建筑讲堂23 | 木结构的溯古追今（上）

唐安闻箫 2025-01-18 发布于湖南

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木结构这个专题我从三个部分来展开。第一个部分是讲木结构的发展简史，我同时会讲到古代的东方木构和西方木构的演化过程，以及它们演化的逻辑和线索，然后再到近代和当代木结构材料本身产生变革的原因和演变过程。

第二部分我会缩小范围，主要以目前学术界认为的最具有代表性，最能够成为未来统治性的新兴当代木材料，叫做正交胶合木CLT（Cross Laminated Timber）的一些特性。它的特性就能够涵盖所有其他当代木结构的特性，因为它的性能优于别的材料的性能。

最后就是简单的介绍一些当代木结构的案例，它能够做到什么样的程度，它能够表现出什么样的空间，拥有什么样的结构特性等等。

木结构发展简史：

那就让我们从历史开始吧。在开始之前，给大家看两张图，不知道有没有同学认识的？

图1-2 日本清水寺与德国艾斯林根市政厅对比

左边的建筑是日本的清水寺，右边则是德国的一个市政厅建筑。那么它们两者的对比基本上就代表了东方和西方古代木构的对比，这一点我暂且按下不表，后面再做分析。

2.1 西方古代木构起源

我们先从西方的木构起源说起，因为东方那边相对比较简单、大家也都比较熟悉；同时呢我会先讲西方的，我们现在所使用的现当代木结构，也是由西方的木构体系演变而来的，东方木构体系则因为被西方的科学技术体系冲击，没有能够继续演化下去。

西方的木构起源，由于没有实物的考证、考古的遗存，所以它主要来源于文献资料或者说口述史的一些传说等。这种基于非实证的理论基本上都会带有一定的个人主观意见，会像是一种神话、野史一样的性质，因为它在述说的时候肯定是为了论证什么东西，就像我们经常说理论理论，它是要为了论证一个东西，他才会去把它用理论化的言语诉说出来，用逻辑去证明出来。

大家可以看到这张建筑界耳熟能详的原始棚屋图，它其实就意在论证原始棚屋的这种木构是希腊建筑的起源。洛吉耶（Marc-Antoine Laugier），是18世纪很出名的一位天才建筑理论家，他依据自己的研究考证提出了原始棚屋这种建筑的原型——他认为最开始的建筑就是由下面的4根原木柱子作支撑，上面顶着4根原木梁把柱给联系起来，然后在上面架上去2根这样斜向交叉的原木，这样子就构成了一个建筑形式的基本原型。可以看出在这个原型中，下半部分的柱形成了后来的古典柱式，上半部分的斜撑形成了山花面，也就因此被认为是希腊古典建筑的原型。

图3-4 原始棚屋的构想

在这里大家需要关注一下右图中的结构，它的建造方式跟我们东方的建造方式实际上是不一样的，你会发现图中斜向的这两个原木是直接架在这个横向联系的原木上的。这是什么意思呢？大家如果把这个和跟中国的木构进行对比就会发现，中国古代的木构斜向的屋架构件是架在柱子上的，它是有飞檐的；但这里西方所谓的原始木构里它是没有檐的。所以你们会看到，无论是神庙还是别的什么建筑形式，但凡从山面望过去，都会看到它是没有挑檐出来的一种形式，是一个完整的轮廓，而不是一个飞檐挑出的轮廓。

我们从两个轮廓就能够区别出东方和西方的两种木构架的力流走向。从洛吉耶原始棚屋看来，斜向的原木搭到横梁而非柱上，代表了一种斜向的力流走向，这种沿着木材行走的力就是所谓“轴向力”，是最符合木材材料性能的力学运用。

大家都知道木头的性能是各项异性的，它有一个顺纹方向和一个逆纹方向。本科阶段我们都做过模型，模型的木板材它有一边是特别能够抗弯的，一边是不能抗弯的，这就是顺纹和逆纹受力的区别。所以在原木材料中也是一样的，它在顺纹方向受到压力时，是最能够符合它原来的力学性质的一个使用方法，因为树木就是这样抵抗重力的。

除了洛吉耶之外，还有不少理论家都对木材的起源进行过探究。

正如我刚刚所说的，由于没有实证可考，学者们在做理论时就会有一些编撰、有一些自己想要主观论证的东西掺杂在里面。那么19世纪理论家维奥莱·勒·迪克（Eugène Emmanuel Viollet-le-Duc）所认为的建筑起源就是典型的建筑风格论——他认为西方这边的木构起源是一位超人，把一圈树木向中心一根一根的压弯，顶端弯到一起、用一根绳子捆扎起来，于是形成了一个尖拱穹窿顶。

