太原永祚寺無梁殿的建筑形制及結(jié)構(gòu)靜力性能研究

淳 慶，楊紅波，孟 哲，韓宜丹

(1． 東南大學(xué)建筑學(xué)院，江蘇南京 210096； 2． 東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇南京 210096)

0 引 言

磚砌無梁殿建筑流行于明代，是我國古代建筑中的特殊樣式，具有特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造和獨(dú)特的外部仿木構(gòu)殿堂式裝飾構(gòu)造手法，是中國特有的建筑遺產(chǎn)類型。明代磚砌無梁殿建筑全部采用青磚和石灰灰漿砌筑，整體結(jié)構(gòu)中沒有木梁和木柱構(gòu)件，故稱無梁殿。由于磚砌體的抗壓強(qiáng)度較高而抗拉強(qiáng)度較低，故無梁殿建筑多采用磚砌拱券結(jié)構(gòu)承受樓面或屋面荷載，盡量避免受彎構(gòu)件和受拉構(gòu)件的出現(xiàn)，該類型建筑遺產(chǎn)的結(jié)構(gòu)做法和建筑構(gòu)造做法都較為特殊，具有重要的歷史、藝術(shù)和科學(xué)價(jià)值。

目前，關(guān)于磚砌無梁殿的研究文獻(xiàn)已有不少：龔凱[1]從建筑歷史、建筑形制和營造技術(shù)等方面對(duì)明代磚砌無梁殿進(jìn)行了研究；過云靈[2]通過對(duì)北京地區(qū)的無梁殿建筑的考察和測(cè)繪，對(duì)其建筑特征和分類進(jìn)行了研究；朱馥藝[3]和王雪芹等[4]分別對(duì)隆昌寺無梁殿的建筑裝飾藝術(shù)進(jìn)行了研究；常青[5]對(duì)中國磚石拱頂建筑的歷史演變及其與外域的關(guān)系進(jìn)行了研究；金志強(qiáng)[6]對(duì)永祚寺無梁殿的建筑藝術(shù)以及負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)建造該建筑的妙峰法師的生平進(jìn)行了研究；馬琳瑜[7]研究了筒拱、丁字拱、十字拱和扶壁拱在黃土高原地區(qū)民居中的應(yīng)用及特點(diǎn)；王其亨[8]對(duì)清代拱券券形的基本形式——雙心圓的特點(diǎn)和應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究；趙守江等[9]采用有限元方法對(duì)故宮西華門的磚拱券的內(nèi)力和變形情況進(jìn)行了研究，并對(duì)其結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行了評(píng)估；淳慶等[10]采用精細(xì)測(cè)繪和有限元方法對(duì)明代石拱橋——襟湖橋的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了研究。綜上，目前學(xué)界關(guān)于無梁殿的研究主要偏重于建筑歷史、建筑美學(xué)和建筑構(gòu)造層面，雖有一些對(duì)于其它類型建筑遺產(chǎn)的結(jié)構(gòu)性能研究，但對(duì)于該類型建筑遺產(chǎn)科學(xué)技術(shù)方面的研究卻鮮有報(bào)道，本工作以明代磚砌無梁殿的代表之一——太原永祚寺無梁殿為例，對(duì)該類型建筑遺產(chǎn)的建筑形制和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究。

1 建筑形制研究

1．1 建筑概況

明代建造的磚砌無梁殿多為當(dāng)時(shí)的高僧妙峰和尚及其弟子們所設(shè)計(jì)建造，太原永祚寺無梁殿是其中最為經(jīng)典的無梁殿之一。永祚寺無梁殿位于太原市郝莊村南，建于明萬歷二十五年(公元1597年)，是明代中后期建造的兩層無梁殿中的經(jīng)典作品。據(jù)《山西通志》記載，該寺系明萬歷皇帝之母慈圣李太后出資，妙峰和尚所建。永祚寺寺院平面呈四合院，坐南朝北，整組建筑均為青磚磨磚砌筑。東西耳房為禪堂和客堂，無梁殿是寺中的大雄寶殿和三圣閣。無梁殿建筑外觀兩層，歇山筒瓦頂。底層面闊五間，進(jìn)深兩間，上層面闊三間，進(jìn)深兩間，上下層平面在結(jié)構(gòu)上并不對(duì)齊。圖1為永祚寺無梁殿的現(xiàn)狀照片。

