傳統(tǒng)屋架的現(xiàn)代演繹
——以普陀山宗風(fēng)博物館屋架設(shè)計為例

于汶卉 彭超 周健 劉海洋 蔡承澤

1 緣生

普陀山古為“甬東”，據(jù)《華嚴經(jīng)》載：“于此南方有山，名補怛洛迦；彼有菩薩，名觀自在。”唐時，日僧慧鍔從五臺山請得觀音像回國，途經(jīng)此地遭遇風(fēng)浪，登岸受阻，留造像于民宅中供奉，稱“不肯去觀音院”，觀音道場自此伊始。明朝萬歷皇帝為山上觀音寺欽賜“護國永壽普陀禪寺”，山以寺名。

唐宋期間，“海上絲綢之路”的發(fā)展對普陀山的興建起著重要的推動作用，逐漸成為了各國往來船只朝拜、祈求平安的觀音圣地。歷經(jīng)1 200多年的歷史傳承，普陀山成為中國佛教四大名山之一，國內(nèi)公認的觀音道場之一，如今也是國家5A級旅游風(fēng)景區(qū)，2021年僅上半年游客接待人數(shù)即達到550多萬人次。為了更好地傳承佛法、普世大眾，在普陀山佛教協(xié)會主持下，一座以宗風(fēng)為主題的博物館應(yīng)運而生。宗風(fēng)一詞為一宗之風(fēng)儀也，宗風(fēng)博物館是普陀山的文化載體，更是向外界弘揚觀音文化的重要媒介。

2 緣起

2.1 相地堪輿，順勢而為

項目選址位于普陀山島上東南角，普濟寺以南的小山岙之中，整體呈西南高、東北低的喇叭形。場地東側(cè)臨普濟路，為普陀山通行主干道；場地南側(cè)為塔林。用地原為普陀區(qū)公安分局及普陀山人民法院。

普濟寺背靠梵山，其主軸線收于梵山最高峰，塔林東向軸線與主軸延長線正巧交匯于次峰頂部，而項目場地與塔林軸線平行布置，藏于地勢較低之處。梵山山體從西北側(cè)環(huán)抱，向東側(cè)敞開，背山面海，一覽日出東升之勢，宗風(fēng)博物館主體建筑的布置由西南向東北順勢展開。

2.2 虛懷若谷，相得益彰

由普陀山碼頭登陸，沿普濟路北行，宗風(fēng)博物館位于前往普濟寺的必經(jīng)之路上，隨著整體地勢不斷攀高，東望百步沙，回看即為本項目用地，再繞過梵山，就到達了普濟寺的山門。因此，宗風(fēng)博物館作為逐步超塵脫俗、披懷虛己的承接，其姿態(tài)謙尊而光，藏而不露。

設(shè)計沿用中國傳統(tǒng)建筑雙坡屋面的語匯，仿擬山形，用更加寬大舒緩的舉折表達相對柔和、寬厚與包容的態(tài)度。同時，采用三進院的布局方式，盡可能多利用地下空間，降低整體建筑高度，隱于山林之中，并根據(jù)地勢走向，層級而上，形成東北低、西南高的遞進關(guān)系。

3 緣續(xù)

3.1 傳統(tǒng)的再延續(xù)——形式生成

作為博物館，宗風(fēng)館是對公共游客展示的窗口。在建筑風(fēng)格上，設(shè)計考慮盡可能體現(xiàn)文化的傳承，同時具備親和力。復(fù)刻古代建筑的營建方式在歷史真跡面前顯得沒有足夠吸引力，傳統(tǒng)建筑的空間張力也不足以承載現(xiàn)代多樣化的功能需求。如何用現(xiàn)代方式延續(xù)傳統(tǒng)建構(gòu)，首先要形成邏輯和文脈上的古今鏈接。

