太原永祚寺无梁殿的建筑形制及结构静力性能研究

2019-03-10杨红波韩宜丹

文物保护与考古科学 2019年6期

淳庆，杨红波，孟哲，韩宜丹

(1．东南大学建筑学院，江苏南京 210096； 2．东南大学建筑设计研究院有限公司，江苏南京 210096)

0 引言

砖砌无梁殿建筑流行于明代，是我国古代建筑中的特殊样式，具有特殊的内部结构构造和独特的外部仿木构殿堂式装饰构造手法，是中国特有的建筑遗产类型。明代砖砌无梁殿建筑全部采用青砖和石灰灰浆砌筑，整体结构中没有木梁和木柱构件，故称无梁殿。由于砖砌体的抗压强度较高而抗拉强度较低，故无梁殿建筑多采用砖砌拱券结构承受楼面或屋面荷载，尽量避免受弯构件和受拉构件的出现，该类型建筑遗产的结构做法和建筑构造做法都较为特殊，具有重要的历史、艺术和科学价值。

目前，关于砖砌无梁殿的研究文献已有不少：龚凯[1]从建筑历史、建筑形制和营造技术等方面对明代砖砌无梁殿进行了研究；过云灵[2]通过对北京地区的无梁殿建筑的考察和测绘，对其建筑特征和分类进行了研究；朱馥艺[3]和王雪芹等[4]分别对隆昌寺无梁殿的建筑装饰艺术进行了研究；常青[5]对中国砖石拱顶建筑的历史演变及其与外域的关系进行了研究；金志强[6]对永祚寺无梁殿的建筑艺术以及负责设计建造该建筑的妙峰法师的生平进行了研究；马琳瑜[7]研究了筒拱、丁字拱、十字拱和扶壁拱在黄土高原地区民居中的应用及特点；王其亨[8]对清代拱券券形的基本形式——双心圆的特点和应用进行了系统的研究；赵守江等[9]采用有限元方法对故宫西华门的砖拱券的内力和变形情况进行了研究，并对其结构安全性进行了评估；淳庆等[10]采用精细测绘和有限元方法对明代石拱桥——襟湖桥的结构性能进行了研究。综上，目前学界关于无梁殿的研究主要偏重于建筑历史、建筑美学和建筑构造层面，虽有一些对于其它类型建筑遗产的结构性能研究，但对于该类型建筑遗产科学技术方面的研究却鲜有报道，本工作以明代砖砌无梁殿的代表之一——太原永祚寺无梁殿为例，对该类型建筑遗产的建筑形制和结构性能进行研究。

1 建筑形制研究

1．1 建筑概况

明代建造的砖砌无梁殿多为当时的高僧妙峰和尚及其弟子们所设计建造，太原永祚寺无梁殿是其中最为经典的无梁殿之一。永祚寺无梁殿位于太原市郝庄村南，建于明万历二十五年(公元1597年)，是明代中后期建造的两层无梁殿中的经典作品。据《山西通志》记载，该寺系明万历皇帝之母慈圣李太后出资，妙峰和尚所建。永祚寺寺院平面呈四合院，坐南朝北，整组建筑均为青砖磨砖砌筑。东西耳房为禅堂和客堂，无梁殿是寺中的大雄宝殿和三圣阁。无梁殿建筑外观两层，歇山筒瓦顶。底层面阔五间，进深两间，上层面阔三间，进深两间，上下层平面在结构上并不对齐。图1为永祚寺无梁殿的现状照片。

为了弄清楚永祚寺无梁殿的真实几何尺寸信息，并分析其建筑形制，对该建筑采用三维激光扫描仪(徕卡ScanStation P16)进行了精细测绘。该扫描仪最大扫描范围可达40 m，拥有360° 全视场扫描范围以及100万点/s的超高速扫描速率。图2为该建筑的扫描云图，图3为基于精细测绘后生成的纵、横剖面图。

1．2 建筑形制分析

在不考虑两侧耳房的情况下：永祚寺无梁殿建筑的底层面阔L=19．6 m，进深W=11．9 m，L/W≈1．65∶1；二层面阔L=16．8 m，进深W=10.0 m，L/W=1．68∶1。永祚寺无梁殿殿内底层中三间为一横向筒拱，两梢间各为一纵向筒拱，二层为三开间，两侧次间各为一个横向筒拱，明间为砖叠涩八角穹窿藻井。永祚寺无梁殿的砖块尺寸主要为340 mm×180 mm×70 mm，灰缝宽5～10 mm，砖的长宽高比例接近5∶2．5∶1，砌筑方式主要为顺砖错缝的式样。

明代无梁殿立面构图呈现一定的传统木构建筑特点，即分为台基、墙柱构架和屋顶三部分，却又不似传统木构建筑的三段均等处理，而是采取突出墙身的局部强调手法。明代中后期无梁殿的台基在立面构图上分量较小，永祚寺无梁殿台基与地坪仅一级台阶之差。无梁殿建筑屋顶与传统木构建筑屋顶最显著的不同之处就是无梁殿屋顶出檐较小，根据实测结果，永祚寺无梁殿出挑为840 mm，屋角的冲翘值也不大，这是由于建造材料的限制——无梁殿采用的是砖叠涩出挑。

