茂木町文化交流館茂密的森林
——區(qū)域內(nèi)自有的雪松所建造的文化設(shè)施

山田憲明 陸洋（翻譯）

山田憲明構(gòu)造設(shè)計(jì)事務(wù)所

1 建筑鳥(niǎo)瞰

建設(shè)地點(diǎn)：日本栃木縣芳賀郡茂木町

建筑設(shè)計(jì)：內(nèi)田文雄＋龍環(huán)境計(jì)畫(huà)畫(huà)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：山田憲明構(gòu)造設(shè)計(jì)事務(wù)所

用途：復(fù)合設(shè)施（圖書(shū)館、美術(shù)館、體驗(yàn)館、咖啡廳）

建筑面積：2 977.74 m2

建筑規(guī)模：地上2層

建筑結(jié)構(gòu)：木結(jié)構(gòu)＋混凝土＋鋼結(jié)構(gòu)

建成時(shí)間：2016

1 建筑概要

“茂密的森林”是一座占地面積2 977m2，以兩層木結(jié)構(gòu)圖書(shū)館為中心的文化交流建筑（圖1～3）。項(xiàng)目所在地為日本櫪木縣茂木町，當(dāng)?shù)毓步ㄖ偸且猿浞掷帽镜啬静臑榍疤?，如茂木中學(xué)等新建木結(jié)構(gòu)建筑及一些現(xiàn)存建筑的內(nèi)部裝飾都是木結(jié)構(gòu)或者“木質(zhì)化”的優(yōu)秀成果。城市對(duì)木材和木結(jié)構(gòu)的使用意識(shí)很高，從方案階段開(kāi)始就會(huì)強(qiáng)烈要求設(shè)計(jì)人員將活用本地木材列入設(shè)計(jì)計(jì)劃之中。而市政府對(duì)木材的采購(gòu)和品質(zhì)的管理也操作嫻熟，事先通過(guò)先行分類訂單，從城市區(qū)域內(nèi)的林場(chǎng)采購(gòu)木材，而在櫪木縣林業(yè)中心，木材的含水率計(jì)測(cè)等程序也會(huì)盡早安排進(jìn)行。

根據(jù)當(dāng)?shù)啬静恼{(diào)配的日程表，被用作主要結(jié)構(gòu)材料的原木材被砍伐的時(shí)間是在方案設(shè)計(jì)階段（2013年，即平成25年）的冬天，而那個(gè)時(shí)候整個(gè)建筑的木結(jié)構(gòu)體系及桿件尺寸都還沒(méi)有確定下來(lái)。這些被提前砍伐的原木材大多直徑約200～300mm，長(zhǎng)3～4m，有少部分木材長(zhǎng)度可達(dá)6m。從這些已被砍伐下來(lái)的原木材尺寸出發(fā)，實(shí)際能裁得的結(jié)構(gòu)木材截面為120mm×180～240mm，長(zhǎng)4m左右。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會(huì)基于這個(gè)尺寸的木材進(jìn)行深化。

一方面，本案作為地區(qū)的文化交流設(shè)施，集圖書(shū)館、畫(huà)廊、研修室、咖啡館等多種用途于一身。為了滿足防火規(guī)范的設(shè)計(jì)要求，將本案作為普通木結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)，需要使用混凝土結(jié)構(gòu)將木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行分隔，將每個(gè)區(qū)域的面積控制在1 000m2以內(nèi)，則可以不需要對(duì)每個(gè)木結(jié)構(gòu)部分的區(qū)域進(jìn)行高等級(jí)防火處理，由此將整個(gè)建筑分成5個(gè)部分，每一個(gè)部分的房屋屋頂造型各異，不同高度和寬度的房間也造就了整個(gè)建筑的多樣性?；谶@樣的原因形成的屋頂和房間的形狀、尺寸等，將成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)條件，根據(jù)各個(gè)部分的房間用途來(lái)設(shè)計(jì)和選擇相應(yīng)的木材尺寸，不僅可以滿足整體建筑的統(tǒng)一性，也展現(xiàn)了各部分建筑空間的特殊性和獨(dú)立性。