尖拱穹隆顶这种高耸的形式与空间特点，就是哥特式的典型特征，所以他在这里想要论证的就是一个建筑风格的起源——即哥特式建筑才是真正的建筑起源。事实上他这么说并非毫无凭据，当时中世纪大量的教堂建筑都是采取的木构穹窿顶，而勒迪克本人就是专门研究哥特式建筑的理论家和建筑师，著名的巴黎圣母院就是他修复的。

图5-6 建筑风格论的原始木构猜想

关于建筑起源的第三种论调叫作文化等级论，大家应该也都听说过，欧洲那边建筑学一直都是以欧洲中心论为基调的，就是他们认为，建筑正统就源于希腊，其他的建筑都属于一种小小的分支。确实现在我们的建筑学科也是由那边传过来的。这里有两位19世纪的建筑理论家，一位德·昆西（Quatremère De Quincy）、一位弗朗索瓦·布隆代尔（Jacques-François Blondel），他们就建筑的木构起源提出了文化等级论:为什么古希腊的建筑它能够高人一等？能够比古埃及的建筑、比东亚、印度这些地方的建筑要高一等？就是因为他们的起源是木构，由木构发展形成了古典建筑这种很美的建筑样式。

而反观埃及以土为起源的建筑，都是砖石砌筑的，这些理论家认为这样建成的神庙样式、金字塔等等就比较丑，当然这是一种偏见。他们还认为中国建筑的起源是一个帐篷，这个也是偏见，我们起源怎么会是帐篷呢？所以这是典型的欧洲中心论的思想，他们通过这个来论证文化等级的高低，认为木构的起源形式演变成了古希腊的柱式以及山花面上的三陇板檐壁等样式，是最高文明体系下诞生的建筑。

比如这个柯林斯柱式，就可以还原成一个木构形式，柱头上面的花就是树干上的树叶。而像帕特农神庙也可以还原成一种纯木构的建筑原型。

图7-8 文化等级论中的木构神庙猜想

图10-11帕特农神庙及科林斯柱头

2.2 中国古代木构起源

关于中国的木构起源，是在考纲范围内的，在书上都有的，有很多同学应该已经熟悉了。中国的起源因为有考古遗址的实证考察，所以相对比较清晰。主要是有土和木两种起源，首先是北方“土”的起源，由于北方雨水较少，人们可以直接生活在泥土中，于是就有了穴居。穴居从横穴到竖穴，再到半穴居，最后演化成为地面建筑。土的起源典型的考古案例是陕西西安半坡遗址，这是在考纲内的，大家一定要记下来，当时用于围合的墙叫做木骨泥墙，是一种很重要的做法。

那么在另一边就是南方“木”的起源。由于南方多雨，地上比较潮湿，同时有虫害、猛兽等危害，所以人们选择在树上架屋为巢，然后形式逐渐发展，就形成类似干栏式建筑的做法。

图12 北方“土”的建筑起源

图13 穴居与巢居的建筑演化图

下图是陕西西安半坡遗址，建筑中采用的木骨泥墙技术，其实直到初唐仍然在使用。这是因为中国的木构建木构技术，不管是斗拱还是整个大木作，都是到盛唐时期才发展成熟的，在此之前木构不成熟，因此需要用土和木混合的方式来辅助加强结构。大家理解木骨泥墙很简单，他就是一种钢筋混凝土的逻辑，在泥土中加木材相当于在混凝土里加钢筋，他们使得两种材料的特性都得以发挥，既能抗压也能抗拉。

另一边，在浙江余姚河姆渡遗址，刚刚说的南方的架木为巢的考古遗址，也出现了一个很重要的构造——榫卯体系。大家都对榫卯比较熟悉，所以我主要想说的是榫卯结构，是一种介于刚接和铰接之间的“半刚性”或者说是“柔性”的节点，相比于石材、砖材，它是一种柔软的节点，这使得它具有别的材料不具备的优势。

图14-15 木骨泥墙与榫卯

我们都学过，节点的刚接，是不可以转动的，在刚接处的弯矩最大；而铰接它是可以转动的，在铰接处的弯距为0，这是基本的结构知识。而榫卯形成的连接体系，它处于两者之间：虽然木材相互紧扣、刚性也很强大，但是由于材料本身的柔软，比如木材会有含水率的变化，会产生变形，因此榫卯允许一定范围内的叫做扭动、转动，这被称为木构的“冗余度（redundancy）”，是木材的一个非常重要的特性，也是我们东亚古代建筑的非常重要的特性。

2.3 欧洲木构演化

接下来讲木构的演化史。木结构的演化跟所有的结构演化一样，受到几方面的制约，首先最为重要的制约就是材料本身的制约，如果对这种制约进行突破，会有两种可能的方法：第一种是材料本身的革新，比如增加材料本身的强度，增加材料的力学性能、防火防腐性能等；第二种是建造技术的革新。事实上，在古代对材料本身的革新很难实现，比如混凝土这种混合砂浆的做法是一种革新，但是也就仅此而已，在罗马之后也没有再产生重大的突破。所以在古代，主要都是以建造技术为导向的革新，直到近代由于科学技术、工业技术的发展才开始对材料本身进行大革新，这个革新当然也带来了更加深刻的建筑变革。

