青島德占時(shí)期里院建筑西式木屋架建構(gòu)范式研究

成 帥 任永翔 劉 珊

1青島理工大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院（266033） 2 青島理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院（266033）

0 引言

青島里院建筑是一種合院式集合住宅與商業(yè)混合建筑，始于1897年德占時(shí)期的華人城區(qū)[1]。德占時(shí)期里院建筑采用由磚石承重墻、磚石拱券、木梁樓板、木屋架組成的磚（石）木混合建構(gòu)系統(tǒng)。建筑上部使用傳統(tǒng)中式抬梁屋架或西式木屋架，而后者在總量上占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，并且呈現(xiàn)出移植自德國(guó)本土傳統(tǒng)木屋架的特征，在形制、力學(xué)原理、構(gòu)件連接等方面與中國(guó)傳統(tǒng)木架結(jié)構(gòu)存在差異。

1 形制溯源—德國(guó)傳統(tǒng)木屋架

德國(guó)傳統(tǒng)木屋架有檁屋架和弦屋架兩種基本形式。在檁屋架中，縱向檁條直接支撐在室內(nèi)橫墻、山墻、屋梁上，或通過(guò)立柱支撐在梁上；檁條一旦斷裂，整個(gè)屋頂會(huì)完全塌陷，而檁條上的成對(duì)椽子則相對(duì)自由。弦屋架也被稱(chēng)為三角形屋架，由多個(gè)三角形桁架受力單元組成，每個(gè)單元由上弦桿 （椽子）、腹桿、下弦桿（屋梁）榫卯相接而成。在中間的各桿稱(chēng)為腹桿，腹桿又分為向跨中傾斜的斜腹桿和垂直于水平面的豎腹桿兩種類(lèi)型[2]。單元間通過(guò)縱向木桁條連接，如果一個(gè)桁架單元發(fā)生過(guò)載斷裂，通常只會(huì)造成局部損壞而不會(huì)影響整個(gè)屋頂?shù)姆€(wěn)定性。同檁屋架相比，三角形木屋架利用“幾何不變體系原理”將桁架間的內(nèi)力化為零[3]，受力更合理，并且大幅節(jié)省了木材用量。

最簡(jiǎn)單的檁屋架僅由檁條和椽子組成。由椽木產(chǎn)生的重力通過(guò)檁木傳遞到連接處或者連接墻上[4]。隨著長(zhǎng)度的增加，檁條需要通過(guò)立柱支撐在屋梁上，所形成的柱架在德語(yǔ)區(qū)被稱(chēng)為 “立凳”（德語(yǔ)：Stehendem Stuhl）。根據(jù)屋架截面內(nèi)立凳數(shù)量的不同，檁屋架又分為單立凳檁屋架（德語(yǔ)：Pfettendach mit einfach stehendem Stuhl）與雙立凳檁屋架（德語(yǔ)：Pfettendach mit zweifach stehendem Stuhl）。為分擔(dān)“立凳”上的荷載以實(shí)現(xiàn)更大跨度，還出現(xiàn)了雙斜撐梁屋架（德語(yǔ)：Doppeltes Sprengewerk）、單懸吊屋架（德語(yǔ)：Einfaches H ngewerk） 和雙懸吊屋架 （德語(yǔ)：Doppeltes H ngewerk） 等結(jié)合三角形或梯形桁架使用的檁屋架。青島里院中的檁屋架多移植自上述屋架形式，并多結(jié)合桁架進(jìn)行設(shè)計(jì)（見(jiàn)表1）。