另外，本案在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的另外一個(gè)重點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)有建筑物的充分利用?；貎?nèi)包含一座擁有300年歷史的酒店用地，其中殘存了許多木結(jié)構(gòu)的設(shè)施，受1986年8月的10號(hào)臺(tái)風(fēng)造成的大洪水的影響，建筑的許多結(jié)構(gòu)構(gòu)件和墻壁早已嚴(yán)重受損，如果想要再利用的話，預(yù)計(jì)會(huì)需要大量的修繕經(jīng)費(fèi)，所以大部分建筑物不得不做出拆除的決定。可以修復(fù)的部分包括兩座受損較輕的200年歷史的倉(cāng)庫(kù)，而修繕之后將作為美術(shù)展覽館再次展現(xiàn)在人們面前。但是為了能更好地判斷現(xiàn)存建筑材料再利用的可能性，并適應(yīng)現(xiàn)行規(guī)范及法規(guī)，需要將老舊建筑落架拆解大修，這也是一項(xiàng)繁重而艱難的課題。

2 近景外觀

3 平面圖

4 居民畫(huà)廊和右側(cè)的展示畫(huà)廊

5 居民畫(huà)廊的結(jié)構(gòu)方案

6 居民畫(huà)廊施工現(xiàn)場(chǎng)

7 居民畫(huà)廊內(nèi)景

2 居民畫(huà)廊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

居民畫(huà)廊是位于建筑用地東側(cè)的一層建筑，是從大馬路方向走過(guò)來(lái)人們最先看到的建筑。建筑的平面為8.1m×25.8m的細(xì)長(zhǎng)形布局。位于居民畫(huà)廊北側(cè)的是將原有倉(cāng)庫(kù)經(jīng)過(guò)修繕改建而重新設(shè)計(jì)的“展示畫(huà)廊”，南側(cè)的屋檐下設(shè)置長(zhǎng)廊，而位于長(zhǎng)廊和展示畫(huà)廊之間的原當(dāng)鋪倉(cāng)庫(kù)被改建成“收藏畫(huà)廊”。

設(shè)計(jì)的主要限制條件是屋頂?shù)母叨取Ｓ捎凇熬用癞?huà)廊”的屋頂需要位于“展示畫(huà)廊”的屋檐以下，所以只能設(shè)計(jì)為坡度1.5/10的較平緩單坡屋頂（圖4）。而如何在保證跨度的同時(shí)保證室內(nèi)空間便成了重要的課題。

如果在梁間方向的8.1m跨度上設(shè)置桁架或張弦梁，則無(wú)法確保室內(nèi)空間的凈高。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)分析，最終決定采用“交疊梁”結(jié)構(gòu)，即使結(jié)構(gòu)高度較小，也能順利實(shí)現(xiàn)大跨度的設(shè)計(jì)需求。具體設(shè)計(jì)如下，從“展示畫(huà)廊”邊緣設(shè)寬度為2.1m的走道，在走道邊緣設(shè)置一排立柱，走道一側(cè)的屋頂主梁以及南側(cè)連廊部位的屋頂主梁分別向中間挑出，中間采用約5m長(zhǎng)的木材作為屋頂梁的主要構(gòu)件（圖5～7）。這樣不僅可以用短于6m的木材來(lái)實(shí)現(xiàn)屋頂?shù)目缍龋瑫r(shí)在彎矩和變形方面也實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)體系。

將截面尺寸為60mm×240mm的窄小木材作為垂木排列在600m跨度的屋頂主梁之上，從屋頂?shù)酵鈧?cè)連廊依次排列，能夠抑制雪荷載和風(fēng)荷載造成的不對(duì)稱變形，同時(shí)也能使接合部位的節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)單而統(tǒng)一。在靠近“展示畫(huà)廊”的一側(cè)，結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)選擇在彎矩幾乎為零的位置，也有效地簡(jiǎn)化了節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜程度。在抵抗水平方向荷載時(shí)，盡量確保各畫(huà)廊外圍墻壁以構(gòu)造用合板組成剪力墻，這些剪力墻也是抵抗地震荷載的最重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，同時(shí)也可以保證室內(nèi)空間的開(kāi)放性。

3 交流廣場(chǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

“交流廣場(chǎng)”是平面尺寸為12.6m×10.8m的平屋頂建筑，屋頂是角度為4.5/10的尖頂雙坡設(shè)計(jì)。基于使用功能的需求，內(nèi)部設(shè)計(jì)為無(wú)立柱的開(kāi)放空間。為了確保側(cè)墻采光率，如何盡可能地開(kāi)設(shè)窗口成為了重要的設(shè)計(jì)課題。

