建筑的起源, 无论东方还是西方, 多少都与木结构建筑有关。建筑结构用材经历了千百年的不断变化、发展与更新, 时至今日, 木材作为可再生的结构用材, 愈发显得不可或缺。作为森佩尔 (Gottfried Semper) 界定的建筑四要素之一, 屋顶不仅为遮风避雨提供了必要的覆盖, 还是建筑表现和空间体验的重要组成部分。由于木材的亲和属性, 木造屋顶成为建筑师与结构师钟爱的创作对象之一。

影响木造屋顶设计的因素有很多, 诸如环境、空间、功能、结构、材料、施工等。其中, 对建筑师而言, 在创作阶段影响设计的结构因素与形态操作紧密相关, 这类结构因素又可以被进一步细分为宏观的结构概念和微观的材料断面, 这两个因素又直接体现在屋顶的尺度这一方面。虽然建筑结构工程对跨度大小与尺度有结构专业内的分类, 但考虑到目前国内木结构建筑尚处于发展期、造价较高等阶段, 本文尝试以木材相对经济的尺寸作为区分参考, 期望为推动实践提供一点点的参考。

原木或者说当地木材, 虽然最大长度因地而异, 但由于国内对木材的需求巨大且大量依靠进口, 这类木材长度往往受限于海运和陆运等运输设备的尺寸。鉴于海运集装箱的长轴方向经济尺寸通常约6m, 陆运货车箱体的长轴方向经济尺寸约4～6m, 由此市场上相对经济的木材长度尺寸大致为4～6m。据此, 本文将小尺度屋顶的跨度定为小于6m, 中尺度定为6～12m, 大尺度定为大于12m。

屋顶跨度的变化通常带来结构概念的变化。对于木造屋顶而言, 基本的结构概念类型大致包括六类:梁、悬挑、刚架、桁架、悬索、拱。从常规的角度看, 以上六类的排序大致遵循了从小尺度到大尺度的原则, 同时图示中线条的粗细暗示了构件的相对大小, 最细的构件受拉, 中等粗细的构件受压, 最粗的构件受弯。然而设计往往是对常规的突破, 因此, 下文尝试梳理各种尺度、趣味横生的木造屋顶案例, 这些案例正是通过对结构概念的灵活运用使木屋顶以丰富多样的方式融入我们的生活之中。需要补充的是, 本文把以木材作为主要结构的屋顶统称为木造屋顶, 因此钢构件在局部的运用也是允许的。

绝大部分木结构建筑项目的木造屋顶是小尺度的, 比如民居, 然而这并不意味着小尺度的木造屋顶设计会千篇一律。这里选择了四类结构概念:梁、悬挑、桁架和拱。其中梁和悬挑常用于小尺度木结构建筑, 而桁架和拱则多用于大中型尺度的木结构建筑。

梁是最常用的屋顶结构类型, 相较于其他材料的屋顶, 木造屋顶需要便于快速排水的倾斜角度, 因此最常见的单坡木造屋顶是用木梁形成跨度的同时塑造坡度。在狭山湖畔墓地社区大厅的设计中, 建筑师中村拓志把这种最常用的梁结构围绕着象征生命的树木形成圆环, 以预料之外的方式用单坡屋顶生动地表达了生命的消逝与希望。环形大厅的屋顶选用集成材, 跨度在4～6m之间, 每根木梁的截面尺寸为75mm×240mm。相较于方正的建筑, 放射状的屋面不仅定位难度更大, 而且形成的曲面屋顶对安装技术的要求也更高, 因此支撑木梁的下部框架选用了曲线形态容易被精确控制的钢结构, 而木梁的截面则加工为相对复杂的“凸”字形, 以较小的木材弧面适应曲屋面的变化。

伞状支撑的屋盖是悬挑屋顶的常用形式, 然而由于单个伞状形态在结构上较为脆弱, 稳定性较差, 通常被拼合成组使用, 组合后的两个伞状结构类似框架结构。MASS设计集团为非洲马拉维设计的孕妇等待中心采用了伞形木造屋顶, 巧妙地运用悬挑形成双层屋面, 借此抵抗非洲炎热的天气, 创造隔断阳光暴晒又通风的隔热层, 尽可能地减小气候对手术的影响。由于马拉维森林面积砍伐严重, 同时工业极不发达, 导致可用作屋顶的当地木材尺寸均不大, 因此在该项目中, 伞状屋顶的间距控制在3.5m, 木材断面使用了100mm×150mm和150mm×150mm两种尺寸, 伞状木造屋顶以下是砖墙结构, 简易的伞状木构和砖构便于技术相对低下的当地居民施工建造。