如果说上述两种可能都没有实现，就会形成“样式连续”。什么叫样式连续？比如说拱顶技术，在中世纪的肋骨拱顶之后很难再进行突破了，那就只好通过一些形式上的创新，去增加这种结构所能产生的丰富性，所以后面就形成了巴洛克。单纯形式上的创新，它是没有任何的力学上的变动，只流于形式表面的，也因此结构发展一直存在着一种由“结构”而“装饰”的线索。

那么以基础材料为砖石、混凝土的拱顶为例，就是以建造技术突破为导向的演变。从普通的穹窿顶到帆拱技术，再到尖券肋骨拱顶，之后不再有技术上的大突破，所以开始产生了巴洛克——一种技术装饰化的结果。

而在巴洛克到近代，钢筋混凝土诞生了。钢筋混凝土跟混凝土最大的不同在哪里？因为钢筋和混凝土结合使得混凝土这个材料它不再只有强大的受压能力，它能够具有同等的抗拉强度。在两者兼具以后，材料就产生了重大革新，带来了后面的多米诺体系框架结构体系，使我们的建造变得更加自由、空间变得更加开放，并且强势的统治了现代以来的所有主流的建筑。

图16 混凝土材料的建造技术演化

那么我们可以思考一下，类比于刚刚混凝土的演变，木构的局限性在哪里？

就像混凝土材料的力学局限性在于它本身的抗拉性能很差，木构最重要的也是力学上的局限性：各向异性。由于木纹的存在，使得木材在顺纹方向的力学性能极其优越，相比之下在另一个方向就差强人意，这使得木材的抗弯、抗扭性能不如抗压和抗拉。那么东方和西方对木构的运用都在不断用建造技术去试图突破这种局限。

所以接下来我们以建造技术作为主要线索去说明这个问题，主要就会关注建筑中的结构和构造。如果具体到欧洲，就可以以桁架作为线索。

首先，桁架的雏形在古希腊时期就已经出现，表现为力流斜向传递的“弦屋顶”。我们刚刚讲建筑起源的时候就已论证过，原始棚屋是神庙的起源，而它上部山花的两根原木是直接搭在横梁上的，这种做法能够使力流高效的斜向传递，与东方挑檐的做法不同。

图17 古希腊时已出现的“弦屋顶”

由这种高效力流传递的方式发展，自然的形成了同样力流斜向传递的桁架技术。在罗马4世纪的时候，就已经出现了就是桁架体系中最重要的一种突破，叫做悬柱。悬柱是什么？它是一种受拉构件，我们都知道桁架里有受压和受拉的两种构件，无论是受拉还是受压构件，都是纯“轴向力”的，也就是他没有弯矩，是力的高效传递。如果架构里面没有受拉构件，就不能称为桁架，比如东方的木构就是不断堆叠的叠涩体系。所以中间这根悬柱作为受拉构件出现时，桁架就已经产生了。

为什么说它是受拉的呢？因为上方的两根斜梁直接搭接在横梁上，会产生侧推力，这个时候这根梁就起到了拉结作用，将侧推力给抵消掉。同时这根梁的跨度特别大，木材的受弯较差，承受不了，于是上面吊了一根悬柱，用拉力把横梁给拉住。

因此上面的拉杆就叫做悬柱，下面的横梁叫做束梁，两者都是受拉构件。这跟我们东方的木构体系大相庭径，东方木构体系中是不存在受拉构件的，正是因为没有受拉构件的出现，所以没有发展出桁架体系。关于东方为什么明明有斜撑（牛腿）等构件却没有桁架体系，众说纷纭。如果论述到文化层面来看，西方的木构是作为一种次要的结构技术，没有被文化意识形态，比如皇权、神权所限制；而在东方，木构是主流，是被皇权限制住的，会去“尊古制”，沿用以前的建造技术。因此西方的木构是一个纯粹技术的问题，会直接考虑力学效率最大化的做法，就产生了这种受拉构件，而东方这边可能是文化问题。

图18 老圣彼得巴西利卡

大约到了中世纪11世纪的时期，桁架技术出现了更大的突破。根据德语区的研究考证，当时的石造建筑实际上并没有木建筑多，而正是因为当时木建筑成为主流，木构就能够有技术上的更大突破。所以在当时又出现了一个重要的构件，叫做“喉梁”。喉梁与前述的“束梁”一样，一开始也是为了防止杆件过长，承受不了弯矩而折断，所以为了减少梁的跨度，把他给放到斜梁的中间位置上了。但是这样一来，人们发现只要这根喉梁不断，就可以直接把下面的束梁给取消，用喉梁取而代之成为受拉构件。这是一个建造技术上更加高明的创新，因为这个做法使得屋架就变成了类似拱顶的架构，为后面的木拱、木穹隆技术的出现做了很大的铺垫。