表1 德國(guó)傳統(tǒng)檁屋架類(lèi)型

作為檁屋架替代方案的弦屋架則通過(guò)不同設(shè)計(jì)原理實(shí)現(xiàn)外部荷載的傳遞。不同形式弦屋架的桁架單元各不相同，最簡(jiǎn)單的桁架單元僅包含上弦桿和下弦桿，其受力原理與拱結(jié)構(gòu)相似。后來(lái)，隨著跨度的增加，為防止上弦桿、下弦桿斷裂或下垂，工匠會(huì)在桁架單元中添加各種木構(gòu)件，由此出現(xiàn)了對(duì)柱屋架（德語(yǔ)：Doppelter stehender stuhl）以及在英美被稱(chēng)為帝柱桁架（英語(yǔ)：Kingpost trusses）、后柱桁架（英語(yǔ)：queenpost trusses）的懸吊屋架。劉锳緒在其1910年編纂的《建筑新法》中，將后兩種屋架命名為“單柱陀架”與“雙柱陀架”?！督ㄖ路ā穼⑽菁芊Q(chēng)為“柁架”，其體現(xiàn)的仍是中國(guó)傳統(tǒng)建筑思維；之后稱(chēng)為“吊架”，才能夠反映屋架的基本受力特征，也體現(xiàn)出認(rèn)知的改變[5]。隨著屋架體量增大，為改善其縱向穩(wěn)定性，由縱向檁條和立柱組成的“立凳”被引入其中，形成立凳桁架；之后發(fā)展出多種變型，比如將“立凳”與豎向的受拉的柱子結(jié)合使用，并且通過(guò)若干層的凳子形成非常大的屋架[6]，其大體量的屋頂空間成為德國(guó)民居中的重要使用空間。由于需要額外室內(nèi)支撐的立凳結(jié)構(gòu)不適用于教堂等大面積無(wú)柱空間，后期便產(chǎn)生了與其原理相似的“躺椅”（德語(yǔ)：Liegender Stuhl）結(jié)構(gòu)，即將立柱傾斜放置，使屋架內(nèi)部荷載轉(zhuǎn)移到外墻附近，并在柱子之間設(shè)置橫向受壓的約束梁，使兩側(cè)立柱相互支撐（見(jiàn)表2）。

表2 德國(guó)傳統(tǒng)弦屋架類(lèi)型

2 德占時(shí)期里院建筑木屋架建構(gòu)范式

與德國(guó)傳統(tǒng)民居中的多層木屋架相比，由于里院建筑跨度不大，其屋頂因體量小而無(wú)法作為使用空間，設(shè)計(jì)師多采用單層雙坡屋架或跨度更小的單坡屋架，形式以檁屋架、對(duì)柱屋架、帝柱桁架為主。而更為復(fù)雜的后柱桁架、躺椅桁架等多層屋架在同時(shí)期體量更大的獨(dú)棟住宅或公建中出現(xiàn)較多，但并未出現(xiàn)在里院建筑中，這一點(diǎn)也體現(xiàn)出德國(guó)傳統(tǒng)木屋架被因地制宜地應(yīng)用在青島近代建筑中。

2.1 德占時(shí)期里院建筑中的檁屋架

在德占時(shí)期里院建筑中，檁屋架使用頻率要高于弦屋架。需要橫墻支撐的最簡(jiǎn)單的檁屋架僅出現(xiàn)在周季芳院落 （1907年） 和祥福地產(chǎn)25號(hào)院中（1901年）。相比于它，由檁條和支撐立柱所形成的立凳結(jié)構(gòu)可通過(guò)橫梁將屋頂荷載轉(zhuǎn)移到外縱墻上，一定程度上解放了室內(nèi)空間，該時(shí)期里院中的檁屋架多包含此類(lèi)結(jié)構(gòu)。單立凳檁屋架是最基本的形式，通常會(huì)設(shè)置檐檁和脊檁，跨度較小，僅出現(xiàn)在李村路14號(hào)院建筑（1911年）中，屋架跨度約為4.5 m，兩端架在外縱墻上，在每榀屋架截面內(nèi)設(shè)置一對(duì)“V”形斜撐，其底部與立柱底部相接，頂部支撐在椽子跨中以防止其斷裂；一對(duì)中部木釘蓋板將其余構(gòu)件固定在一起，并對(duì)屋架進(jìn)行橫向加強(qiáng)。

