劉妍：看不見的構架
我們對西方的教堂都比較熟悉，在教堂里抬頭能看到的是穹頂，而今天要討論的結構一般是很難有機會看到——就是藏在這層穹頂之上的木屋架，所以我們這期講座的題目叫“看不見的構架”。（見圖1）
圖1
不只是我們中國，歐洲同樣有非常久遠的木構建筑歷史，歐洲德語區(qū)出土的榫卯最早在七千年前。不僅如此，歐洲學界早在十九世紀末期就開始了對木構建筑的研究，出版了一批研究建筑木構的著作，包括有：《木構藝術》（1880年出版）、《屋頂結構發(fā)展史》（1908年出版）、《中世紀到18世紀德語區(qū)教堂屋頂結構》（1991年出版）和《bamberg屋頂八百年》（2004年出版）。其中，《中世紀到18世紀德語區(qū)教堂屋頂結構》是到現(xiàn)在為止集大成的一部著作，我們接下來對屋頂發(fā)展歷史的梳理，也是來自這本書。
在研究手段上，歐洲的樹木年輪技術比較成熟，只要還有留存的建筑，重要的屋頂結構，他們都會做樹輪測定，得到一個非常精確的紀年，對其形式和發(fā)展做一個很精確的歷史梳理。對此我覺得中國的學者還是很艷羨的，因為我們到現(xiàn)在還沒有一個很精確的斷年的方法。
在研究范疇上，歐洲的木結構研究主要在兩個方面：一個是框架房屋（Fachwerk），類似于我們南方的穿斗民居，另一個是屋頂（Dachwerk），今天我們要講的就是屋頂這方面的內(nèi)容。
在討論具體的屋頂發(fā)展之前，我們先談談關于木構屋頂?shù)幕靖拍睢?/p>
常見的木構屋頂有兩種最基本形式： 檁屋頂和弦屋頂。檁屋頂?shù)闹饕慕Y構構件是檁條，支承在下面的柱架上。檁條上面的椽子是相對自由的，可以釘也可以懸掛在檁條上。從屋頂結構的發(fā)展來看，檁屋頂是一種相對原始先期的屋頂，包括我們中國古代的抬梁和穿斗屋頂、希臘神殿的屋頂，都屬于檁屋頂；（見圖2）
圖2
弦屋頂就是我們常說的三角屋頂，其最主要的持力構件是上弦（三角形的兩條短邊），兩根上弦被下面的梁拉結在一起。從結構上講，弦屋頂可以看作是拱結構，兩根上弦形成八字拱，拱結構是有側推力的，下面一定要有弦的聯(lián)系梁來拉緊。而檁屋頂是不需要側推的，他們每根構件的力都是直接向下傳遞，所以對比檁屋頂，弦屋頂相對要成熟一些。西方教堂的屋頂基本屬于弦屋頂。（見圖3）
圖3
這里澄清一個概念，弦屋頂?shù)纳舷以谟⒄Z里面一般的譯法是rafter，而檁屋頂上的椽子在英語里面也叫做rafter。所以在中國翻譯的中，經(jīng)常把弦屋頂?shù)纳舷医凶龃@個其實是個非常大的誤區(qū)，把這兩種結構在建造思維上面的區(qū)別抹殺掉了。
下面我們來談談德語區(qū)木構屋頂?shù)陌l(fā)展。
德語區(qū)留存最早的三角屋頂大概是在十二世紀初，最簡單的就是一個三角形。為避免上弦下垂，早期的工匠在采用斜撐來支撐上弦，提高了結構穩(wěn)定性。稍微晚期點的支撐結構更加的豐富，增加了更多的橫向支撐，來保證三角屋頂穩(wěn)定性。（見圖4）
圖4
到十三世紀中后期，由于對教堂屋頂審美要求提高，在財力不足以建石構拱頂時，他們會用木構屋頂來形成看似像拱券的效果。基本的方法就是在人字形的三角屋架上面加入一些略微帶彎曲的斜撐，形成一個類似拱架的結構，并以聯(lián)系梁承擔兩邊的側推力。這樣形成了若干個相對比開敞較大的屋頂空間。當財力足夠建石構拱頂?shù)臅r，也可以使用同樣的結構來為拱券來讓出空間。（見圖5）
圖5
到十三至十四世紀，為了在出露明屋頂下部提供大跨度空間，現(xiàn)了另外的一種非常盛行的加固方法：利用斜撐在上部形成剪刀型的拉結。由于上部形成了若干個小的三角形，且兩個構件是斜向相交的，有效的增加了節(jié)點之間的拉結面積，從而保證了整個拱架的穩(wěn)定。同時還可利用下部聯(lián)系橫梁之間的空間修建磚石拱券。