图19 束梁与喉梁

图20 中世纪德国木框架结构

从上面这张图可以看到，中世纪的木框架结构已经非常发达了，内部构件基本上都是轴向受力，各种各样的斜向构件的使用使得力学效率最大化。技术上的突破也使得中世纪木结构在公共建筑中盛行，无论是市政厅、教堂还是民居都大量的使用木框架结构。同时木框架会直接露明，表现在外观上，大家在外建史看到的中世纪民居的特点就是这么来的。这里补充一点，中世纪的木构架中间，也是用土墙、石材进行填充的，就跟中国古代建筑一样，也具备抗震作用。建筑在水平力作用下的摇晃会先把这些土墙给摇晃掉，“墙倒屋不塌”，通过填充把地震的能量给耗散掉，这与我们是一致的。

图21 德国艾斯林根市政厅

由于木构大量的用在了教堂、市政厅这些公共建筑上，自然而然的会产生跨度的需求，这迫使当时的人们用木头去制造适合于石材的拱顶形式，众所周知穹窿顶是石材叠涩逐渐发展而来的，并不适用于木材。但是木材用于穹隆顶也有几个好处，首先木材很轻，比石材要轻得多，这对建造而言是很便宜的事；而最重要的一点是为了形成穹窿顶发明了木拱，是对弯曲木材的使用，这对近代木构的发展至关重要，我们暂且按下不表。

图22-24 木拱技术的运用

这里还需要提到西方木构的节点构造问题。木构架最大的薄弱处，一般来说都在于节点。比如在中国古代木构节点就是斗拱，斗拱是一种整体性的构造，通过各种各样的构件，像孔明锁一样相互卡住，有时候会有梁和柱参与其中，严格来说并不是我们现代意义上的节点。

而在欧洲这边，它的基本思想是科学思想，会采用分工明确的构件加节点的构架方式，构件用于传力、节点用于联系，非常的精准。因此在节点的薄弱处，他们会想方设法去强化。具体而言，由于木构件在节点处需要交接，肯定会有截面尺寸的减小，在桁架体系中，由于传力效率高，木构件本就很纤细，到了节点处就更加单薄，他们采用的加固方法就是使用金属构件。

于是文艺复兴时期，金属构件加木结构的构建就成为一个主流做法。随着金属技术的发展，这种桁架体系也被钢结构所使用。所以说木构技术的演变对钢构也有很大的推进作用。

图25 木桁架中的节点构造

2.4 中国、东亚木构演变

顺着节点这个线索，我们由欧洲讲到东亚。东亚我们仍然以建造技术为线索，主要集中在斗栱体系。

斗栱体系起源于“擎檐柱”，是最早用于支撑飞檐的结构构件。在早期的考古遗址的平面中往往可以看到，大柱外面还带着两个小柱、形成三角分布，那两颗小柱就是擎檐柱。下图中可以看到由擎檐柱到“落地撑”再到“插栱”就是斗栱诞生的过程。这里有一个很奇怪的现象，从擎檐柱演变到斗栱的过程中，其实已经出现了“落地撑”、“腰撑”这种斜向构件，这个时候是力学效率最高的时候，但是后面又不知为何变为插栱这种弯的构件，这是一个很神奇的现象。

图26 斗栱的起源

这里可以简单分析一下受力状况：插拱的竖向荷载分解一下，成为水平和竖向两种受力，都会对构件弯曲的地方产生比较大的弯矩；而腰撑这种斜向构件，会直接沿着构件进行轴向传力。两者的区别还是很明显的，也许是为形式美观而变化的结果吧。

由于东亚木构采取了这种传力效率较低的“叠涩”方式，所以即便是主流建筑，也经过了很长时间探索，到盛唐时期才发展成熟。

在东亚这种屋顶形式和欧洲的“弦屋顶”相对，叫做“檩屋顶”，是一种竖向逐步叠起来的架构。那么一开始柱网是布满的“满堂柱”、穿斗式的构架，慢慢取消掉中间的柱子，形成比较大的空间，就形成了抬梁式。柱抬梁、梁抬檩、檩上有椽子、望板和青瓦、穿枋整体加固，这就是东亚大木作的基本建造逻辑，力流逻辑非常清晰，竖向荷载一层层的往下传，而非斜向高效的轴向力形式。

图27 穿斗式到抬梁式的演变

在殷商晚期和春秋时期，斗栱技术并不发达，或者说还算不上真正意义的斗栱。而大家都知道木构的节点交接是一个力学薄弱点，是很麻烦的问题。而当时中国的炼铜、冶铁技术非常发达，远超于木构，所以那时就已经产生了用金属构件对木构连接处进行加固的做法，叫做“釭”。而这个做法在西方，是在文艺复兴时期才大量使用的。