同時(shí)期里院建筑中的雙立凳檁屋架沿用了德國(guó)傳統(tǒng)形式，支撐椽子的中間檁條通過(guò)立柱支撐在屋梁上，梁端部檐檁的截面尺寸稍小于其余檁條。檁條和立柱間可設(shè)置角撐形成剛連接，以增加縱向穩(wěn)定性；并多在立柱側(cè)面設(shè)置斜桿，以增強(qiáng)屋架抵抗橫向荷載的能力。在此基礎(chǔ)上，還出現(xiàn)了包含脊檁的多立凳檁屋架，脊檁通過(guò)中柱支撐在屋梁或椽子跨中的木釘蓋板上。在這類(lèi)屋架中，椽子通過(guò)承接角口搭在檁條上（如圖1 所示），這些凹槽產(chǎn)生的水平支撐面方便垂直荷載的傳遞，但應(yīng)該盡可能小，否則會(huì)削弱椽子斷面的承載力。為避免這種情況發(fā)生，該時(shí)期里院建筑中出現(xiàn)了另外一種處理方式，每榀屋架中的成對(duì)椽子先由木釘蓋板固定，再放在檁條上，椽子上的受力可通過(guò)橫向蓋板傳遞到下方的柱架上，避免椽子跨中截面遭到破壞，同時(shí)木釘蓋板也充當(dāng)了連系梁（如圖2 所示）。

圖1 椽子與檁條的連接方式

圖2 河南路88號(hào)局部屋架設(shè)計(jì)圖

為實(shí)現(xiàn)更大的空間跨度，德占時(shí)期里院建筑中的檁屋架多延續(xù)德國(guó)傳統(tǒng)木屋架處理手法，結(jié)合三角形或梯形桁架原理分擔(dān)“立凳”上的荷載，以消除額外室內(nèi)支撐。運(yùn)用三角形桁架原理即在屋架截面內(nèi)設(shè)置一對(duì)平行于椽子的人字形支撐，以廣興里西側(cè)建筑為例，該房屋于1914年更換單立凳檁屋架并沿用至今，屋架跨度約為6.26 m，屋架截面內(nèi)人字形支撐的底部、頂部分別與屋梁、立柱榫卯相接，一方面其的作用與中式木屋架中的“叉手”類(lèi)似，可以增強(qiáng)屋架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；另一方面，其同屋梁形成頂部受力的三角形桁架，由于桿件底部靠近外墻，中柱上部分荷載通過(guò)斜桿轉(zhuǎn)化為向外的側(cè)推力和向下的壓力，并分別由屋梁及其端部的外墻承擔(dān)（如圖3 所示）?；谕瑯釉恚诶镌航ㄖ羞€出現(xiàn)了多立凳檁屋架結(jié)合單個(gè)或多個(gè)人字形支撐的做法。除此之外，這對(duì)支撐還起到直接承擔(dān)檁條荷載的作用，在天津路18～20號(hào)里院建筑中出現(xiàn)了此類(lèi)做法（如圖4 所示），該屋架跨度約為6.24 m，中間檁條上的荷載由人字形支撐和木釘蓋板的組合結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)移到屋梁端部的外墻上，通過(guò)減少屋架內(nèi)立柱數(shù)量來(lái)達(dá)到減少室內(nèi)支撐的目的。

圖3 廣興里西側(cè)建筑屋架現(xiàn)狀

圖4 天津路18-20號(hào)局部屋架設(shè)計(jì)圖

梯形桁架原理多與雙立凳檁屋架相結(jié)合。以寧波路20～24號(hào)（1914年）為例，該里院共兩進(jìn)院落，沿街二層建筑采用雙立凳檁屋架，跨度約為7.28 m；該結(jié)構(gòu)至今未發(fā)生改變（如圖5 所示）。兩根立柱之間設(shè)置了一根橫向約束梁，立柱側(cè)面各設(shè)置一根斜桿，既增強(qiáng)了屋架抵抗橫向荷載的能力，也與約束梁、屋梁形成梯形桁架。在分擔(dān)對(duì)稱(chēng)荷載時(shí)，約束梁受壓，屋梁、外墻分別用于抵抗斜桿帶來(lái)的側(cè)推力和壓力，因此斜桿底部往往榫接在屋梁上，并位于靠近外墻的位置。當(dāng)產(chǎn)生不均勻荷載時(shí)，則通過(guò)屋梁的彎曲剛度來(lái)抵抗。