當教堂有多個跨，跨度比較大時，出現(xiàn)了在中間跨使用三角屋架而兩邊加披的方式來擴大整個屋架的結構，這和中國唐代到遼代的建筑特征類似。（見圖6）
圖6
整個屋架用一種三維的結構方式結合成整體。每隔若干屋架之間，使用一根使用下部拉結大梁的三角屋架。其他的框架不使用大梁，而通過墻面上的、受大梁固定的縱向梁固定，抵抗拱結構的側推力。這種大梁叫作Ankorbalken,德語的Ankor就是英語的anchor, 就是“錨”。（見圖7）
圖7
隨著屋架跨度的進一步增大，跨中開始使用帶有拉結作用的立“柱”。它可以設置在下弦中間，當中間有拱券擋住它位置的時候，可以設置在兩側。發(fā)展到十四世紀初，連接梁的形狀就像健身用的拉桿一樣，削小中間部分的直徑以減小自重。是非常明確的受拉構件。
同在這個時期，由屋頂?shù)臉嫾茉阶鲈酱?，側向穩(wěn)定成為要解決的問題，所以增加一些拉結屋架的側向穩(wěn)定構架，使他們不會發(fā)生側向的傾倒。（見圖8）
圖8
到十五世紀時，隨著教堂發(fā)展的興盛，屋頂變得越來越大，中柱起到結構拉結作用也越來越大，因為中柱受力會回到上弦，又給上弦增加了非常多的結構的壓力，所以在這個時期呢又發(fā)展出了非常多的辦法來分擔中柱上的受力，比如說通過在上弦下面做一個平行的上弦來分擔受力，或者在中柱上用很多斜向的構件形成向上的拉結，或者就是把中柱的和下面的連系梁分開。這種結構的出現(xiàn)，是因為工匠面對的挑戰(zhàn)越來越多，于是他們采用各種方式來“修補”結構。（見圖9）
圖9
在這種情況下，屋架開始向下一個步驟發(fā)展，隨著屋架本身的增大，受拉的柱子和斜撐越來越大，它們自身也會需要一些支撐，中柱就從受拉構件回到了受壓柱子的作用，它更多的是把力傳遞到下面，并且用這些斜向支撐來分擔下面若干個連系梁上的受力，從而出現(xiàn)了一種樹狀的過渡性的構架。（見圖10）
圖10
德語區(qū)建筑從這種樹狀結構上發(fā)展出了一種叫做“stehender Stuhl”,字面義就是“立凳”構造：把中柱變成主要結構組件，像凳子一樣支撐著上面的連系梁和整個屋架。（見圖11）
圖11
“立凳”不僅是支撐結構，在施工上也能起到輔助支撐的作用。我們可以看它的施工步驟：先布置底下兩根縱向沿墻的梁和橫向的連系梁，再在連系梁上面立凳子，凳子相當于框架結構，凳子上面繼續(xù)往上立中柱，然后安裝斜架的支撐，最后是屋架的上弦，形成完整的屋架結構。立凳結構屋頂邏輯清晰，它的出現(xiàn)標志著德語區(qū)屋架結構進入成熟階段。（見圖12）
圖12
“立凳”結構出現(xiàn)之后發(fā)展出了多種變型，比如它會把這種”立凳“與豎向的受拉的柱子結合使用，并且通過若干層的凳子形成非常大的屋架。這個大屋架如果在民居或者在城市的商業(yè)建筑中屋架幾乎可以說是建筑的主體，變成了重要的使用空間。（見圖13）
圖13
對于大跨度屋頂結構,可以看到像這樣的屋頂相比早期的加披大跨度屋頂已經(jīng)有進步，它中間的主坡跟兩邊側坡統(tǒng)一在一個完整的構架之下。為了實現(xiàn)結構完整，它在中間立了像凳架縱向磚石柱來分散掉結構本身跨度的問題。（見圖14）
圖14
在十四、十五世紀，這種結構在大的教堂經(jīng)常用到，在教堂上部形成非常壯觀的的空間，下面是漢諾威Marktkirche教堂屋架內(nèi)部的照片，它的構件在交接的部分形成非常復雜的節(jié)點，其難度已經(jīng)不亞于中國建筑與家具的榫卯節(jié)點了。（見圖15）
圖15