这种做法后来又被逐步淘汰，但“釭”这一构件演变成了后来的彩画，这也算是最早的由结构而装饰的演变了。彩画的样式大家是否记得？有和玺彩画、旋子彩画、苏式彩画三种类型。而和玺彩画和旋子彩画都是有“括弧”的形式的，就和当时釭的形式是一样的。

图28-30 釭与和玺彩画

到了汉朝，栱的构件开始正式出现。在汉代的陶器中，可以看到它不仅出现了横栱，还有了这种竖向出挑的华栱。这代表着斗拱的基本作用：在面阔和进深方向进行挑出、减少跨度的功能，已经产生了。在比较重要的建筑中，不再使用柱直接抬梁的方法，而是柱子抬斗拱抬梁，形成了“叠涩”的体系。

当时的木作技术还有不少不成熟的地方。我们可以看到，首先在转角处理上，采用了“双柱”的做法，两个垂直面有两颗柱，承接两组斗拱，显然是转角铺作不成熟的表现；其次，在斗栱的基本形象“一斗三升”出现之前，还出现过“一斗二升”的做法。这是一件令人费解的事情，因为相比于柱抬梁的直接传力模式，柱和梁之间加上一斗二升的斗拱，尽管减少了梁跨，却让传力效率变低。可见在这个时期的斗栱是处在形式与力学平衡的不断探索中的。

图31 汉阙中的斗栱

下图中，一斗二升的中间加入了一个散斗，使得原来柱抬梁的直接传力路径恢复之后，斗栱的“一斗三升”这一代表形象就此固定下来了。

图32 汉阙中的斗栱演变

接着是南北朝时期，南北朝时期是木结构技术大发展的时期，为唐朝木构技术的最终成熟打下了基础。

南北朝技术上的突破主要在于，斗栱和梁架开始进行有机结合。汉朝时斗是斗、梁是梁、柱是柱，他们互相之间没有形成整体性的联系，仅仅是一个搭接关系。而到了南北朝时期各种各样的构件逐渐开始交叉了，于是出现了“铺作层”。所谓铺作层就是将前后左右四面的斗拱全部联系在一起，相当于我们现在的圈梁，能使得结构整体性加强。这个时候中国传统架构的刚柔并济的优势正式体现，以前的架构没有整体性，就谈不上什么刚柔并济，很容易就散架了。

图33 南北朝的大木作演变

大家可以看到中间的演变过程，比如一开始是柱上搭梁，梁上搭斗栱，到后来就演变成了梁架整体结合，穿枋穿过柱的形式；还有就是人字叉手与斗栱位置的不断调整，最终形成对位关系。总之，最后形成了相对合理的架构形态传承下来。

南北朝时期，木构技术传到日本等东亚地区，又产生了一些新的变化。日本的基本情况跟国内不一样，是一个多灾多难的地区，由于地震、台风灾害特别多，所以在日本的木构所要考虑的不只是竖向力的传递，还要极大程度的考量水平向力的传递。

在日本的飞鸟时期，也就是南朝时期，有一座现在还在的 法隆寺五重塔，它的中间有一根通心柱冲上天际，实际上就相当于核心筒。这个核心筒跟中间的一到四层全部没有关系，只在最顶层进行联系。这个如何解释呢？其实木材是一种柔软的材料，它会根据内部含水量变形。那么如果2-4层和通心柱进行搭接，由于木材变形必然会产生应力，应力会附加通心柱的负荷，会使它受弯，从而减少了它的耐久性与寿命。

图34-35 五重塔外观与剖面

这种做法称作通柱造，是我国古代楼阁建筑经由“叉柱造-缠柱造-通柱造”发展成熟的标志，详情可以参照下面这篇文章。

https://mp.weixin.qq.com/s/jUiCGt5ab__BGNajR8CU8A

在地震来的时候，通柱造的刚度没有那么大，但却能够接受一定程度的变形，这能够把地震能量给耗散掉，这种性质叫做结构的延性。有些结构师经常说我们当代的钢筋混凝土装配式建筑特别坚硬，不够柔软，这和以前的木构形成鲜明对比。

经过南北朝时期到唐朝时期，斗拱技术和大木架技术都已经走向成熟。比如补间铺作也逐渐的由人字形插手转向斗拱，这也是整体性越来越强的过程。再比如转角铺作，在汉朝时期还是双柱并列，各挑一个令拱的做法，到唐朝已经解决了这一构造问题，形成了三向斜向出挑。