桁架常被用于较大尺寸的跨度结构, 但小尺度桁架屋顶展现的轻盈常常令人惊诧。建筑师中村拓志和结构师山田宪明设计的尾道市贝拉维斯塔酒店 (Bella Vista) 料理餐厅是小断面木材建筑的代表作品, 该餐厅跨度为3.6m, 组成屋顶复杂桁架结构的是22.5mm×45mm和45mm×45mm的极小断面木材, 这种尺寸的木材几乎不会被用作结构, 而常用于木椽等构造部位。缩小的桁架尺度将非结构用材转化为结构用材, 不到50mm的木材断面尺度, 创造出纤细精致的动人空间。

拱作为结构呈现给人们的形象通常是弯曲圆润的。然而, 在人类社会初期, 木杆対搭形成的帐篷实际上是最原始、最基本的拱结构。乾久美子设计的东日本大地震津波故者纳骨堂采用了三角形木拱结构, 让屋顶充满灵气地漂浮于建筑之上, 拱的跨度只有2.7m, 作为木拱的材料是集成木材, 其断面尺寸为100mm×135mm。通常拱屋顶与墙体交接时因为存在水平侧推力, 需要较大的接触面将侧推力引导至下部墙身。在这个建筑中, 得益于小尺度的屋面自重小, 侧推力急剧减小, 最终仅仅利用间距300mm、长260mm的木螺钉, 以极小的接触面积, 就把支撑屋面的木拱固定于墙体。

6～12m的中尺度木造屋顶适用于各类结构概念, 且通过精心的设计, 可以为中尺度木造屋顶带来有趣的建筑空间。

前文提到单坡顶的跨度受限于木材6m的经济长度所以多用于小尺度木造屋顶, 但当两个单坡屋顶被镜像并置时, 其跨度就可能超过了6m而接近12m。大成建设设计的TSURUMI临终儿童关怀场所就采用了这种方式。对于需要临终关怀的小朋友, 较大尺度的公共空间是互相鼓励的场所, 10m跨度的公共空间源于断面40mm×120mm的木构件的巧妙运用。

复杂树形结构的悬挑虽然能表现自由形态, 但因为非正交连接部位较多, 构造相对复杂。野泽正光建筑工房设计的日本爱农高校森馆小谷校舍采用树状结构支撑木造屋顶, 树形结构之间创造出覆盖8m跨度的空间, 树枝根据受力大小采用了120mm×120mm和150mm×150mm两种断面的木材。树状结构形成的公共空间呼应了爱农学园农业高等学校与自然贴近的公共形象。

两根经济的木材除了通过双坡的方式形成中尺度跨度之外, 还可以借助三铰刚架的结构概念形成中尺度的覆盖空间。在建筑师手塚貴晴与手塚由比和结构师大野博史设计的日本静冈县富士市保育园中, 一座座酷似伞状的独立小房屋由木质三铰刚架绕屋顶圆心旋转而成, 跨度最大的一座房屋的屋顶采用截面150mm×330mm的集成木, 两端采用截面120mm×120mm的木枋支撑, 最终形成跨度约11m的空间。实际上, 三铰刚架和三铰拱在结构原理上是一致的, 三铰刚架本质上属于三铰拱, 二者均需要解决脚部水平侧推力的问题。为了方便排水, 屋顶坡度控制在13°左右。

桁架常被用于相对大尺度的屋面, 但是出其不意的组合可以构建出丰富有趣的空间。日建设计和太宏设计事务所在设计日本熊本县立熊本森支援学校的公共空间时, 为了制造出对称、有秩序、采光通风好的空间体验, 首先选用单侧伸臂梁的桁架结构, 再利用两个悬臂梁尾部的对接创造类似屋脊的天花, 同时利用悬臂梁顶部的高差形成良好的采光通风。在这个结构中, 桁架的拉杆断面尺寸约100mm×100mm, 压杆断面尺寸约170mm×270mm, 两端悬臂桁架搭接形成跨度约8m的空间。

相对于其他结构概念, 悬索常常是相对柔软且容易变形的, 因此, 作为建筑的悬索结构需要提供比其他结构类型更多抵抗变形的稳定能力, 如需要提供防止上翻形变的措施。建筑师仙田满和结构师木下洋介设计的日本群马县沼田市保育园采用了折线形的悬索结构, 该结构便于采用经济尺寸的木材、减少加工步骤。在这个跨度约10m、扇形展开的屋顶下, 空间被完全地敞开, 由于悬索两端需要水平侧拉力, 结构师在屋顶圆心处设置了向下的钢拉索, 直接引导拉力到基础结构, 在扇形末梢用有斜撑的木框架间接转换拉力至基础。为了确保悬索的稳定, 在木质悬索转折的中间部位用一根较重的钢管作为连接构件, 不仅从整体上加强了辐射开去的木质悬索, 也在接近屋顶重心的部位提供了足够重量, 阻止悬索的上翻。从室内看, 截面120mm×210mm的方木组成了扇形悬索, 但在每根方木不可见的背面均有一条截面6mm×75mm的钢条内镶其中。

