【AT】木结构的挑战：暴风中仅使用105mm尺寸木材屹立不倒的日本建筑
《仅使用105mm固定尺寸木材屹立在暴风中——竹林寺纳骨堂》
撰文：山田宪明，山田宪明构造设计事务所
翻译：陆洋，山田宪明构造设计事务所
图1 寺院内景观
1 建筑概况
竹林寺纳骨堂项目面朝土佐湾，位于高知市五台山顶的竹林寺院内，建筑宽约6m，长约36m，东西向布置（图1）。入口设在东侧树木繁茂的庭院内，进入门廊，穿过位于两侧骨灰室之间的狭长通道，可以到达西侧的水景庭院（图2~5）。
图2 入口小径
图3 入口门廊及混凝土纳骨室通道
图4 通道另一头的水景庭院
图5 纳骨室通道
纳骨堂（骨灰堂）因出于防火、防潮及安全性等因素的考虑，要求下层建筑为混凝土结构，其他如覆盖通道和房间的屋顶、入口门廊等全部采用木结构。入口门廊是只有柱子的开放空间。考虑到通道采光，采用了双层屋顶（日语为“越屋根”1），并将建筑中央通道部分的屋顶上挑，设置沿纵轴方向延伸的连续高位采光窗（图6，7）。
1 墙：土佐漆（镜面处理）；2 水池；3 水池卵石；4 排水沟；5 木材叠摞墙；6 门廊；7 涂漆墙；8 外墙：土佐漆（镜面处理）；9 天窗；10 清水混凝土；11 水槽；12 入口；13 斜坡；14 扶手；15 独立装饰柱；16 床：大谷石t=40mm；17 纳骨棚；18 床：白河石t=40mm
图6 平面图
图7 剖面图
木结构部分，台基、柱、桁木及檐椽等都采用高知县本地产的杉树，加工成截面105mm见方、长2~4m的木材使用，作为结构直接外露。边长为105mm的方形固定尺寸木材作为立柱，在日本木结构住宅中使用非常广泛。这一尺寸的材料可以用较优惠的价格采购，同时木材尺寸统一，更有利于建筑物形式和秩序的表达。
2 五台山抗风设计条件
建筑地处的五台山因有强烈台风而闻名，竹林寺附近的牧野富太郎纪念馆（建筑设计：内藤广建筑设计事务所，结构设计：构造设计集团）就曾因抗风设计而使设计师苦思焦虑，最终通过风洞试验的详细模拟确定了风荷载数值。因为纳骨堂利用风洞试验做到完全仿真模拟非常困难，因此决定依据以往的设计数据进行计算。
在通常地形中，一般的风荷载计算方法是根据日本设计规范“平成12年建告1454号”，当地表粗糙度Ⅲ、基准风速V0为38m/s、建筑物高为5m时，计算得出风压q=1.0kN/㎡。本案地块面向土佐海，位于五台山的迎风面，最大风荷载工况假设为风直接从海上迎面吹来，建筑海拔高度约140m，采用基准风速计算出风压q=3.3kN/㎡。此外，庭院内有现存国家指定的重要物质文化遗产建筑——1644年建造的竹林寺正殿，到目前为止并没有屋顶本瓦茸被台风吹飞的记载，因此可以估计，比屋顶本瓦茸自重（约3.0kN/㎡）更大的负风压发生的概率几乎为零。因此，倾斜屋顶上的最大风力系数为1.0，鉴于以往发生的最大风荷载小于屋顶自重，故采用q=3.3kN/m2作为风荷载数值，是对抗风设计的充分判断。
3 105mm边长正方形截面木材制作的结构系统
只采用105mm边长正方形截面的固定尺寸木材（以下简称105mm木材），是在顾及建筑性能、美观与整体结构系统基础上，对平面图构件尺寸统一、小截面木材组装方式设计这两个因素的综合考虑。特别是结构木材全部都直接外露，所以对细节的考虑是不可或缺的。首先是尺寸体系的统一，取105mm木材的倍数1 995mm（105mm×19）为平面网格的基本单位。在网格交点设置立柱或短柱，柱间距约2m，这时105mm轩桁木材的抗剪刚度与跨度相匹配。木材的组装方式上，由于构件和连接部位的数量较大，复杂的连接方法会导致木材节点部分的加工成本和建设成本大幅增加。因此，将木材长度分别按照1 995mm和3990mm进行分割，对构件的排列、连接方式、固定方法以及节点连接构件进行了分类设计。具体来说，台基与立柱以及立柱与桁木为一组，桁木上的檐椽以及地板木材归为一组（即105mm木材并排排列），钉子和螺纹钉只选择其一。
图8 尺寸体系的整理和木材配置的思考
这些都是以日本自古以来的轴组构（工）法中广泛应用的“柱头榫”和“槽口榫（企口榫）”两个基本方法为基础，1 995mm网格使得2m和4m的固定长度木材几乎没有浪费（图8）。通常桁木之间采用稍微突出的半搭接榫卯结构（腰掛け鎌継ぎ）相连，但是在这种连接方式中，由于榫头的长度导致整根木材的长度会超过4m，并不适合批量生产因此，在3 990mm柱间距的柱心位置采用槽口榫连接桁木，就可以有效地利用4m长的固定尺寸木材（图9，10）。另外，入口门廊平屋顶木材每根跨度为1 995mm，用钉子固定在桁木之上，使得2m长的木材几乎没有浪费。
图9，10 节点间隔、榫卯节点长度及木材长度的关系