為了弄清楚永祚寺無梁殿的真實(shí)幾何尺寸信息，并分析其建筑形制，對(duì)該建筑采用三維激光掃描儀(徠卡ScanStation P16)進(jìn)行了精細(xì)測(cè)繪。該掃描儀最大掃描范圍可達(dá)40 m，擁有360° 全視場掃描范圍以及100萬點(diǎn)/s的超高速掃描速率。圖2為該建筑的掃描云圖，圖3為基于精細(xì)測(cè)繪后生成的縱、橫剖面圖。

1．2 建筑形制分析

在不考慮兩側(cè)耳房的情況下：永祚寺無梁殿建筑的底層面闊L=19．6 m，進(jìn)深W=11．9 m，L/W≈1．65∶1；二層面闊L=16．8 m，進(jìn)深W=10.0 m，L/W=1．68∶1。永祚寺無梁殿殿內(nèi)底層中三間為一橫向筒拱，兩梢間各為一縱向筒拱，二層為三開間，兩側(cè)次間各為一個(gè)橫向筒拱，明間為磚疊澀八角穹窿藻井。永祚寺無梁殿的磚塊尺寸主要為340 mm×180 mm×70 mm，灰縫寬5～10 mm，磚的長寬高比例接近5∶2．5∶1，砌筑方式主要為順磚錯(cuò)縫的式樣。

明代無梁殿立面構(gòu)圖呈現(xiàn)一定的傳統(tǒng)木構(gòu)建筑特點(diǎn)，即分為臺(tái)基、墻柱構(gòu)架和屋頂三部分，卻又不似傳統(tǒng)木構(gòu)建筑的三段均等處理，而是采取突出墻身的局部強(qiáng)調(diào)手法。明代中后期無梁殿的臺(tái)基在立面構(gòu)圖上分量較小，永祚寺無梁殿臺(tái)基與地坪僅一級(jí)臺(tái)階之差。無梁殿建筑屋頂與傳統(tǒng)木構(gòu)建筑屋頂最顯著的不同之處就是無梁殿屋頂出檐較小，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，永祚寺無梁殿出挑為840 mm，屋角的沖翹值也不大，這是由于建造材料的限制——無梁殿采用的是磚疊澀出挑。

永祚寺無梁殿的屋面形式為歇山頂，無梁殿的歇山頂外觀樣式大多為官式建筑屋面樣式。根據(jù)現(xiàn)場測(cè)量，永祚寺無梁殿的總舉高為H=3．820 m，前后撩檐枋心間長度B=10．870 m，H/B=3．820/10.870≈1/2．85，比較接近《梁思成全集》第七卷[11]中“大木作制作圖樣二十六，舉折之制”中的總舉高H/前后撩檐枋心間長度B=1/3。而根據(jù)郭華瑜的《明代官式建筑大木作》[12]，舉高在明代有明顯加大趨勢(shì)，H/B值基本集中在1/3．2～1/2．7之間。永祚寺無梁殿的H/B值是在這個(gè)范圍中的，因此永祚寺無梁殿的屋面舉折更接近于明代官式大木作的做法。由于無梁殿建筑的特殊形式，檐部飛椽和檐椽幾乎為水平方向，屋架每一折的高度與《梁思成全集》中“大木作制作圖樣二十六，舉折之制”中的并不吻合。如果按照明代后期的舉架之法推算，把永祚寺無梁殿屋面分為五步架，每步架約為1 100 mm(圖4)。該建筑進(jìn)深的每步架舉高與各步架的比值如表1所示。