圖5 寧波路20-24號(hào)院沿街建筑屋架設(shè)計(jì)圖

2.2 德占時(shí)期里院建筑中的弦屋架

德占時(shí)期里院建筑中的弦屋架均為單層，受木桿件長(zhǎng)度、強(qiáng)度以及房間跨度影響，簡(jiǎn)單三角形桁架單元和德國(guó)傳統(tǒng)立凳桁架僅出現(xiàn)在德占初期極少數(shù)里院建筑中，其余多以對(duì)柱屋架、帝柱桁架為主。在傳統(tǒng)對(duì)柱屋架中，由頸梁和立柱組成的柱架承受壓力。除此類(lèi)屋架外，部分里院建筑中的對(duì)柱屋架還結(jié)合懸吊系統(tǒng)跨越了更遠(yuǎn)距離，在山西路11號(hào)（1913年）里院建筑中，頸梁被中柱懸吊著，其所受的部分壓力通過(guò)吊柱傳遞到兩側(cè)上弦桿以減少下部立柱所受壓力，減輕了屋梁負(fù)擔(dān)，減少了支撐墻體的數(shù)量（如圖6 所示）。

圖6 山西路11號(hào)號(hào)局部屋架設(shè)計(jì)圖

以高密路28～32號(hào)院為例，沿街二層房屋建于德占時(shí)期，屋架形式至今并未發(fā)生改變。每個(gè)桁架單元均為帝柱桁架，但做法較簡(jiǎn)略。兩根主弦桿頂部、底部分別與中央主柱、屋梁榫卯相接，主柱懸掛著連系梁；為了防止上弦桿斷裂，還設(shè)置了兩根從主柱底部升起并支撐在上弦桿跨中的斜桿，它們是受壓構(gòu)件。主柱通常處于張力狀態(tài)，系梁和主弦桿的接頭相當(dāng)復(fù)雜[7]。屋面荷載以及立柱所受的拉力、接頭處的壓力由兩側(cè)上弦桿分解成側(cè)推力和壓力，分別由屋梁和梁端部外墻承擔(dān)。

3 結(jié)語(yǔ)

按始建時(shí)間和類(lèi)型對(duì)出現(xiàn)在里院建筑中的56個(gè)屋架進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)（如圖7 所示），可發(fā)現(xiàn)1910年前檁、弦兩類(lèi)屋架的使用頻率相差不大，并且平均跨度基本相同，分別為6.61 m 和6.8 m，均可滿(mǎn)足跨度需求。相較于弦屋架，檁屋架成熟較早，在始建于1901年的即墨路14～18號(hào)里院建筑中就出現(xiàn)了成熟的多立凳檁屋架做法。除了帶立凳結(jié)構(gòu)的屋架外，在此時(shí)期已經(jīng)出現(xiàn)了結(jié)合三角形和梯形桁架原理以分擔(dān)屋架內(nèi)力的檁屋架，但該時(shí)期的弦屋架仍以發(fā)展較不成熟的對(duì)柱屋架為主，這可能是因當(dāng)時(shí)的工匠對(duì)于弦屋架受力原理認(rèn)知不足而導(dǎo)致的。出現(xiàn)于1910年后的帝柱桁架則反映了人們對(duì)于三角形桁架結(jié)構(gòu)認(rèn)知的巨大飛躍，更合理的受力結(jié)構(gòu)使其逐步替代對(duì)柱屋架，成為弦屋架的主流形式。

圖7 德占時(shí)期里院建筑西式木屋架形制不完全統(tǒng)計(jì)圖譜

1910年后，以結(jié)合三角形和梯形桁架原理為主的檁屋架的使用頻率遠(yuǎn)高于弦屋架。究其原因，一方面是由于其對(duì)榫卯施工工藝的要求相對(duì)簡(jiǎn)單；另一方面，用地最大化導(dǎo)致設(shè)計(jì)者采用了緊貼不規(guī)則地界線(xiàn)的設(shè)計(jì)模式，從而形成了不規(guī)則屋頂平面，并且部分房間需要在其上部加設(shè)老虎窗以增加通風(fēng)采光。檁屋架通用性更強(qiáng)，其由立柱和縱向檁條組成的承重柱架不僅能滿(mǎn)足不規(guī)則屋頂平面的需求，而且與弦屋架相比，椽子作為非承重構(gòu)件，其長(zhǎng)度、開(kāi)口大小和位置所受限制更少，也更能滿(mǎn)足帶外廊、煙囪體或老虎窗等混合形式屋架結(jié)構(gòu)的需要。