1、中国木结构浅谈 祝恩淳 潘景龙 哈尔滨工业大学土木工程学院 木结构研究中心主要内容 1 引言 2 中国古代木结构 3 建国后的中国木结构及现状 4 中国木结构展望 5 结语我国木结构建筑历史辉煌悠久，是中华文明的重要组成部分，且对日 本、朝鲜等邻国产生过重要影响。建国初期，木结构曾在国民经济建设中发 挥着重要作用。由于木材短缺，至上世纪七十年代末，木结构在中国的研究 应用陷于停滞，时达二十余年之久。上世纪九十年代末期我国引进北美轻型 木结构，标志着木结构的研究与应用在我国逐步恢复。 本报告将介绍中国古代木结构的主要结构体系和节点连接特点，通过几 个实例展现了中国古代木结构所取得的成就。对建国后
2、中国木结构由兴盛到 停滞再到复兴的历程进行了回顾，对中国木结构的现状进行了陈述。认为， 发展具有中国特色的木结构，首先要深入学习了解国际木结构先进技术，大 力开展科学研究，完善木结构设计计算理 论，加强木结构类技术标准的制订， 促进适合于建筑结构用木（竹）产品的研发和生产。一家之言，观点难免存 在有失偏颇之处。供同行参考，并欢迎批评指正。 1 引言2 中国古代木结构 2.1 考古发现 分别代表两河流域文明的浙江余姚河姆渡遗址 和西安半坡遗址 ，则表明早 在七至五千年前，中国木结构技术已达到了相当高的水平。 河姆渡晚期木柱残段及柱脚: 木柱已用石斧等工具加工成矩形截面； 由于此地水丰湿润，土质软
3、弱，已采 用木桩或图中可见的木板作基础。不 可否认，这就是现代桩基础和片筏基 础的鼻祖。 河姆渡遗址榫卯连接的形式: 遗址残存木构件表明榫卯连接在当 时已相当完善。图中所示是归纳出的 几种常用形式。这类榫卯连接在随后 的数前年岁月里沿用、演化，以致成 为我国木结构连接的特点之一。西安半坡遗址某房屋木构架的复原图: 其木柱布置已略呈柱网，房屋已具“间”的雏形， 中间一列四柱高出檐柱以承托脊檩。中国木结 构典型的梁柱式构架初现于此。2.2 古代木结构的结构体系 中国古代木结构在上述原始雏形的基础上不断演化改进，逐渐形成了 梁 柱式构架 和穿斗式构架 两类主要体系。 北京故宫太和殿的横剖面图-梁柱式
4、构架 典型的梁柱体系 梁柱式构架: 柱网下以石础为基，上或以榫卯或以斗拱（大型重要建筑） 承托横梁（古名额、枋）；横梁上再立短柱，承托更上一层横梁，最上层横梁 承托檩子。横梁跨度自下而上逐层减小，形成坡屋顶构架。 与西方木结构体系不同，中国古代木结构并不采用任何形式的桁架（屋架）。全部柱子落地式 部分柱子落地式 穿斗式构架示意图 穿斗式构架 流传于长江流域及以南地区，主要用于民间住宅建筑。穿斗式构 架的主要构件有柱、穿枋、斗枋、纤子和檩子 。穿枋沿房屋横向穿过柱子形成 木排架，斗枋象梁柱式构架中的额枋沿纵向穿过柱子，以固定排架，从而形成 木框架。纤子搁置于斗枋之上，以便铺设楼板。檩子直接搁置在
5、柱顶上，而不 同于梁柱式构架搁置于梁头上。2.3榫卯连接与斗拱连接 榫卯连接:自然界中树枝杈生于树干，树干、树枝有机地“连接”为整体，形 成可以承重的结构。观察一含木节的树干的纵剖面，会发现节孔恰似一卯眼， 枝根恰似一榫头插入节孔。这可谓一种天作之合的“榫卯”连接。效法自然，将 梁（枋、额）等水平构件端部切削成榫，在柱上凿孔为卯，梁柱便通过榫卯连 接为一体。这种连接浑然天成而历久不衰。 连接梁柱的榫卯 木节- 天然的榫卯 连 接斗拱 佛宫寺大殿中的斗拱连接 斗拱连接: 树干顶端向上向外生长枝杈以承托树冠，承重力与风力，可谓树 状结构。古代木结构中，在柱顶向上向外逐层叠放弓形悬臂构件，是谓拱；拱
