是如何傳承和發(fā)展的？本文就來談談貫木拱結(jié)構(gòu)技術(shù)的前世今生。

《清明上河圖》中的“汴水虹橋”

六十多年前，北宋張擇端的名作《清明上河圖》（公元1101年）首次對公眾展出，流傳千古的“汴水虹橋”居于長幅的中心位置，橋梁學家唐寰澄首次注意到了畫中的“汴水虹橋”并被深深吸引：不是一般古畫中的石拱橋和木板橋，而是一座輕巧美麗的木拱橋，“一片霞光，使人眼亮”。后來唐寰澄先生對其展開了研究和計算，證實這種木拱技術(shù)是可行的，畫中的橋梁是真實存在過的，推測其“凈跨約20m，拱矢約5m，寬約8m”，并先后命名為“疊梁拱橋”和“貫木拱橋”（圖1～7）。

但在很長一段時間內(nèi)，科學界都認為這種木拱橋已經(jīng)失傳了，因為從宋代以后就再也沒有這種拱橋再建的記錄。經(jīng)過二十余年的搜尋，直到20世紀70年代末，文物工作者在浙南和閩東北地區(qū)再次發(fā)現(xiàn)了同一類型的木拱橋，橋梁專家們終于確認北宋盛行的虹橋技術(shù)并未失傳（表1）。此后，這種貫木拱技術(shù)引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。

木拱廊橋曾風行于北宋，是我國木結(jié)構(gòu)橋梁的活化石，是中國傳統(tǒng)木構(gòu)橋梁中技術(shù)含量最高的一個品類，同時具有極高的傳統(tǒng)美學價值。其使用較短的建造材料而形成較大的結(jié)構(gòu)跨度，被認為是中國在世界橋梁史上的獨特構(gòu)造。唐寰澄先生在《中國科學技術(shù)史——橋梁卷》中稱“木拱廊橋是世界橋梁史上絕無僅有的一個品種，在世界橋梁史上唯中國有之”。2009年9月，中國木拱橋傳統(tǒng)營造技藝被列入聯(lián)合國《急需保護的非物質(zhì)文化遺產(chǎn)名錄》。建筑師王澍也是從中得到啟發(fā)，并將這種貫木拱結(jié)構(gòu)技術(shù)運用到了自己的建筑實踐中。

王澍的貫木拱結(jié)構(gòu)實踐

超輕村項目

建筑師王澍的“超輕村項目-臨時居住單元”是應日本震后項目“人類家園”（Home-for-All）之邀所做的設計。這一項目以解決震后房屋短缺為目標，要求輕質(zhì)以及速成的設計方案。因此，王澍構(gòu)想了一個受災人員能夠自行迅速開展起來的建筑工程，源自北宋的貫木拱結(jié)構(gòu)技術(shù)因其輕便高效而成為其結(jié)構(gòu)選型當仁不讓的首選。每棟臨時房屋是由大約400根木條、少量鉚釘和風鉤組成的“臨時建筑”，通過在頂層鋪上透明有機板，可以實現(xiàn)遮風擋雨，一個單元內(nèi)可供四口之家生活（圖9～12）。

中國美術(shù)學院象山校區(qū)專家接待中心

2013年竣工的中國美術(shù)學院象山校區(qū)專家接待中心，整個建筑的屋頂由一片木構(gòu)架大屋頂整體覆蓋。但并未使用大尺寸木梁，僅僅使用小尺寸的松木木方，采用同樣的貫木拱結(jié)構(gòu)技術(shù)搭接而成。象山校區(qū)的大屋頂以極小的木材截面實現(xiàn)了巨大的跨度，一千年前古畫中的造橋技術(shù)仍然能在現(xiàn)代的建筑設計中發(fā)揮作用，讓人不能不驚嘆傳統(tǒng)木構(gòu)技術(shù)的巨大潛力。比起眾多仿古建筑對中國古建筑大屋頂“形”的仿摹，這種對古代營造技術(shù)的繼承和發(fā)展是更加本質(zhì)的哲學層面的血脈聯(lián)系，讓古代技術(shù)在現(xiàn)代有了新的生命力（圖13）。

作為世界共同遺產(chǎn)的貫木拱結(jié)構(gòu)技術(shù)

需要指出的是，貫木拱結(jié)構(gòu)技術(shù)作為一種利用小木構(gòu)件形成大跨度的技術(shù)，實際并非為中國專有?！肚迕魃虾訄D》中的虹橋結(jié)構(gòu)，在達芬奇（公元1452年～1519年）的手稿中也有出現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)被稱為“Leonardo da Vincis Bridge”（達芬奇的橋）（圖14）?！般晁鐦颉焙汀斑_芬奇的橋”都屬于貫木拱結(jié)構(gòu)基本形式的演化?？梢?，通過一定的設計，貫木拱結(jié)構(gòu)可以演變出多種形式。