图36 唐朝的斗栱技术成熟

这就形成了典型的殿堂式构架。殿堂式构架跟厅堂式构架的区别，是非常重要的内容。辨别殿堂式构架的三大特点：首先是水平分层，可以分为柱网、铺作层、屋顶构架三个水平层；第二柱网是内外等高；第三会有天花藻井。我以前认为这种分层的做法，是不利于抗震的做法。因为分成了三个水平层以后，层和层之间很容易产生剪切变形。后来我发现其实它是一个整体的构架，是跟孔明锁一样，它牢牢的套合在一起的，不存在完全分成三层的情况。所以厅堂殿堂式架构都是很有利于抗震的做法，并不是说殿堂不行，厅堂可以。

图37 殿堂式架构的分层

唐朝有许多重要案例，其中最重要的是佛光寺东大殿，是考研必背。那也是一个典型的殿堂式的做法。大家可以看到很明确的铺作层、柱网和屋架三层。天花上面是屋顶的草架，为什么叫做草架？因为下面有天花挡住，没有露明，不露明的话就可以不做装饰，不像露明造里面有许多月梁一类的做法。

图38 佛光寺东大殿剖透视

此外还有一个很重要的建筑叫山西应县佛宫寺释迦塔。目前有很多学者对此木塔进行研究，它的内部变形已经很严重了，但是由于它的结构跟之前所说的五重塔的做法不太一样，五重塔是一开始就考虑好了会产生变形，然后通过脱离去抵抗地震力；但是应县木塔，是进行了结构补强，通过这种内外双层柱、金厢斗底槽的做法形成筒中筒结构，同时用明五暗四4个平座暗层里面增加了类似于桁架的补强措施，使得整体形成了一圈圈的圈梁，这样整体的结构非常的稳定，加之木构本身的柔韧性，所以能够抗住地震千年不倒。

图39 佛宫寺释迦塔剖面

即使如此，千年下来，结构受损也很严重了。从下面这张图大家可以看到木塔二层明层和平坐层柱的变形。有同学可能会疑惑，木材不是抗震能力很好吗，为什么会受如此损害？这是因为木材本身以及木构的性能，其实是不适合抗扭的，在地震中产生的侧向晃动与竖向晃动都好说，但一旦整体收到扭转力，就很容易发生结构破坏。

对木塔的结构的研究特别多，但是目前没有人敢去修，因为修了，如果它倒下那就是修的人的问题，这也是很麻烦的现实情况。

图40 佛宫寺释迦塔现状结构平面

唐朝时期已经是一个木结构的成熟时期了，我们前面说到，在木结构的建造技术达到成熟之后，材料和技术都没有办法产生突破的时候，就会产生样式连续，也就是由结构而装饰的过程。

所以在宋代有了《营造法式》，木构建造规范化，产生材分制度。由于结构合理，只要按照不同的“材”的定制去生产不同大小的建筑，就能够形成耐久适用的房屋。在宋代强文化而弱军事，也因此产生了许多繁复的装饰性的建筑运用，比如“抱厦”。

在斗拱层面，补间铺作变得更加复杂，偷心造的做法基本消失。这其实是好事。补间铺作的复杂化使得圈梁层变得更加整体。偷心造的做法消失，往后为计心造，对于结构来说更加有利。大家知道偷心造的中间少一根横拱，相比于计心造，构件的数量少，冗余度会降低。一般而言，构件越多、节点越多，在地震时能量耗散的能力越强。

然而，宋代材分制度的规定虽然使得斗栱制度能得以研究，方便施工，却也基本上使得技术没有办法形成大的突破了，匠人的创新性受到了极大限制。

图41 宋代斗栱变得复杂

再到元明清时期，斗拱逐步演变成一种装饰构件。在这里梁柱连接变得直接、尺寸变得更大，也即所谓“肥梁胖柱”，同时雀替逐步增大，具备补强作用。

从太和殿立面看，两朵补间铺作的宽度才能抵得上一个雀替，所以在结构效应上，太和殿更像框架结构增加斜撑补强的做法，雀替在这里替代了斗栱的作用。这里似乎又回到了最开始的梁、柱、斜向构件的建造逻辑。

图42 太和殿立面

纵观中国古代的木构演变，我们只要看梁思成的这两张手绘图就可以明晰。

首先，左边图中，斗拱由大到小、由宏伟而繁复，由结构而装饰，这是基本的演变过程。然后再看到右图，首先普拍枋是斗拱下面的横向构件，阑额则是穿枋的一种，是普拍枋下的横向构件，在清代又有大阑额、小阑额并存的情况。一开始唐代没有普拍枋，只有尺寸不大的阑额；到清代的时候阑额的宽度基本上跟柱一样大，大部分官式建筑还附带着小阑额。这意味着力学体系简化，阑额原来作为次要结构连接件，已经演变成了一种梁，整体变成了梁柱体系。在这里斗拱的结构作用减弱，几乎沦为装饰，然后梁和柱的结构作用加强，其实是变使结构变简单、更像现代结构了。