6、 与拱之间设置方形木垫块，是谓斗，合称斗拱以承托横梁。斗拱增大了梁的支承 长度，减小了梁的跨度，且便于形成屋面挑檐。斗拱连接恰似由树干顶端扩展的 树冠，是效法自然的又一杰作。 榫卯与斗拱 连 接 是一类半刚半铰的节点，各部件间具有摩擦、滑移的能力， 节点具有耗能功效。加之木材本身的韧性较好，因此中国古代木结构具有良好的 抗风、抗震能力，这是宋代以降我国众多古代木结构得以传世至今的原因之一。2.4中国古代木结构范例 1应县佛宫寺释迦塔-我国现存最古老、最高的木结构 应县木塔 应县木塔剖面图 应县木塔全貌位于山西应县城内西北佛宫寺内，俗称应县木塔。木塔建于辽清宁二年 （公元1056年），金明昌六年
7、（公元1195年）增修完毕。是我国现存最高最 古的一座木构塔式建筑，也是唯一一座木结构楼阁式塔。塔建造在四米高的台 基上，塔高67.31米，底层直径30.27米，呈平面八角形。第一层立面重檐，以上 各层均为单檐，共五层六檐，各层间夹设暗层，实为 九层 。因底层为重檐并有 回廊，故塔的外观为六层屋檐。塔身采用内外两环的柱网布置，内环柱以内为 内槽，在明层内形成高敞空间供奉佛像，外槽则提供人流活动空间。暗层 为容 纳平座结构和各层屋檐提供空间，同时亦为承托其上明层的 平台 。平台式轻型 木框架有类于此。 木塔所有各层间的上下柱是不连续的，此亦有类于 平台式轻型木框架。上 层柱的柱脚插入下层柱柱头的
8、斗拱中，但外檐柱与其下方平座层柱共轴线，而 比下层外檐柱内移半个柱径。这种构造方式称为“ 叉柱造 ”，是唐、辽时期木 构建筑的传统作法。与之对应的是“ 永定柱造 ”，即柱子由地面立起直通二层 平座层，类似于连续墙骨木框架。现存永定柱造的唯一实例是 河北正定隆兴寺 慈氏阁。 木塔采用当时质量较高的华北落叶松修建，历经近千年后的今天，部分 构件已发生残损，材性发生退化，如普拍枋压裂、阑额压弯等。如何采取维修 加固措施，保证木塔屹立不倒，是摆在人们面前的紧迫课题。Horioji Temple in Nara, Japan, built in 607-682-oldest standing wood
9、structure, square shaped, 31.9m high. (Chinese Tang Dynasty lasted from 618 to 907.)2宁波保国寺大殿-最早采用拼合构件的实物木结构 建于1100年的浙江宁波保国寺大殿 保国寺大殿的横断面图 保国寺大殿外貌保国寺大殿拼合柱： 1 瓜棱柱 2 贴棱柱 3 拼合柱 保国寺大殿面阔进深各三间，是典型的厅堂式建筑。 1100年完成的宋代营造法式将木构架划分为三大类， 即殿堂式、厅堂式和柱梁作。殿堂式一般用于大型建筑， 其主要特点是建筑的内、外柱高度约略相等。厅堂式则 是“屋内柱皆随举势定其短长”，即内柱比檐柱高。厅堂 式
10、一般用于中小型建筑。 现知最早采用拼合构件的实物建筑。拼合构件的记 载最早见于宋代，营造法式即对拼合柱作了描述， 而最早的实例即保国寺大殿，其外围十二根柱子为整根 木料砍制成的“瓜棱柱”，殿内四根柱则为拼合柱。其中 三根是用四条圆木相拼，接缝处贴以“瓜棱”，实由八根 木料拼成；另一根中心为整根圆木，周围贴以八条 “瓜棱”，实由九根木料拼成。 采用拼合构件的目的是为了节约木材 ，做到 小材大用。可以推测，早在宋代 ，即已面临木材短缺的问题，否则就没有必要制作拼合构件了。实际上，到明清 时期，华北地区木材资源行将采伐殆尽，拼合构件在这一时期已大量、普遍地采 用。即便是北京故宫太和殿和天坛祈年殿 这
11、样重要的大型建筑，其直径达1.06米 的绘金龙柱子，就是由多块木料拼合而成。另一方面，拼合柱构件的产生与发展 ，也是劳动人民智慧的体现。现代木结构组合构件，包括胶合木等一类工程木构 件的制作，盖可从中国古代木结构中溯其本源。明长陵棱恩殿-明成祖朱棣(1360 1424 年)墓，于1415年建成，面阔九间(通 阔66.56米)，进深五间(通深29.12米)，与北京故宫太和殿面积大致相等，同为 国 内最大之木构建筑。棱恩殿是典型的梁柱式结构，柱子全部用 整根的金丝楠木 制作，殿中央四根柱子直径达1.17米，高13米。其柱材质量之高，尺寸之巨， 施工质量之精，虽太和殿不能过之，为现存古代木结构建筑中