4 木结构部分抵抗台风的对策
正如前文所述，本地区是台风多发地域，风荷载较大。根据台风类型的不同，建筑物上下左右各种方向都会有风压，因此抵抗负风压（垂直向上）和水平方向的风压成为了本案建筑设计的重点。
木结构部分与混凝土结构的下层建筑相比自重非常轻，因此在负风压较大的情况下，向上的拉力是木结构自重不能抵消的。屋顶部分自重约为0.8kN/m2，负风压约3.3kN/m2，因此需要对木结构部分进行工况为向上风荷载2.5kN/m2的设计计算。木结构荷载较大的区域需要以特别的节点连接，因此混凝土的下层建筑也需要在向上风荷载的工况下进行计算（图11）。根据这个思路，设计对木结构部分进行完善。
图11 木结构部分抗风的不同受力分布
4.1 入口门廊
东侧的入口门廊，从纳骨堂东侧突出约6m×6m见方，没有墙壁或斜撑等抗水平力的构件，而是只有立柱的开放空间（图12）。
图12 只有木柱林立的入口门廊
在这一开放空间中，要求立柱不但可以承受垂直方向荷载，同时也需要满足抗震、抗风等水平方向的稳定。因此，首先将105mm立柱置于1 995mm网格交点上，下方与混凝土基础相连。柱子上部与105mm桁木相连，桁木之上紧密排列着105mm木材，与桁木垂直形成平屋顶面。木结构平屋顶则与混凝土结构相连，水平荷载全部通过屋顶传递至混凝土结构，入口门廊部分只需要承担垂直荷载。木结构屋顶构面，由于105mm木材依次排列，抗剪刚度较弱，因此将屋顶构面木材通过全螺纹螺栓在两侧和中央部分压紧相连，增加抗剪刚度的同时并不影响屋顶结构的抗弯性能（图13，14）。
图13 为提高木结构屋面力学特性而使用全螺纹螺栓加固
1 实心钢柱24；2 金属构件PL 6mm×60mm×60mm；3 梁105mm×105mm；4 屋顶竖向杆件；
5 tk5 长165mm；6 檐椽105mm×105mm@105；7 柱
图14 入口门廊结构详图
4.2 越屋根
在纳骨堂和通道上方的双层挑高屋顶，沿纵轴方向在建筑两侧设置高位连续采光窗。双层屋顶的下方与混凝土基座相连，有效地抵抗负风压。而地震和风荷载在桁木之间及纵轴方向引起的变形，成为了考验建筑抗侧力体系的重要课题。
一方面，由于屋顶连续开窗，导致完全没有剪力墙和斜撑，纵轴方向的抗侧力体系较弱。一般情况下，设计会考虑以斜撑来加强抗剪刚度。尽管斜撑较为纤细，但仍然会有突兀感，影响美观。因此，在立柱之间设置了105mm木材叠摞组成的半高抗剪加固构件，确保独立柱结构的水平刚度满足设计需求（图15，16）。
图15 二层屋顶抗侧力体系
图16 建筑纵向抗侧力体系
另一方面，垂直于纵轴方向通道和纳骨堂上部会有负风压的情况出现，荷载为向上的拉力，而这个方向无法加入木墙提高刚度。因此，在较低的一层屋顶上加入斜撑杆件加以固定，确保了屋顶在垂直于纵轴方向的水平刚度满足设计要求（图17，18）。
图17 建筑横向抗侧力体系
图18 二层屋顶结构详图
4.3 细部
当暴风来临时，木结构部分将承受较大的向上拉力，这就要求构件之间的连接节点刚度必须满足极限工况。例如本案连接节点结构外露的情况，木结构立柱和横梁或台基之间的垂直方向连接采用埋入式钢管（起到柱头榫的作用）加销钉的连接方式较多，但这样的节点有强度较低及木材开口较大的缺点。于是，我们改用带有底座的钢棒插入木梁，并穿进立柱内，从柱子侧面插入冲钉（Drift Pin）加以固定。这样细微的改动，使节点更加美观的同时也大大提高了节点刚度。
注释
越屋根：屋顶顶部因采光、通风、排烟等需求，局部增设向上挑高的小部分二层屋顶。
项目信息
建设地点：日本高知县高知市
设计单位：堀部安嗣建筑设计事务所
建筑规模：195.84㎡（地上1 层）
主要结构：混凝土结构、木结构、平基础
建成时间：2013
摄影：堀部安嗣建筑设计事务所
获奖：日本建筑学会奖（作品）（2016）
[山田宪明]
山田宪明构造设计事务所（Yamada noriaki Structural Design office，YSD）创始人、主持结构工程师，曾任早稻田大学和信州职人学校讲师。曾获日本制造业大奖、日本国土技术开发奖最优秀奖、日本JSCA 作品奖、日本构造设计奖、日本木材技术中心理事长奖等。
[陆洋]
山田宪明构造设计事务所结构工程师， 曾任职于德国斯图加特Schlaich Bergermann Partner（SBP）建筑结构咨询公司，主要研究方向：大跨度钢结构、轻结构、悬索结构、木结构等。
注：本文全文已刊登于《建筑技艺》2018年2月刊《从设计到建造》中，想了解本期更多精彩内容，请点击下方杂志封面。
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