图43-44 梁思成历代斗栱演变图与历代阑额普拍枋演变图

总结一下东西方的古代木构。两者分化的基础就是力流传递方式，最开始的建造方式决定了力流传递方向不同，从而导致了不同的构造，导致了不同的建造技术发展。

图45 东西方屋顶构架逻辑对比

西方的木构建筑体现为“精确”，更好的发挥木材轴向强度大特点。其中节点和构件分工明确，构件负责传力，节点负责连接。在演变过程中产生受拉构件，产生了桁架结构；

东方的木构建筑体现为“模糊”，更大的发挥木材冗余度的特点，节点和构件有机结合，最开始是叠涩的体系，但通过构件与构件之间环环相扣，形成特殊的节点“斗栱”，使得整体性更强大。

如果要说孰优孰劣，按现代科学体系来评判，肯定是西方这种精确的木构更为合理。但是我认为东方的木构其实自有优势，在东方的经验主义、模糊性、更具有人文性质的做法，首先发挥了木材冗余度的特点，其次就是具备人类学意义的文化特质，中国古代的木构就像我们文化中的，海纳百川有容乃大、道家的无为而无不为的思想一样，包容性很强。

如果说一个精确的结构体系里面，出现了一点点的瑕疵，比如说某个节点被破坏掉了，它的整个结构体系基本上会很有可能会产生崩塌，因为原来的体系里一切计算都是完美无误的，否则就不成立。而在东方这种模糊的结构体系里面，一些部分的节点、构件、斗栱、梁柱的破坏，并不会使整体结构崩塌，他能够接受力学上的错误在里面，所以相比起来是各有优劣。

2.5 近代集成材的产生

古代对材料的局限性的突破是通过建造技术进行的，而近代和当代通过科学技术手段，逐步的对材料性能去进行突破。所以在近代部分，我们主要讲现代集成材的发明过程。

集成材（Laminated Timber）的出现源于西方对木拱的探索。前面我们讲到中世纪教堂里面已经产生了大跨度的木拱结构。在16世纪，也即文艺复兴中晚期，有一位法国天才建筑师叫做Philibert de l'Orme，他发明了木材的一种构造技术，叫做纵厚板。纵厚板的主要逻辑就是通过两个板材纵向拼接在一起，形成一个厚板，这个厚板显然会比单薄的一层板具有更强的力学性能。

图46 Philibert de l'Orme

在提出这种做法之后，18世纪与19世纪均有建筑师据此建造出了建筑实物，跨度可以达到40m左右，这在当时是了不起的技术成就。在当代，2012年的世界木构大会上，也有学者发表相应的学术研究成果，说明这种构法的优越性能，是适用于当代建筑的一种结构模式。

图47-48 纵厚板示意

那么既然可以在纵向并列形成纵厚板，理所当然的，也可以在横向进行层叠形成水平层叠板。可以说纵厚板是垂直层积板的起源，水平层叠板则是如今广泛运用的水平层积板的始祖。

水平层叠板的最早在18世纪到19世纪初的桥梁领域提出并发展。发明者是一名木匠，叫做Hans Ulrich Grubenmann，他根据自己的想法做出第一座运用“真拱”技术的木拱桥，跨度达到60m，是一座位于Wettingen横跨Limmat河的单跨桥。与纵厚板不同，水平层叠板的发展在桥梁上取得的成就更大，而在屋顶构造上的使用则相对较晚。具体中间的发展和案例这里就不赘述了，但尤为重要的是，当时的水平层叠板和现代的层积材的区别，主要就在于板材和板材之间的连接——现代的层积材用的是胶水、当时使用的则是特殊构造和铁件。

图49 Hans Ulrich Grubenmann

图50-52 最早的木拱单跨桥

在文艺复兴到近代，胶水技术不发达，所以会有不同的处理方式。比如在前述的那座桥梁里，就是通过金属构件加上“齿接”的方法进行叠加，所谓“齿接”就是将上下的板材的表面做成如锯齿一般咬合在一起，通过摩擦力作用使得两者形成协同变形，这样受力性能就变得非常优越。类似的做法也延续到了当代，比如现在的集成材的长向相接就是采用“指接”的方法，也是利用板和板的摩擦力结合。

图53 齿接

关于水平层积材在屋顶上的运用，不得不再提到一位伟大的建筑师：法国陆军大佐Armand Rose Emy，他的研究和实践基本奠定了工程集成材的诞生。我认为他的贡献主要在于两点，一是创造了Emy’s construction system，亦即将水平层叠板的技术规范化、模块化，这是装配式思维，能够使其技术便于推广，这也被认为是工程集成材的第一个典范。大家可以看到在图中emy屋架的建造方式，是分成了一段一段的小段，曲率相似，用金属件连接补强，同时可以灵活的根据受力需求的不同增加或减少层叠的板数——比如顶端部分只需6片板，底下需7-8片。板材与板材之间则用铁钉钉在一起，这种做法也是延续至今的。