12、绝无仅有。 3. 明长陵棱恩殿-现存规模最大、殿柱最巨之木结构4悬空寺与真武阁-构思最巧妙、大胆之木结构 山西浑源悬空寺 悬空寺建于山西浑源翠屏山北麓离地几十米的悬崖上，初建于金代（1176年）， 现存建筑多系明清时期重建。其在结构设计方案上的大胆独特之处是，在绝壁上 凿洞，插入木梁成悬臂梁，再在悬臂梁上铺设楼板，设置立柱和梁架，建成一组 空中楼阁。在有的部位还从绝壁上升起立柱对悬臂梁加以承托。相传建于唐代的 河北涉县娲皇宫，也是一座位于悬崖峭壁上的寺庙，与悬空寺有异曲同工之妙。广西容县真武阁 建于明万历年元年（1573年） ，面阔三间，长13.8 米，进深三间，宽11.2 米 ，高13.2
13、米。其结构方案的独特之处是，中央四根金柱虽上托楼盖和屋盖，而其 下端却悬空离地寸许。其中的奥妙之一是将斗拱的拱杆延长穿过檐柱再插入中央 金柱，拱以檐柱为支点，外承屋檐荷载、内承金柱。由于支点两侧长度不同，根 据杠杆原理，很小的屋檐荷载即可抵消很大的金柱压力；其另一措施是用横梁穿 过中央金柱，横梁两端支承在檐柱上，即通过檐柱抬立金柱。3 建国后的中国木结构及现状 3.1 建国后的木结构 砖木结构（木 屋 盖 ） ： 建国初期百废待兴，而钢材、水泥短缺，大多数民 用建筑和部分工业建筑都采用了这种砖木结构形式（砖承重墙、木屋盖）。据 1958年统计，这类房屋占总建筑的比例约为46。五、六十年代所建的
14、这类木 屋盖，有的至今还在使用。在这一时期，木结构虽基本上被限制在木屋盖应用 范围内，但仍处于兴旺时期，木结构仍可与混凝土结构、砌体结构和钢结构并 称四大结构之一，在国民经济建设中发挥着重要作用。 与此同时，各高校、科研院所有众多人员从事木结构的教学、科研工作。 规范编制、科研、教学的内容也基本以砖木结构为中心。 上世纪七十年代后，木结构在中国基本被停用，木结构工作者纷纷转行， 高校木结构课程也逐渐停设，中国木结构被迫处于停滞状态，长达二十余年之 久。3.2 世界木结构的发展 发展应用呈现两个特点，一是木结构产品生产工业化、标准化和规格化 ， 以提高生产效率。轻型木结构即代表这一特点。轻型木结
15、构所用规格材和木基 结构板，都是标准化和规格化的工业产品，可以大批量生产，价格低廉；轻型 木结构所用钉连接，是木结构中最简捷的连接方式，施工效率高。轻型木结构 在北美、北欧地区得到广泛应用，占这些地区住宅建筑的90% 。世界木结构发 展的另一个特点是人工改良的木材即工程木 （Engineered Wood Products ）发展 及其结构应用，胶合木等工程木产品代表这一发展趋势，适合于建造大型复杂 木结构。大跨空间结构工程实例 日本大馆市海树体育馆 美国华盛顿州塔科马穹顶（Tacoma Dome） 日本秋田县大馆市体育馆： 建筑外观呈半个巨卵形状，长向跨度达178 m ， 短向跨度为157
16、m ，两个方向均采用胶合木拱交叉布置，系现知跨度最大的木结 构。 美国华盛顿塔科马穹顶（Tacoma Dome） 、北密西根 大学 体育馆 超级 穹顶 ： 均系采用胶合木建造的球面网壳结构，跨度均超过160 m ，列世界跨度第二、 三大的木结构穹顶。 芬兰的 Oulu 穹顶： 跨度达115 m ，是采用旋切板胶合木LV L 建造的最大穹顶。3.3 我国木结构现状 上世纪九十年代末期，以引进北美轻型木结构为标志，预示着木结构的研究 与应用在我国逐步恢复。近十年来，木结构事业在我国取得了可喜的发展，体现 在以下几个方面。 （1 ） 轻型木结构获得大量应用。据不完全统计，自2000年以来，已建成轻型