永祚寺无梁殿的屋面形式为歇山顶，无梁殿的歇山顶外观样式大多为官式建筑屋面样式。根据现场测量，永祚寺无梁殿的总举高为H=3．820 m，前后撩檐枋心间长度B=10．870 m，H/B=3．820/10.870≈1/2．85，比较接近《梁思成全集》第七卷[11]中“大木作制作图样二十六，举折之制”中的总举高H/前后撩檐枋心间长度B=1/3。而根据郭华瑜的《明代官式建筑大木作》[12]，举高在明代有明显加大趋势，H/B值基本集中在1/3．2～1/2．7之间。永祚寺无梁殿的H/B值是在这个范围中的，因此永祚寺无梁殿的屋面举折更接近于明代官式大木作的做法。由于无梁殿建筑的特殊形式，檐部飞椽和檐椽几乎为水平方向，屋架每一折的高度与《梁思成全集》中“大木作制作图样二十六，举折之制”中的并不吻合。如果按照明代后期的举架之法推算，把永祚寺无梁殿屋面分为五步架，每步架约为1 100 mm(图4)。该建筑进深的每步架举高与各步架的比值如表1所示。

表1 永祚寺无梁殿的屋面举高与步架的关系

从图4和表1可以看出，永祚寺无梁殿基本符合明代官式木构建筑的特点：

1) 永祚寺无梁殿的总举高H/前后撩檐枋心间长度B约为1/2．85，在明代官式木构建筑H/B值的范围(1/3．2～1/2．7)内。

2) 明代官式建筑脊部陡峻，举高多在十举上下。推断由于无梁殿建筑的特殊形式，建筑的拱券上部需要一定的重量，而檐部砖构飞椽檐椽出挑的需要，几乎呈现水平方向，这些导致了脊步更加陡峻，永祚寺的脊步H/B值超过了1．3。

此外，笔者也对永祚寺无梁殿的室内主拱券和室外门窗拱券的矢跨比进行了分析(表2)。

表2 永祚寺无梁殿的拱券矢跨比

由表2可以看出，永祚寺无梁殿的主拱券的矢跨比基本都接近0．5，而门窗拱券的矢跨比基本都接近0．6，因此可以认为永祚寺无梁殿的室内主拱券为半圆拱，而室外门窗拱券为双心圆。

2 结构性能分析

为了了解永祚寺无梁殿的结构性能和结构安全现状，在精确测绘和现场检测的基础上采用ANSYS软件对无梁殿结构进行了有限元数值模拟计算，分析其在静力作用下的主体结构的受力特性。

2．1 材性分析

根据现场材料性质测定、测绘数据和相关文献资料，按偏保守的原则取值。

永祚寺无梁殿为砖石结构，根据砖抗压强度、灰浆抗压强度的实测数据和《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011)，并按偏保守的原则进行参数取值：砖砌体取弹性模量为3．024 GPa，密度1990为kg/m3，泊松比为0．15，其抗压强度设计值为1.35 MPa，抗拉强度设计值为0．17 MPa。永祚寺无梁殿屋顶活荷载取0．7 kN/m2，二层楼面活荷载取3．5 kN/m2，恒荷载均取自砖石砌体结构自重。恒荷载组合系数取1．2，活荷载组合系数取1.4。采用商用有限元软件ANSYS(12．0版本)建立实体模型，并划分单元。模型采42．6万个SOLID45单元(砖砌体)，计算时采用线弹性分析方法，假设不考虑原有结构缺陷，有限元模型如图5所示。

2．2 结构静力计算结果

对永祚寺无梁殿进行了静力作用下的分析，图6为永祚寺大殿在静力作用下的变形位移图。对于砖石砌体等脆性材料，其拉、压应力的最大值方向往往不平行于坐标系X、Y、Z轴，因此宜选取第一主应力及第三主应力进行分析。第一主应力即最大拉应力，超过砌体材料抗拉强度即产生拉裂；第三主应力即最大压应力，超过砌体材料抗压强度即产生压溃。

图6为永祚寺无梁殿在静荷载作用下的变形图，由图6可以看出，在静荷载作用下，该建筑二层砖构整体有向北倾斜的趋向，究其原因：二层砖构南墙荷载可以直接传递至一层砖构南墙，它们在竖直方向上是连续的；而二层砖构北墙落于一层北侧砖拱上，其竖向刚度小于实心墙体。因此其竖向变形较大从而导致二层楼面北侧竖向位移大于南侧，故二层砖构整体有向北倾斜的趋势。若一层北侧砖拱出现开裂或灰浆流失，则会加重二层砖构整体向北倾斜，本次三维扫描测绘的结果验证了该建筑存在轻微的向北倾斜迹象。

图7为永祚寺无梁殿在静荷载作用下的第一主应力计算结果。由图7看以看出，第一主应力最大值为0．312 MPa，而该建筑砖砌体的抗拉强度设计值为0．17 MPa，砌体构件在第一主应力超过抗拉强度设计值的部位易发生拉裂。由计算分析可得，第一主应力最大值出现在一层中间拱和稍间拱之间的隔墙拱顶处。由于二层除南墙外，竖向荷载均没有直接落于一层墙体上，而是施加在一层砖拱上部，因此，一层中间拱和稍间拱之间的隔墙就会承受较大压力，隔墙拱顶部形变而产生较大拉应力。除此之外，易发生开裂的位置还有一层稍间拱券的端部、一层中间拱券的角部和二层门拱顶部。分析结果与永祚寺无梁殿现场一层稍间拱券出现的裂缝位置较为吻合。

图8为永祚寺无梁殿在静荷载作用下的第三主应力计算结果，由图8看以看出，第三主应力最大值为1．40 MPa，而材料的抗压强度设计值为1．35 MPa，砌体构件在第三主应力超过抗压强度设计值的部分易发生压溃。通过应力云图可以看出压应力在静荷载作用下从上到下逐渐增大，在北侧拱门底脚处易产生较大压应力。由计算分析可知，最大压应力出现在无梁殿一层北墙东侧和西侧的窗拱角部。由于该拱窗左右两侧刚度差异较大，荷载作用下拱窗靠近中间一侧的位移变形大。此外，易发生压裂的位置还有无梁殿一层北侧的中间两个拱脚墙体。