图54-55 Emy屋架

第二个贡献则是关于弯曲木材制作工艺的探索，Emy采用的是将木材在蒸汽中蒸软，然后用滑轮器械将其弯曲成固定曲率，再用金属件进行固定，保证其不变形。由于蒸汽的做法会严重损害木材的受力性能，现在已被禁止，但用器械弯曲木材的方法现在仍然使用着。

图56 Emy对弯曲木材制作的探索

然而当时由于胶水技术的局限，导致这种木构技术无论在成本还是性能上都不如同时期发展迅速的钢结构，因此在工业革命的背景下并不受到重视。

就这样直到20世纪初，又一位很伟大的人出现了，他叫做奥托赫兹（Otto Hetzer），奥托赫兹突破了胶水技术，发明了工程集成材并申请了相应的专利。大家明白，专利就是一种可以推广的产品，这就意味着集成材技术可以得到大量复制，它使得木结构彻底的打破了木材材料本身的局限性。

图57 奥托赫兹（Otto Hetzer）

工程集成材专利申请的过程可谓曲折，奥托赫兹通过一步步的木质产品专利申请，从木制复合床到复合梁再到弯曲集成材梁，历经二十年，经过五次申请特许，最终在1906年才成功。申请成功后，他专心研究胶水技术，于1908-1909年开始关于弯曲工程集成材的建筑实践，于1910年创立了专门的公司，1912年便有了遍布欧洲各国的十余家分公司，就此工程集成材推广开来。

图58-61 奥托赫兹关于集成材技术的五次特许专利

那么集成材的好处在哪呢？首先是材型的突破。我们讲过不管是东方还是西方，大木资源都是很有限的。比如清朝的紫禁城对大木的需求都是到川渝地区砍伐运输过来的。全中国几乎找不到一根可以做九等材的原木。然而工程集成材的发明，使得这种木材材形的局限性彻底被打破了。因为一根原木我只需要切成一个个薄板，它不断的进行拼合，就能产生任何他想要的材料形状，包括前面所说的弯曲木材的也一样可以。

其次是在力学性能方面，假设两个板拼合一个是顺纹方向，一个是非顺纹方向，垂直交叉的摆放在一起，那么木材原来的各项异性的力学弱点也被解决了，成为混凝土、钢结构一样的双向结构。

尽管如此，木结构在现代时期仍然没有优势（哈哈）。相较于钢筋混凝土、钢结构等新型材料，木结构由于防腐、防火等问题的存在，不足以成为广泛推广的材料。并且这里面原因众多，和现代时期技术至上、乌托邦理想的社会背景、思想观念等都有关。

直到1990年，也就是30年以前，出现了正交胶合木（Cross Laminated Timber）。正交胶合木是在胶合木的基础上，将薄板进行正交拼合，前面也提到了顺纹和非顺纹方向的胶合，使得受力双向同性，达到相当于剪力墙的效果。正交胶合木的出现使得木材有取代钢筋混凝土成为未来材料的可能性了，因为它的性能并不亚于钢筋混凝土，而在各方面性能甚至还有优势，这些特点会在下面给大家介绍。

图62-65 正交胶合木的生产原理

当代的工程木材可以分作轻木结构和重木结构两大类，CLT就是属于重木结构的一种。重木结构还有很多种类，如层板胶合木（GLT）、层板销接木（DLT）、旋切板顺纹胶合木（LVL）、层板钉接木（NLT）等等。区别就是用不同的方法将薄板进行拼合和组装，比如铁钉、木销钉等。重木结构和轻木结构的区别在于它能够用板材进行承重，类似于剪力墙；而轻木结构基本上就是框架结构，并且很难解决一些物理性能上的问题，包括防火、防腐、含水率的形变都是没办法的。

图66 CLT、GLT、NLT、DLT示意

除此之外，重木结构还有一大特点，就是可以像SU建模一样进行自由拼接。就像我们在做设计课的木板模型，用刀子划下一块木板，然后用胶水粘一粘把它给拼上去。这能够在实际建造中实现是不可思议的，这种建造方法能够使得它的最终完成度特别高，在模型里面建出来是什么样，施工建造出来就是什么样。并且自由度也特别高，建筑师可以使用任意形状的大板材，在中间进行任意形状的开洞，都不会影响到力学性能，因此是非常优越的建材。

图67-68 如SU建模一般的建造方式

总结一下近代到当代的木构，其实就是木材的工业化、产品化探索，最终使得木材正式成为工业产品。而由于近代以来CLT这种优越性能的工程集成材的发明，加之世界可持续发展的需求，使得木材越来越成为适用于未来的材料。那么我们的木结构简史就讲到这里。

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