17、木 结构房屋计约2 万例，分布遍及我国大部分地区。 （2 ） 胶合木结构逐渐兴起。具代表性的实例有杭州的香积寺、苏州的欢乐胥江 木拱桥、成都的欢乐谷、柳州的开元寺以 及呼伦贝尔白音哈达旅游中心（蒙古包） 等工程。 （3 ） 具有中国特色的竹材和竹木复合材研发应用进展显著。胶合竹（Glubam ） 获注册专利，轻型竹结构体系已然成型，已经建成的还有竹木复合材示范工程。 （4 ） 一系列木结构技术标准已经或正在制、修订中，主要包括木结构设计规 范GB50005、胶合木结构技术规范GB/T50708 、轻型木桁架技术规范 JGJ/T-265 、结构用集成材GB/T26899 、木结构试验方法标准GB
18、/T50329、 木结构工程施工质量验收规范GB50206 和木结构工程施工规范 GB/T50772 。 （5 ） 一些具备条件的大专院校和科研单位，重新开设木结构课程，开展木结构 相关研究、获得各类资助，并积极扩大国际交流与合作。可以说，木结构研究与 应用在我国出现了欣欣向荣的新气象，从工程应用、教学科研到规范制定都处在 一个积极引进、消化吸收和完善提高的复兴阶段。4 中国木结构展望 4.1 发展有中国特色的木结构 （1） 我国仍然有众多的古代木结构存世，还有相当一部分少数民族地区仍一 直使用本民族传统木结构。一方面对这些 木结构建筑加强保护，使之传世久远， 一方面对这些木结构从建筑结构的角
19、度进行研究，继承发扬其精华。这是我国 木结构学界的天赐机缘，也是责无旁贷的任务。 （2） 整体而言，我国林木资源不足。在全球经济一体化的今天，从国际市场 进口木材和木结构技术，毋庸置疑，是我国木结构发展的重要途径。但我国有 4千多万公顷的人工林资源，总量具世界 第一。合理开发利用我国的林木资源， 利用人工树种研发现代工程木产品，并基于这些产品研发木结构体系，是我国 木结构发展的另一条途径。针对木材资源不足的特点，象五、六十年代的砖木 混合结构那样，研发木-混凝土结构，将轻型木结构和轻型钢结构相结合，研 发轻型钢木结构，利用间伐小径材研发小径木轻型木结构等，都不失为结合国 情，发展我国木结构的途
20、径。 （3） 我国有近4百万公顷的竹林资源，总量也居世界第一位。我国劳动人民也 有利用竹材建造房屋的悠久历史。我国学 者已研发了轻型竹结构和竹木复合材， 倘若能实现胶合竹等竹材产品和竹木复合材产品的标准化、工业化生产，确定 这类产品的强度设计指标和完善其结构的计算设计理论和方法，竹结构和竹木 结构在我国将大有可为。4.2大力开展科学研究，完善我国木结构计算设计理论 现代木结构离不开计算设计理论与方法的指导。我国现有木结构计算设 计理论基本以苏联计算理论为基础，适用于工地现场制作木构件（主要是木桁 架）所建的木结构。现代木产品的进入和研发，理所当然地需要更新现有理论 和方法。引进参考国际先进经验
21、是必要的 ，但需要消化吸收，不能照搬。因此， 应结合国情，博采众长，发展我国木结构 计算设计理论。列举几个面临的问题， 供参考。 （1） 受压和压弯木构件稳定系数的计算问题。稳定系数实际上与材料的弹 性模量和强度的比值（E/f c ）有关。以规格材为例，同树种不同等级的规格材其 顺纹抗压强度变化甚大，而弹性模量变化不大，因而比值（E/f c ）相差甚大。故 同一树种不同等级的规格材，在同一长细比下应有不同的稳定系数。而我国稳 定系数的计算方法是以树种强度等级来区分的，即同一树种在同一长细比下， 不论其目测等级是Ia, 、IIa 还是IIIa，都是相同的。以云杉-松-冷杉（S-P-F）受 压规格