大于12m的木造屋顶通常较难使用梁和悬挑结构, 余下四类结构概念则较多被使用。另外需要强调的是, 对于尺度越大的屋面而言, 抗侧向稳定性的要求越高。

由于集成材的材性比原木更加可控, 大跨度的木造刚架通常优先选用集成材。布鲁内建筑事务所 (Brune Architect) 和百灵达结构事务所 (Behringer Beratende Ingenieure) 设计的德国纽伦堡水处理实验室采用了胶合木 (Glued Laminated Timber) 刚架结构, 在这个建筑中, 木造刚架并非以平面单榀纵向阵列的方式形成空间——单榀刚架在其平面内虽然稳定, 但需要加强每榀刚架间方向的水平联系, 从而形成稳定的空间——而是通过打开、倾斜的操作利用刚架自身形成稳定的空间整体。整个刚架轻松地横跨18m空间, 刚架屋顶上部接近平屋顶, 在设置多层防水和保温之后, 屋顶设置了2%的排水坡度。刚架木构件采用变截面的方式, 节省材料的同时减轻自重。由于刚架内的弯矩在水平向和竖向构件的交接部位最大且最复杂, 因此刚架转折部位的胶合木断面最大, 尺寸为180mm×750mm, 刚架中部断面最小, 尺寸为180mm×430mm。

为抵抗水平力, 大尺度的木桁架需要确保每榀桁架之间的水平连接, 从而形成整体结构。因此, 每榀桁架间常用斜撑的方式连接, 这种连接虽然常用, 但难免形成乏味的空间体验。建筑师小川次郎和结构师古川大辅在日本熊本县综合减灾飞机中心的设计中提供了木桁架设计的新思路:覆盖飞机检修使用的室内空间的基本结构概念是刚架, 但刚架是由桁架的方式形成, 断面为120mm×120mm的木枋是桁架的基本构件, 单榀桁架跨度为20m, 每榀间距较近, 使用水平非连续的木枋连接。从结构效率的角度看, 这种结构连接是非高效的, 存在大量的结构冗余;但从建筑的角度看, 这种连接方式提供了涵盖室内装修的设计方案, 因此从综合造价的意义讲, 这种设计方式可看作是更加节省整体造价的设计策略。

木材形成大尺度的悬索屋顶需要金属构件作为连接材料。前文在中尺度木造屋顶部分提到折线悬索屋面的设计很大程度上是对经济木材的使用, 但当设计追求柔和的悬索曲面时, 建筑设计就需要新的策略, 如利用离散型小尺寸块材组成悬索。建筑师原田真宏、原田麻魚和结构师佐藤淳设计的日本爱知县知立市寺子屋用小型块材形成跨度20m、空间开敞通透的公共建筑, 其中使用的块材为长1500mm、厚105mm的欧洲集成材, 因为屋面宽窄有所变化, 块材的宽度也相应地在66～220mm之间变化。直径22mm的钢筋贯穿于块材之间, 方向与曲线平面相垂直, 使悬索屋面形成整体结构, 但屋面的稳定性并非依靠屋面自身, 而是通过支撑悬索的直径350mm的钢柱抵抗侧推力, 以及通过屋面边沿断面为55mm×150mm的钢构件抵抗潜在的上掀力。

为获得大尺度拱结构, 空间穹顶结构常常被采用。建筑师伊东丰雄和竹中工务店设计的日本大馆树海巨蛋采用了钢木混合结构, 因为穹顶的结构形态, 这个体育场被亲切地称作“巨蛋”。钢木混合结构的设计策略使建筑具备木材亲近感的同时, 利用轻质的受压木材与受拉钢材获得轻巧的屋顶自重。整个穹顶纵向跨度178m, 横向跨度157m, 木材构件的两种主要断面尺寸是210mm×420mm和210mm×810mm, 形成的空间网架是双层且双向的。蛋壳型穹顶坐落于混凝土基座之上, 该基座为整个建筑抵抗地震等水平力提供了坚实保障。

通过对木造屋顶不同尺度、不同结构概念、不同木材构件断面尺寸的一点梳理, 可以得到一张初略的参考图。这张图或许能对正在进行木造屋顶实践的设计师们提供一点线索和启发, 因为对于木造屋顶而言, 尺度的变化受限于经济, 但结构类型的变化却能打破经济尺度的常规设计思路, 同时构件尺度的梳理为设计师带来更具体的设计参考。然而这部分工作还远远不够, 在未来的工作中, 更多的案例将被纳入考量, 结构概念与建筑设计的关系将被进一步辨析, 节点的构造方式、木材的加工措施、木材与其他材料的组合可能性也将被进一步讨论。

图片来源

图1, 15为作者自绘;图3, 11源于文献[5];图14源于文献[3];图9源于文献[4];图2, 4～10, 13来源于Shinkenchiku杂志;图12来源于www.pref.kumamoto.jp。