表1 永祚寺無梁殿的屋面舉高與步架的關(guān)系

從圖4和表1可以看出，永祚寺無梁殿基本符合明代官式木構(gòu)建筑的特點(diǎn)：

1) 永祚寺無梁殿的總舉高H/前后撩檐枋心間長度B約為1/2．85，在明代官式木構(gòu)建筑H/B值的范圍(1/3．2～1/2．7)內(nèi)。

2) 明代官式建筑脊部陡峻，舉高多在十舉上下。推斷由于無梁殿建筑的特殊形式，建筑的拱券上部需要一定的重量，而檐部磚構(gòu)飛椽檐椽出挑的需要，幾乎呈現(xiàn)水平方向，這些導(dǎo)致了脊步更加陡峻，永祚寺的脊步H/B值超過了1．3。

此外，筆者也對(duì)永祚寺無梁殿的室內(nèi)主拱券和室外門窗拱券的矢跨比進(jìn)行了分析(表2)。

表2 永祚寺無梁殿的拱券矢跨比

由表2可以看出，永祚寺無梁殿的主拱券的矢跨比基本都接近0．5，而門窗拱券的矢跨比基本都接近0．6，因此可以認(rèn)為永祚寺無梁殿的室內(nèi)主拱券為半圓拱，而室外門窗拱券為雙心圓。

2 結(jié)構(gòu)性能分析

為了了解永祚寺無梁殿的結(jié)構(gòu)性能和結(jié)構(gòu)安全現(xiàn)狀，在精確測(cè)繪和現(xiàn)場檢測(cè)的基礎(chǔ)上采用ANSYS軟件對(duì)無梁殿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬計(jì)算，分析其在靜力作用下的主體結(jié)構(gòu)的受力特性。

2．1 材性分析

根據(jù)現(xiàn)場材料性質(zhì)測(cè)定、測(cè)繪數(shù)據(jù)和相關(guān)文獻(xiàn)資料，按偏保守的原則取值。

永祚寺無梁殿為磚石結(jié)構(gòu)，根據(jù)磚抗壓強(qiáng)度、灰漿抗壓強(qiáng)度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50003—2011)，并按偏保守的原則進(jìn)行參數(shù)取值：磚砌體取彈性模量為3．024 GPa，密度1990為kg/m3，泊松比為0．15，其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.35 MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為0．17 MPa。永祚寺無梁殿屋頂活荷載取0．7 kN/m2，二層樓面活荷載取3．5 kN/m2，恒荷載均取自磚石砌體結(jié)構(gòu)自重。恒荷載組合系數(shù)取1．2，活荷載組合系數(shù)取1.4。采用商用有限元軟件ANSYS(12．0版本)建立實(shí)體模型，并劃分單元。模型采42．6萬個(gè)SOLID45單元(磚砌體)，計(jì)算時(shí)采用線彈性分析方法，假設(shè)不考慮原有結(jié)構(gòu)缺陷，有限元模型如圖5所示。

2．2 結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算結(jié)果

對(duì)永祚寺無梁殿進(jìn)行了靜力作用下的分析，圖6為永祚寺大殿在靜力作用下的變形位移圖。對(duì)于磚石砌體等脆性材料，其拉、壓應(yīng)力的最大值方向往往不平行于坐標(biāo)系X、Y、Z軸，因此宜選取第一主應(yīng)力及第三主應(yīng)力進(jìn)行分析。第一主應(yīng)力即最大拉應(yīng)力，超過砌體材料抗拉強(qiáng)度即產(chǎn)生拉裂；第三主應(yīng)力即最大壓應(yīng)力，超過砌體材料抗壓強(qiáng)度即產(chǎn)生壓潰。

圖6為永祚寺無梁殿在靜荷載作用下的變形圖，由圖6可以看出，在靜荷載作用下，該建筑二層磚構(gòu)整體有向北傾斜的趨向，究其原因：二層磚構(gòu)南墻荷載可以直接傳遞至一層磚構(gòu)南墻，它們?cè)谪Q直方向上是連續(xù)的；而二層磚構(gòu)北墻落于一層北側(cè)磚拱上，其豎向剛度小于實(shí)心墻體。因此其豎向變形較大從而導(dǎo)致二層樓面北側(cè)豎向位移大于南側(cè)，故二層磚構(gòu)整體有向北傾斜的趨勢(shì)。若一層北側(cè)磚拱出現(xiàn)開裂或灰漿流失，則會(huì)加重二層磚構(gòu)整體向北傾斜，本次三維掃描測(cè)繪的結(jié)果驗(yàn)證了該建筑存在輕微的向北傾斜跡象。