那么在達芬奇之前，貫木拱結(jié)構(gòu)技術(shù)是何時開始的？新石器時代的小屋、愛斯基摩人和印第安人的帳篷結(jié)構(gòu)與貫木拱結(jié)構(gòu)的最簡模式類似，有可能產(chǎn)生類似的結(jié)構(gòu)，但因為無法保存，已不可考。歐洲13世紀的著名建筑師和雕塑家Villard de Honnecourt（蘭斯主教堂、坎伯雷大教堂、拉昂大教堂的設計者），對如何使用較短的木材形成較大跨度的問題也有過研究，形成了非常類似的解決方案，這種方案主要用在建筑物的地板上（圖15，16）。另外，日本有證據(jù)表明在12世紀末有一位和尚秋根，曾用這種螺旋分層的木梁建設寺廟和神社，但并未留存至今。日本此種結(jié)構(gòu)的建筑相當多，均為現(xiàn)代建造。

貫木拱結(jié)構(gòu)的巧妙之處

對于“汴水虹橋”、“達芬奇的橋”的二維結(jié)構(gòu)而言，是以簡單而巧妙的節(jié)點設計使得兩根木材連接成拱。而對于三維結(jié)構(gòu)的穹頂而言，仍然是同樣的原理，其結(jié)構(gòu)的基本元素仍然是三角形，每個三角形的頂點是一個五點或六點鉸接的球形節(jié)點。

由于這種節(jié)點要承受多個方向的力，對強度和構(gòu)造設計要求較高，在還沒有現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)以及鋼鐵尚未發(fā)明的時候是難以制造的。而木拱技術(shù)正是把這種節(jié)點“拆解”和“簡化”，變成了兩根桿件之間的關(guān)系，以此回避了復雜的節(jié)點，通過“低技”的方式達到了同樣的效果。把多元關(guān)系簡化為二元關(guān)系，是此種節(jié)點的聰明之處。進入現(xiàn)代社會以來，多點鉸接球形節(jié)點的制造已非難事，這種木拱技術(shù)也就逐漸被球形節(jié)點所取代（圖17，18）。

貫木拱結(jié)構(gòu)的當代應用

在今天，貫木拱結(jié)構(gòu)技術(shù)通過結(jié)合現(xiàn)代工藝節(jié)點，仍然可以大有作為。木建筑的可再生、低成本、可預制裝配等特性，結(jié)合現(xiàn)代標準化的節(jié)點，是用于輕型建筑、臨時建筑的最優(yōu)選擇之一。國外廠家已經(jīng)有相應的節(jié)點設計，有輕型、重型等不同的結(jié)構(gòu)類型，足以應付各種情況下的需要（圖19，20）。輕型化的貫木拱技術(shù)并非只能用于建筑，其在家具、產(chǎn)品等設計領域亦有用武之地。比如，國內(nèi)時作設計研究室主持設計師趙英明運用貫木拱結(jié)構(gòu)原理設計研發(fā)了廊橋系列家具，所有構(gòu)件之間通過互相穿插、咬合、別壓而自然達到平衡與穩(wěn)定，可以自由組裝和拆卸，無需一釘一膠，卻堅固異常，可謂是將傳統(tǒng)廊橋智慧引入當代日常生活之中的典型設計（圖21）。又如，國外某公司也利用貫木拱結(jié)構(gòu)原理設計出兒童玩具，讓孩子在游戲的過程中探知基本的力學原理和結(jié)構(gòu)形式，并能體會古人的智慧，也不失為寓教于樂的科普方式（圖22）。

寫在最后

從蠻荒時代起，各種文明背景的人類先祖?zhèn)兏髯园l(fā)揮巧思，利用天然的木材建立容身之所，貫木拱結(jié)構(gòu)以其簡單、有效，成為他們不約而同的選擇，也成為了建筑史和結(jié)構(gòu)史上的一抹亮色，且至今仍然有用武之地，不得不贊嘆古人的創(chuàng)造力和巧思。希望通過此文能讓我們國內(nèi)更多的業(yè)內(nèi)人士來關(guān)注和發(fā)展貫木拱結(jié)構(gòu)技術(shù)，讓“汴水虹橋”這樣的巧思走出畫面，使古老的技術(shù)在當今煥發(fā)出新的生命力。

圖表來源

表1，圖2～7源自文[1]；圖13源自文[2]；圖16源自文[3]；其余源自相關(guān)網(wǎng)站。

參考文獻

[1] 唐寰澄. 中國木拱橋[M]. 中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] 王澍. 隔岸問山——一種聚集豐富差異性的建筑類型學[J]. 建筑學報，2014（1）.

[3] Olga Popovic Larsen. Reciprocal Frame Architecture[M]. Architectural Press，2008.