縱覽中國傳統(tǒng)建筑的屋架形制，梁架層、鋪作層、柱架層、臺基層這幾個部分均相對獨立。屋面的荷載通過梁架層傳遞到鋪作層，再傳到柱架層，最后傳至臺基層。坡屋頂?shù)难诱箽w功于鋪作層的技藝，通過橫縱咬合相互限制，層層展開，將單點支撐轉(zhuǎn)換為多點支撐，達成了由梁、柱、斗栱組合的屋架體系。

從唐宋到明清，屋架受力關(guān)系逐漸趨向理性，鋪作層力學(xué)性質(zhì)弱化而轉(zhuǎn)變?yōu)檠b飾構(gòu)件，但作為標志性的功能逐漸增強。浙東地區(qū)的傳統(tǒng)風(fēng)格特色受到地域和氣候特征的影響，對屋頂部分的審美偏向于結(jié)構(gòu)簡潔、少裝飾，并將通風(fēng)和排水作為主要的考慮要素。

基于這種自上而下傳遞收縮的屋架空間受力邏輯，對屋架體系進行拓撲演繹，形成了正交體系的方案1.0。通過平行于出挑方向的構(gòu)件進行疊伸，但其出挑方式過分依賴懸挑構(gòu)件的材料力學(xué)屬性，“一傳多”的語匯顯得不夠充分。在此基礎(chǔ)上升級為方案2.0，考慮將懸挑構(gòu)件旋轉(zhuǎn)45°，由原來的正方形轉(zhuǎn)換為三角形空間體系，通過交角把一個點的受力傳遞到多個桿件上，形成了一對多的條件基礎(chǔ)。方案2.0中，最終選擇節(jié)點、桿件關(guān)系清晰，看起來更為通透的方案2.2作為母形。

表1 中國傳統(tǒng)建筑屋架形制分析

表2 屋架體系的方案演變

1 項目區(qū)位與軸線分析

2 鳥瞰效果圖

3.2 理法的再延續(xù)——形式驗證

將方案2.2的母形進行簡化，探索其中基本的結(jié)構(gòu)原型。基于傳統(tǒng)的雙坡意象，有兩種最常見的基礎(chǔ)原型。其一為雙立柱支撐雙坡屋面，屋面的推力傳遞到兩側(cè)的立柱，當立柱剛度有限時，屋面折梁跨中彎矩較大，基于力（彎矩）與形（截面高度）的匹配關(guān)系，跨中形態(tài)需求也對應(yīng)最大，同時立柱由于抵抗推力需要付出額外的截面代價。

其二，為了平衡柱腳的推力，我們通常會增設(shè)一根柱間拉桿，以有效地降低屋面折梁的跨中彎矩，相較于無拉桿的雙坡屋面，可以獲得更為輕薄的屋面結(jié)構(gòu)，然而拉桿的存在勢必會對使用空間有所影響。

以上兩種原型結(jié)構(gòu)的力流由屋面線性地傳遞到柱頭，呈現(xiàn)出一種單向的傳力模式。如何避免柱頭對拉，如何在實現(xiàn)結(jié)構(gòu)高效的同時又與建筑空間相得益彰，成為接下來建筑設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計共同探索的方向。

基于方案2.2的建筑母題，柱頭采用斜交疊層的方式連成整體，這種類似如意斗栱的格構(gòu)策略降低了柱頂標高。由于屋蓋重力沿著坡面方向的分力產(chǎn)生了推力，且推力大小和坡度成反比，此舉加大了傳遞到柱頭的力流坡度，從而降低了傳遞到柱頂?shù)耐屏?。同時，柱頭處的疊層空間架構(gòu)有效增加了此處的結(jié)構(gòu)厚度，減小了桿件的內(nèi)部彎矩，使之以軸力為主，從而獲得較小的截面尺寸。同時，發(fā)散抬升的形制減小了屋面單層網(wǎng)格的跨度，使輕薄屋蓋結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)成為可能。