一般情況下，對(duì)于坡度較大的雙坡尖屋頂，利用屋頂形狀在橫剖方向設(shè)計(jì)三角桁架是比較普遍的做法。由于下弦的高度主要由坡屋頂與外側(cè)墻壁交點(diǎn)的高度決定，整個(gè)室內(nèi)空間將受到較大的影響。因此，特將縱向的主要結(jié)構(gòu)都設(shè)計(jì)成階梯式桁架結(jié)構(gòu)，橫向則根據(jù)階梯高度設(shè)置常規(guī)桁架，在保證屋頂結(jié)構(gòu)體系完整合理的同時(shí)，盡可能保證室內(nèi)空間的高挑（圖8，9）。

上下弦的木材無(wú)法用一根完整木材完成10.8m的跨度，因此要在梁跨中間設(shè)置節(jié)點(diǎn)。另一方面，由于木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抵抗較大軸向拉力的強(qiáng)度相對(duì)較差，因此下弦節(jié)點(diǎn)應(yīng)設(shè)計(jì)在軸向拉力不是很大的部位較為合適。因此，在橫向的常規(guī)桁架結(jié)構(gòu)中，斜拉桿件采用截面為圓形的實(shí)心鋼索。這樣的設(shè)計(jì)使得下弦左右兩側(cè)的端部幾乎沒(méi)有軸力，節(jié)點(diǎn)可以采用較為簡(jiǎn)單的榫卯連接方式，也實(shí)現(xiàn)了全部使用4m以下的固定尺寸木材，完成10.8m跨距的大屋頂設(shè)想。同時(shí)，由于上弦材內(nèi)力主要是軸向壓力，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)也較為簡(jiǎn)便。而縱向階梯狀的截面設(shè)計(jì)可以有效地輔助橫向桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，防止下弦出現(xiàn)平面外的擺動(dòng)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)（圖10，11）。

對(duì)水平方向荷載的抵抗，以及作為抗震的重要結(jié)構(gòu)組成，是位于建筑兩端的混凝土結(jié)構(gòu)防火墻（山墻），水平方向的荷載可以通過(guò)屋頂平面布置的構(gòu)造用合板將力傳遞至混凝土山墻之中。由此，“交流廣場(chǎng)”整個(gè)建筑的側(cè)墻，不再必須具有抗側(cè)力的功能，而只是負(fù)責(zé)通過(guò)立柱來(lái)傳遞垂直方向的荷載，因此在側(cè)墻上設(shè)置較大開(kāi)口的采光窗計(jì)劃也得以順利進(jìn)行。

4 圖書(shū)館的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖書(shū)館為27.0m×16.2m的長(zhǎng)方形建筑，采用金屬板屋頂，1.5/10的單坡屋頂，室內(nèi)空間的高度要求較高。二層大部分面積為挑空，而為了支撐位于二層的書(shū)架，同時(shí)保證墻壁抗側(cè)力的強(qiáng)度，只能將從基礎(chǔ)到二層地板高度以下的部分全部設(shè)計(jì)為混凝土結(jié)構(gòu)，而這樣也使得屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為了最大的難題。

在圖書(shū)館中間部位，將一部分二層樓板邊緣的欄桿直接通頂，以減小屋頂桁架跨度的方案也曾被考慮過(guò)。不過(guò)，鑒于外墻下部混凝土結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的優(yōu)越性，將力直接傳遞至混凝土結(jié)構(gòu)上仍然是值得期待的方案，因此最終決定嘗試采用16.2m整垮的木結(jié)構(gòu)桁架體系。

從建筑剖面的設(shè)計(jì)來(lái)看，屋頂最上部為水平設(shè)計(jì)，因此首先考慮的是將桁架設(shè)計(jì)為中部下凸的拋物線形狀，用懸空柱連接上下弦。但是這樣的設(shè)計(jì)，屋頂僅能承受均勻分布的屋面荷載，而雪荷載、風(fēng)荷載以及部分設(shè)備產(chǎn)生的活荷載往往都是不均勻分布的荷載工況。為了能夠更好地滿足不均勻分布荷載工況，嘗試了對(duì)下凸桁架結(jié)構(gòu)的完善和加固。不過(guò)并不是簡(jiǎn)單地在懸空柱之間增加斜拉索，而是重新設(shè)置一根上拱的弦材，按照下凸的下弦進(jìn)行鏡像布置，配合形成完整的桁架體系，成為了屋頂結(jié)構(gòu)主體的一部分。拱形弦材可以更加順暢地將屋頂?shù)呢Q向荷載傳遞至下部結(jié)構(gòu)中（圖12）。