在十五-十六世紀，立柱凳子在民間的建筑當中看起來像另外一種叫做liegender Stuhl, 直譯就是“躺著的凳”的結構。因為民間建筑需要把屋頂中間的凈空讓出來使用，所以將豎向立柱放到旁邊，然后用節(jié)點來進行加固，在下層形成一個剛度比較大的空間。這種形式的立柱也可以形成非常多層數(shù)，形成巨大的構架。這兩種“凳”式結構可以說是現(xiàn)在在德語區(qū)最常見的屋頂形式，它們相對來說比較成熟一些。（見圖16）
圖16
十七-十八世紀之后德語區(qū)的屋架結構就進入了巴洛克時期，這一段時期屋頂構架看起來更加豐富復雜。巴洛克時期是董書音下面的案例所討論的范疇，等下由她來給大家介紹，我就不多講了。
飛速的過完了發(fā)展史，讓我們來看一下歐洲的工匠所使用的工具。
歐洲的工匠使用的工具和中國還是比較相近的，從十六世紀的版畫中可以看到，他們平木用的斧子，跟中國斧子的形狀略有不同，但功能是一樣的，還能看到他們也有曲尺和墨斗。在具體的工法上也有不同，比如他們在做榫孔的時候，一般會用鉆先鉆孔，而中國的工匠不用鉆，就直接打鑿。木構民族在處理木構的工具和材料上，還是具有一定相似性的。（見圖17）
圖17
接下來談談屋架建造的過程。因為屋架尺度太大了，長邊的連系梁大概有三十米甚至更長，所以他們在地面上先放樣，之后再把所有的構件在地面上進行拼裝，使每一個構架的節(jié)點跟尺度大小相似。拼裝完之后在構架上做上標記，標記這是哪一品構架的哪一根梁的位置，再將構架拆解，用吊車吊到屋架上面去。地面拼裝的這個步驟可以解釋西方的構架中為什么常用“搭掌造”這種連接形式，因為需要在地面上拼裝，若用穿孔連接，會穿不過去，所以采用“搭掌造”這種榫卯相卡的方式來連接。（見圖18）
圖18
最后提一本有意思的書——《Cathedral of Chutreaux》，作者是David Macaulay一名美國科普畫家，這本書講述的是法國一座十三世紀大教堂的建造過程，其中關于屋頂?shù)慕ㄔ爝^程是這樣：外墻修建完成之后開始吊裝屋頂，首先用吊車把在地面經(jīng)過拼裝調(diào)試的屋頂構件一件一件的吊上去，再將這些構件再次組合，完成屋架拼裝。屋架完成后，開始吊裝木拱架，再以木拱架為支撐和模板，在其上砌筑磚石拱券，再拆掉木拱架支撐，磚石拱券完成。在整個上面結構完成之后，再安裝玻璃及一些相對脆弱性的構件，直到整個教堂完成，成為我們今天所見的大教堂。（見圖19）
圖19
最后回到我們的題目：“看不見的構架”，它是整個結構的幕后英雄，支撐著屋頂，并且在結構的建造中發(fā)揮著施工輔助的作用。
董書音：工匠的選擇
研究案例 -- 維也納霍夫堡皇宮
項目背景：霍夫堡始建于13世紀，長期作為奧地利皇室宮殿存在，現(xiàn)在作為多個博物館及政府辦公室包括總統(tǒng)辦公室，遺產(chǎn)保護中心等機構駐地。經(jīng)過六百年持續(xù)不斷的加建和增建，有各式不同的屋架類型。
紅色部分為研究區(qū)域，處于瑞士翼（Swiss Court）、力奧波德翼（Leopold Wing）和儀典大廳（Ceremonial Hall）三塊屋頂?shù)慕唤游恢谩?span>
力奧波德翼建于1681年，采用凳式屋架系統(tǒng)，中間有墻體支撐；
瑞士翼建于中世紀，但至今遺留下來的屋頂結構，根據(jù)年輪測定應是建于1680年，亦是采用凳式屋架系統(tǒng)，中間有一個懸掛柱，避免下方的聯(lián)系梁因為自身的重量彎曲、斷裂；
儀典大廳建于1802年，采取更有效率的桁架的組織方式來懸掛梁架，并且通過梁架懸掛下面的天花板。
研究區(qū)域位于三塊屋頂?shù)慕唤犹帲?jīng)過現(xiàn)場調(diào)研后，發(fā)現(xiàn)它不同尋常的地方：
1. 凌亂的頂部