我們將這一斜交格構(gòu)邏輯沿著縱向進行擴展，并在兩側(cè)山墻面形成閉環(huán)，屋面順應(yīng)柱頭網(wǎng)格的方向形成單層斜交網(wǎng)格，“放置”于一圈空間架構(gòu)之上，整體鋼結(jié)構(gòu)屋面再落于穩(wěn)固的混凝土體系上（混凝土圈梁+混凝土柱），這便形成了最初的結(jié)構(gòu)體系。一方面，此體系利用下部混凝土結(jié)構(gòu)提供有力的支座抵抗坡面的推力；另一方面，利用斜交網(wǎng)格形成良好的屋面面內(nèi)剛度，將推力傳遞至兩側(cè)完整的山墻面。二者的結(jié)合限制了屋面“趴開”的趨勢，起到了類似柱間拉桿的效果。

3.3 物質(zhì)的再延續(xù)——材料選定

中國傳統(tǒng)建筑屋架以木材為主，源于“不求原物長存之觀念”。原木取材方便，成本經(jīng)濟；建造周期快，節(jié)約勞動力；具備良好的抗震性能及熱工性能。隨著現(xiàn)代生活對功能與安全的更高要求，原木的局限性也被放大，材料本身耐久與強度有限，防潮、防蟲、防火等亦為難題。

膠合木的出現(xiàn)，使木結(jié)構(gòu)的材料性能得以加強，強重比進一步提高。但是現(xiàn)行規(guī)范中對木結(jié)構(gòu)建筑的耐火極限劃分嚴格，在三級與四級之間，這與公眾博物館的耐火要求有很大差異。在木構(gòu)件防火設(shè)計中，考慮碳化層厚度會加大截面尺寸，從而影響整體美觀效果。

因此我們聚焦金屬材料，在鋁合金和鋼材之間進行選擇。鋁合金結(jié)構(gòu)起源于航空航天業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，20世紀50年代才被運用于結(jié)構(gòu)受力材料中。對于常用材性，其強重比約為鋼結(jié)構(gòu)的1.5～2倍，且鋁合金耐腐蝕，后期維護成本較低。鋁合金構(gòu)件通常靠模具擠出直桿形態(tài)，對變曲率、變截面構(gòu)件適配性較差。雖然鋁合金材料負溫工作性能優(yōu)良，卻不耐高溫，受輻射熱溫度高于80℃時，材料強度將隨溫度升高而下降，這對于具有火災(zāi)危險性的室內(nèi)功能及人員安全有著諸多隱患。

3 原型構(gòu)件彎矩圖

4 柱頂疊層構(gòu)造前后推力比較（中部剖面）

5 柱頂疊層構(gòu)造前后軸測比較（中部剖面）

6 斜交網(wǎng)格疊層區(qū)域俯視圖

7 斜交網(wǎng)格疊層區(qū)域軸測圖

8 山墻立面拆解圖

9 初始結(jié)構(gòu)體系

考慮到建筑功能的重要性，并綜合上述材料優(yōu)缺點，宗風(fēng)博物館的屋架最終選用了相對技術(shù)成熟、運用廣泛的鋼結(jié)構(gòu)。相比之下，木材、鋁合金雖然在比重、耐腐與熱工性能上更具優(yōu)勢，但難以克服建筑設(shè)計中最重要的防火安全問題；鋼結(jié)構(gòu)自身的適配性強，可焊接、易加工，其耐腐耐火雖有不足，但可通過防腐和防火材料進行補充完善。

3.4 體系的再延續(xù)——系統(tǒng)進階

基于鋼結(jié)構(gòu)選材的因素，在方案2.2的基礎(chǔ)上對屋架系統(tǒng)進一步迭代優(yōu)化。原方案的屋架按層層疊放的受力邏輯，屋頂鋼構(gòu)架擱置于底層混凝土功能體塊上，這種垂直向的組合某種程度上強化了鋼屋蓋的厚重感。此構(gòu)型屋蓋推力分別傳遞至混凝土圈梁以及兩側(cè)山墻面結(jié)構(gòu)，多級的力流傳遞混沌曖昧，我們試圖規(guī)劃一種更“精確簡潔的力流”，采用鋼柱點式支撐釋放對混凝土整體托舉支撐鋼屋蓋的受力需求，同時也獲得輕盈的觀感。