由于下凸弦材與拱形弦材在跨中間有交叉點(diǎn)，因此將承載軸向壓力的拱形弦材截面設(shè)計(jì)為120mm×180mm的單根木材，而將主要承載軸向拉力的下凸弦材設(shè)計(jì)為一組兩根截面尺寸為60mm×120mm的形式，從而解決了兩根弦材交點(diǎn)相互干擾的問(wèn)題（圖13）。兩種弧形弦材都采用長(zhǎng)度為2m的直線木材，通過(guò)組合形成近似拋物線的折線結(jié)構(gòu)（圖14～16），這一結(jié)構(gòu)體系也可以理解為大跨度“類張懸梁”與拱形結(jié)構(gòu)體系錯(cuò)位結(jié)合的組合結(jié)構(gòu)。

8 交流廣場(chǎng)的結(jié)構(gòu)方案

9 交流廣場(chǎng)結(jié)構(gòu)立體示意圖

10 交流廣場(chǎng)施工現(xiàn)場(chǎng)

11 交流廣場(chǎng)內(nèi)景

12 圖書(shū)館結(jié)構(gòu)方案

5 現(xiàn)存?zhèn)}庫(kù)的重生

被設(shè)計(jì)為展覽館的原采購(gòu)倉(cāng)庫(kù)，外立面立柱腐蝕損毀嚴(yán)重，為了與新建建筑融為一體，我們決定將整個(gè)倉(cāng)庫(kù)落架檢修，全部拆解之后再判斷原有木材是否具有再利用的價(jià)值。在所有設(shè)計(jì)施工人員參與分析討論之后得出結(jié)論，除了立柱外，其他所有木材全部可以復(fù)原再利用。但是，由于柱腳和登梁端部嚴(yán)重腐朽，在設(shè)計(jì)中采用了全新的木材以銜接修復(fù)的方式展現(xiàn)（圖17，18）。而外側(cè)立面幾乎全部都設(shè)計(jì)為抗震必須的剪力墻結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)用合板建造。

13 懸架拱施工詳圖

14 圖書(shū)館懸架拱組裝現(xiàn)場(chǎng)

15 圖書(shū)館的懸架拱吊裝施工

16 圖書(shū)館內(nèi)景

17 原采購(gòu)倉(cāng)庫(kù)修繕再利用施工現(xiàn)場(chǎng)

18 展示畫(huà)廊完整再現(xiàn)原采購(gòu)倉(cāng)庫(kù)景致

19 倉(cāng)庫(kù)腐朽狀況調(diào)查

20 當(dāng)鋪倉(cāng)庫(kù)的原貌

21 原當(dāng)鋪倉(cāng)庫(kù)修繕為收藏畫(huà)廊

被設(shè)計(jì)為“收藏畫(huà)廊”的原當(dāng)鋪倉(cāng)庫(kù)，在設(shè)計(jì)階段被認(rèn)定為保存狀態(tài)較好，僅需實(shí)施局部性的修理，總體上原有的立柱、土墻以及其他結(jié)構(gòu)均可直接利用。但是，修繕保養(yǎng)工作開(kāi)始之后，當(dāng)外墻遮擋被拆除之后，先前被認(rèn)為保存良好的墻壁內(nèi)部以及立柱底部，仍然暴露出嚴(yán)重腐朽的狀態(tài)，需要現(xiàn)場(chǎng)重新審查討論修復(fù)計(jì)劃（圖19，20）。特別是外圈立柱的端頭和底部，截面積一半以上幾乎已經(jīng)腐朽殆盡，所有立柱也都出現(xiàn)了搖搖欲墜的情況。因此，在使用原來(lái)土墻的基礎(chǔ)上，利用較厚的土墻空間，用截面尺寸為4寸的正方形木材制作新的框架結(jié)構(gòu)，來(lái)承受豎直方向的荷載，同時(shí)增加結(jié)構(gòu)用合板來(lái)承受水平方向的荷載。這樣的修繕?lè)绞剑粌H最低限度地控制了時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，同時(shí)更加完整地保持了原有建筑的外形和風(fēng)貌（圖21）。