圖7為永祚寺無梁殿在靜荷載作用下的第一主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。由圖7看以看出，第一主應(yīng)力最大值為0．312 MPa，而該建筑磚砌體的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為0．17 MPa，砌體構(gòu)件在第一主應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的部位易發(fā)生拉裂。由計(jì)算分析可得，第一主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在一層中間拱和稍間拱之間的隔墻拱頂處。由于二層除南墻外，豎向荷載均沒有直接落于一層墻體上，而是施加在一層磚拱上部，因此，一層中間拱和稍間拱之間的隔墻就會(huì)承受較大壓力，隔墻拱頂部形變而產(chǎn)生較大拉應(yīng)力。除此之外，易發(fā)生開裂的位置還有一層稍間拱券的端部、一層中間拱券的角部和二層門拱頂部。分析結(jié)果與永祚寺無梁殿現(xiàn)場一層稍間拱券出現(xiàn)的裂縫位置較為吻合。

圖8為永祚寺無梁殿在靜荷載作用下的第三主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，由圖8看以看出，第三主應(yīng)力最大值為1．40 MPa，而材料的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1．35 MPa，砌體構(gòu)件在第三主應(yīng)力超過抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的部分易發(fā)生壓潰。通過應(yīng)力云圖可以看出壓應(yīng)力在靜荷載作用下從上到下逐漸增大，在北側(cè)拱門底腳處易產(chǎn)生較大壓應(yīng)力。由計(jì)算分析可知，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在無梁殿一層北墻東側(cè)和西側(cè)的窗拱角部。由于該拱窗左右兩側(cè)剛度差異較大，荷載作用下拱窗靠近中間一側(cè)的位移變形大。此外，易發(fā)生壓裂的位置還有無梁殿一層北側(cè)的中間兩個(gè)拱腳墻體。

3 結(jié) 語

太原永祚寺無梁殿是明代磚砌無梁殿的代表案例，對(duì)該類型建筑遺產(chǎn)的建筑形制和結(jié)構(gòu)性能的研究是制定其保護(hù)修繕方法的基礎(chǔ)。筆者希望通過對(duì)該無梁殿的建筑形制和結(jié)構(gòu)性能研究，提供一些有價(jià)值的結(jié)論：

1) 永祚寺磚砌無梁殿的建筑形制符合明代官式木構(gòu)建筑的特點(diǎn)，永祚寺無梁殿的總舉高H/前后撩檐枋心間長度B約為1/2．85，在明代官式木構(gòu)建筑H/B值的范圍(1/3．2～1/2．7)內(nèi)；該建筑脊部陡峻，脊步H/B值超過了1．3；室內(nèi)主拱券為半圓拱，而室外門窗拱券為雙心圓。

2) 永祚寺無梁殿一層中間拱和稍間拱之間的隔墻拱頂、一層稍間拱券的端部和一層中間拱券的角部由于拉應(yīng)力較大易出現(xiàn)開裂；無梁殿一層北墻東側(cè)和西側(cè)的窗拱角部、一層北側(cè)的中間兩個(gè)拱腳墻體由于壓應(yīng)力較大易出現(xiàn)壓裂。因此，建議后期在對(duì)該建筑的加固修繕中，重點(diǎn)對(duì)這些部分進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)處理。

3) 在對(duì)該類型建筑遺產(chǎn)加固修繕設(shè)計(jì)前，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)繪、材料檢測(cè)、殘損調(diào)研以及主體結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析，找出其外在和隱藏的病害或缺陷，為加固修繕設(shè)計(jì)提供科學(xué)可靠的依據(jù)。

4) 考慮到該類型建筑遺產(chǎn)多數(shù)位于抗震設(shè)防區(qū)域，因此在下一步的研究中，尚需對(duì)該類型建筑遺產(chǎn)的抗震性能進(jìn)行研究。