結(jié)合建筑功能布置，中部為門廳區(qū)域，需要通透開敞的空間，意味著需要弱化結(jié)構(gòu)支撐體量；兩側(cè)為機房封閉區(qū)域及山墻面，結(jié)構(gòu)有著較好的支撐剛度條件。由于力流總是沿著剛度大的方向傳遞，中部采用獨立鋼柱支撐屋面，剛度較弱，所以我們將兩側(cè)的鋼柱埋入機房的混凝土柱內(nèi)，這樣短鋼柱的形成能夠主動引導(dǎo)力流往兩側(cè)傳遞。

最終屋架由20根直徑300mm的鋼柱支撐，在形體上將屋頂構(gòu)架向上拔高，與混凝土基座脫離。兩側(cè)的屋面推力依靠斜交網(wǎng)格傳遞至機房上部的短鋼柱及山墻面結(jié)構(gòu)，中部由單立柱支撐，剛度較弱，利用坡面較強的面內(nèi)剛度，類似整體桁架作用將推力傳遞至兩側(cè)。

由力流分布可知，柱間類似桁架下弦，為受拉需求。所以，可用分段的柱間鋼拉桿替換原先的混凝土圈梁，纖細的拉桿截面弱化了正立面柱間的聯(lián)系，柱間的格構(gòu)節(jié)點騎于拉桿之上，更凸顯了斜向“類斗栱網(wǎng)格”的現(xiàn)代化表現(xiàn)。

結(jié)構(gòu)關(guān)系明晰之后，將屋頂挑檐在原基礎(chǔ)上外擴，同時協(xié)調(diào)優(yōu)化整體比例。屋頂與基座之間采用全玻璃幕墻形成通透的效果，建筑圍護邊界與結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件圍合的邊界完全脫開，玻璃幕墻位于結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件內(nèi)側(cè)，更好地呈現(xiàn)屋架的整體系統(tǒng)。

3.5 建構(gòu)的再延續(xù)——節(jié)點深化

屋架體系鋼結(jié)構(gòu)整體外露，對構(gòu)架的美觀與精細程度具有更高的要求。一個單元屋架桿件與桿件之間的連接節(jié)點共560個，常規(guī)做法是在桿件的交匯處設(shè)置球節(jié)點或骨節(jié)點進行高空焊接。這種傳統(tǒng)工藝技術(shù)雖然容錯率高，但對施工環(huán)境和施工人員要求較高，施工質(zhì)量不穩(wěn)定，外露的焊縫也影響整體節(jié)點美觀。

表3 不同材料性能比較

10 建筑平面功能分布

11 優(yōu)化后力流分布

12 轂體節(jié)點示意圖

13 柱間結(jié)構(gòu)局部大樣

14 支撐屋面鋼柱類型

普陀山作為國家級風(fēng)景名勝區(qū)，島上施工局限性很大，為減少對生態(tài)環(huán)境的污染，考慮使用鋼結(jié)構(gòu)的預(yù)制化思路來實現(xiàn)。在屋架深化過程中，將屋頂節(jié)點分為三種類型：三級節(jié)點是連接5根和6根桿件的節(jié)點，位于屋頂四角和檐口，作為力流起始點；二級節(jié)點是連接8根桿件的節(jié)點，位于屋頂中部作為承接點；一級節(jié)點是連接4根桿件的節(jié)點，位于柱頂部，作為力流終點。

為延續(xù)傳統(tǒng)木構(gòu)之間的榫卯做法，實現(xiàn)相互插接的連接方式成為了建筑師與結(jié)構(gòu)工程師共同的發(fā)力方向。根據(jù)節(jié)點的整體特征，設(shè)計發(fā)明了一種裝配式構(gòu)件，由一個節(jié)點芯柱將4～8根桿件拼合。節(jié)點芯柱的截面設(shè)計為八邊形，其中4邊對接桿件的凹凸卡件，另外4邊既成為節(jié)點的外在表觀，亦能轉(zhuǎn)化為節(jié)點芯柱的變形體與外圍護的全玻璃幕墻相連接。