2. 無用之檁
3. 角度異常檁
4. 穿越中的斜梁
為什么會出現(xiàn)這些情況？為了解決這幾個疑問，必須先了解初始結構是什么樣，又經(jīng)過了什么樣的變遷而形成現(xiàn)在的樣子。首先透過相關圖像與歷史追溯：
在歷史圖像資料中，研究區(qū)域的這塊屋頂最早在十六世紀中期出現(xiàn)，當時叫做兒童翼。一個世紀后，擴建形成力奧波德翼，但建成三年后在戰(zhàn)爭中焚毀。重建之后的翼有了變化，在塔和力奧波德翼中間增加了一個小露臺，可能是為了避免大火從一個屋頂連燒到另一個屋頂。在十八世紀，維也納皇宮拆除了四邊的角樓。十九世紀早期，儀典大廳建成，拆除了一部分屋頂，之后就少有變化一直持續(xù)到現(xiàn)在。
另外，通過樹木年輪測定法，推定主結構的建成的年代是1753年左右，也就是文獻記載西北角的角樓被拆毀的同一年。
同時，通過對遺失和加建的部分進行調(diào)查，從木材尺寸及榫卯的搭建方式可以判斷頂部結構并非是原始的屋面構架，而是為了迎合當時所流行的孟莎頂來進行加建的。
19世紀前后，孟莎頂盛行。18世紀的皇家圖書館設計，采用了緩和的孟莎頂。而在一個世紀之后，力奧波德翼改建，在原來的兩折屋頂上，覆蓋了一個緩和的頂架偽裝成是一個孟莎頂。
據(jù)此，我們可以進行還原：假定屋頂中軸線在懸掛柱中心，鏡像對應后形成三角形屋面，正好覆蓋了屋面的跨度，這可能是最接近原始屋面的形式。
那為什么會創(chuàng)造出三折的屋面呢？
據(jù)推測力奧波德屋面在1683年建成時，保留原有墻基作為構件基礎，于是出現(xiàn)了一個非等分的兩個三角的體系。
而當工匠在處理如何在平臺上架設屋頂時，他們決定在原力奧波德翼的輪廓的基礎上重新設計屋架結構。他們?nèi)确至宋菝婵缍?，?chuàng)造出一種三折屋面，分散屋架負荷，并營造了屋架底部的無柱空間。
在確定最早期的屋面結構是一個三折屋面后，現(xiàn)在要解決的是“角度異常的檁”和“穿越中的斜梁”的問題。
三折屋面和原瑞士翼屋面相接時，可能有兩種連接方式：
1. 以山墻直接隔斷
2. 用斜面和瑞士翼的屋面相接
通過判斷穿越中的斜梁是否屬于原初屋面結構的一部分，或許能幫助我們判定當時的屋面是采用了哪一種交接方式。
在現(xiàn)場不同的構件上，可以看到早期工匠所留下的不同符號。工匠記號是與屋架施工方式有關的工匠標記。工匠在制作屋架時，會先在地面進行組裝，組裝的時候會在每一品的梁架上標記號，以確保在梁架拆散后還能認出梁架從屬，再行組裝。不同組工匠或是不同時期的工匠會使用不一樣的記號。
通過對于工匠記號的研究，斜梁上的標記和交接屋面的第四榀梁架上的標記完全相同，可以判定這榀斜梁是屬于當時原初屋架結構的一部分。由此我們可以判斷該梁的作用是用于聯(lián)系和承接從瑞士翼延伸到屋面的斜向構件，并可以倒推出當時為斜面相連的交接方式。
在這個屋架施工完工后50年，為了營造儀典大廳，建筑師決定拆除部分始建于1753年的屋架。而從穿越斜梁的所在的位置可以推斷，原有屋面的南面輪廓比現(xiàn)有輪廓偏北，因此工匠除了拆除部分的原屋架外，事實上還將原有建筑的邊界外推。
由于屋面外推，屋面坡度產(chǎn)生了變化，工匠在改建的過程中，謹慎地保持原主屋架不變，重新調(diào)整了檁條角度。
最后，我們可以總結，在研究區(qū)域的這塊屋頂上有過三個階段：
1. 新建；2. 儀典大廳建成之后，進行了第一次改變，切除了差不多三分之一的部分；3. 在孟莎頂?shù)募咏ㄟ^程中，增建頂部上層屋面的結構。
（以上內(nèi)容均根據(jù)講座現(xiàn)場錄音和主講人提供的演示文件整理而成）
文字整理：林宜萱、楊磊；錄音整理：韓西峰；格式校對：華益