22、材构件为例，假设长细比为60，按我国现有计算方法，其稳定系数为 0.54；若该树种的规格材，目测应力等级分别为Ic c，则按NDS2005 计算方 法，其稳定系数分别为0.716、0.753、0.753和0.853。与我国规范比，偏差达到 3358% 。4.2 大力开展科学研究，完善我国木结构计算设计理论 （2） 节点连接抗力的计算方法。以销连接为例，我国计算方法是弹塑性假 设，假定被连接的木结构木材材质相同，连接达到极限状态的定义是销和销槽 承压同时达到极限状态（销屈服、木材达到极限压应变），而美欧等国家则采 用刚塑性假设，考虑被连接材料的材质不 同和取多种失效模态中的最低承载力。 显然国外
23、的计算方法更适应现代木结构的需要，但我国的计算方法也有其独到 之处。 （3 ） 木结构的可靠度。任何结构都应满足建筑结构可靠度设计统一标准 GB50068规定的可靠度指标，都应在这个前提下确定材料的设计指标。研发工 业化、标准化的现代木产品和竹材产品，引进国外木产品，都涉及到在满足我 国可靠度要求的前提下确定木材强度设计指标的问题。因此，我国木结构的可 靠度仍是一个值得研究的问题，也包括正常使用极限状态的可靠度问题。虽然 这些都是老课题，但随着木产品的出现，需要深入开展科学研究，去重新认识 并解决这些问题。 对待计算理论和方法问题，并不宜简单地持肯定或否定的态度，不宜照 搬国外方法。需要更深入
24、的研究，继承和发扬具有中国特色、体现中国研究水 平的理论和方法。4.3 加强木结构类技术标准的制订 木结构的发展离不开木结构类技术规范的指导和约束，技术规范与木结构 的科研和教学工作有重要的相互影响作用，规范编制工作的重要性是显而易见 的。值得肯定的是，我国木结构类技术标准的体系已基本形成，其中包括胶合 木（结构集成材）、规格材、锯材产品标准，木结构设计、施工和质量验收规 范以及木结构试验方法标准。需要完善的首先是设计计算理论的改进，这有赖 于我国木结构研究工作的进展。另一点是明确各规范的分工，加强各规范间的 联系和协作。例如现行木结构设计规范中 关于原木、方木、规格材的定级标准、 树种识别，
25、甚至层板胶合木的组坯规定等，宜由相应的木产品标准作出。现行 木结构工程施工质量验收规范中关于胶合木工厂生产的许多规定也宜放到相应 的木产品标准中。制定技术标准，需要深入学习和了解国际先进技术，并与我 国国情相结合，使技术标准本土化，能执行。4.4促进结构用标准化、工业化的木和竹木产品的研发、生产 我国已引进规格材，这是一种标准化、工业化生产并经强度定级、标识的 木产品，同一树种或数种组合的木材划分为不同的强度等级。北美地区方木、 锯材以及胶合木等工程木，也都是标准化、工业化生产的木产品（这些木产品 类似于我国钢材或型钢产品）。我国对各树种或树种组合的木材也规定了其材 质等级，例将原木、方木和板
26、材按外观质量划分为三个等级，但对其强度指标 不作区分，仅规定了其不同用途，即缺陷少、纹理直的木料用于受拉和拉弯构 件，差一点的用于受弯构件，更差的用于受压或受力很小的构件。实际上，木 材的各类缺陷对其强度的影响往往超过树种的影响。例如按我国木材强度等级 的划分方法，美国树种云杉-松-冷杉（S-P-F）属强度等级较低的TC11-A ，而 花旗松-落叶松（Douglas Fir-Larch ）则属于强度等级较高的TC15-A 。但前者目 测应力等级为IC 的规格材的强度指标（fm=13 N/mm 2 ）远超过后者IIC （fm=11 N/mm 2 ）及以下等级的规格材。由此可见，采用按标准化、工业化生产的木产 品，采用既考虑树种又考虑木材品质等级的方法划分木材的强度等级能更合理 地利用木材资源，符合现代木结构发展的趋势。中国木结构的历史是辉煌的，未来是光明的。但复兴之路任重道远。愿 我们共同努力，促进我国木结构事业的发展，为我国木结构事业的复兴作出 应有贡献。 5 结语 谢谢您！