通過計算得到節(jié)點芯柱的最小截面尺寸，在變形截面上保證與受力桿件連接的界面厚度保持一致，根據(jù)幕墻厚度調(diào)節(jié)剩余4邊的尺寸，達到模塊化及控制節(jié)點種類的目的。

裝配式節(jié)點提供了工業(yè)化級別的施工定位和高質(zhì)高效的安裝精度，并滿足通用性、標準化與簡潔的外觀需求，同時施工簡便，大多數(shù)工序可在工廠內(nèi)完成，縮短了現(xiàn)場施工的時間。

15 初步方案軸測示意圖

16 優(yōu)化方案軸測示意圖

17 優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)與空間示意圖

18 優(yōu)化前主立面19 優(yōu)化后主立面

20 室內(nèi)效果圖

21 屋頂節(jié)點的三種類型

22 屋架節(jié)點芯柱示意圖

23,24 節(jié)點成型效果（精度±0.02mm）25 屋架桿件拼裝實體成型效果

26 節(jié)點分解示意圖

27 氣凝膠絕熱氈屋架節(jié)點芯柱示意圖

在節(jié)點芯柱上設(shè)置卡扣雖然形成了主體結(jié)構(gòu)與玻璃幕墻之間的連接，但鋼結(jié)構(gòu)最根本的斷熱問題依然存在，節(jié)點芯柱成為了氣候邊界上的冷熱橋，室內(nèi)結(jié)露將影響建筑功能品質(zhì)。設(shè)計時考慮了一些排阻方式如露水導(dǎo)流、電伴熱等，但考慮到安全及美觀效果，最終采用了物理隔熱的方式。通過篩檢市場上的保溫材料，找到一種導(dǎo)熱系數(shù)0.018～0.020W/(m·K)的憎水性材料氣凝膠絕熱氈，根據(jù)節(jié)能計算選取厚度10mm，再通過鋁板構(gòu)件進行裝飾，整體構(gòu)造厚度增加15mm，對構(gòu)件尺寸的影響微乎其微。

4 緣定

宗風(fēng)博物館從2015年方案設(shè)計伊始到2019年深化設(shè)計，迭代從未停止。對傳統(tǒng)屋架的精神解讀和與現(xiàn)代材料的結(jié)合是深化設(shè)計中不斷追求和創(chuàng)新的動力，是對傳統(tǒng)文脈繼承的探索和對現(xiàn)代工業(yè)化裝配的高精度追求，融合了建筑師與結(jié)構(gòu)工程師共同的智慧結(jié)晶。在飛速發(fā)展的當今社會，項目進度的佛系周期也給了設(shè)計者充足的研究時間。作為普陀山島上為數(shù)不多的可建設(shè)用地，希望能帶給公眾獨具特色的觀感體驗，相信在建設(shè)過程中仍會有更多的細節(jié)和感悟值得創(chuàng)新和分享。

業(yè)主：普陀山佛教協(xié)會

建設(shè)地點：浙江省舟山市普陀山島上

建筑設(shè)計：華東建筑設(shè)計研究院有限公司文旅院

項目負責人：張俊杰、劉海洋

設(shè)計團隊：于汶卉、楊子江、蔡承澤、杜杭、王克桓、朱力元（建筑）；周健、彭超、楊笑天、顧樂明、周鵬飛（結(jié)構(gòu)）；譚奕、莊曉蕓、李彥智、黃曉波、余杰（機電）

總建筑面積：14 004.23m

項目狀態(tài)：在建

設(shè)計時間：2015—2019

1-22,26,27 作者自繪

23-25 作者自攝

1 設(shè)計團隊根據(jù)資料改繪

2 設(shè)計團隊繪制

3 作者自繪