淳 慶，楊紅波，孟 哲，韓宜丹

(1． 東南大學建筑學院，江蘇南京 210096； 2． 東南大學建筑設計研究院有限公司，江蘇南京 210096)

0 引 言

磚砌無梁殿建筑流行于明代，是我國古代建筑中的特殊樣式，具有特殊的內部結構構造和獨特的外部仿木構殿堂式裝飾構造手法，是中國特有的建筑遺產類型。明代磚砌無梁殿建筑全部采用青磚和石灰灰漿砌筑，整體結構中沒有木梁和木柱構件，故稱無梁殿。由于磚砌體的抗壓強度較高而抗拉強度較低，故無梁殿建筑多采用磚砌拱券結構承受樓面或屋面荷載，盡量避免受彎構件和受拉構件的出現(xiàn)，該類型建筑遺產的結構做法和建筑構造做法都較為特殊，具有重要的歷史、藝術和科學價值。

目前，關于磚砌無梁殿的研究文獻已有不少：龔凱[1]從建筑歷史、建筑形制和營造技術等方面對明代磚砌無梁殿進行了研究；過云靈[2]通過對北京地區(qū)的無梁殿建筑的考察和測繪，對其建筑特征和分類進行了研究；朱馥藝[3]和王雪芹等[4]分別對隆昌寺無梁殿的建筑裝飾藝術進行了研究；常青[5]對中國磚石拱頂建筑的歷史演變及其與外域的關系進行了研究；金志強[6]對永祚寺無梁殿的建筑藝術以及負責設計建造該建筑的妙峰法師的生平進行了研究；馬琳瑜[7]研究了筒拱、丁字拱、十字拱和扶壁拱在黃土高原地區(qū)民居中的應用及特點；王其亨[8]對清代拱券券形的基本形式——雙心圓的特點和應用進行了系統(tǒng)的研究；趙守江等[9]采用有限元方法對故宮西華門的磚拱券的內力和變形情況進行了研究，并對其結構安全性進行了評估；淳慶等[10]采用精細測繪和有限元方法對明代石拱橋——襟湖橋的結構性能進行了研究。綜上，目前學界關于無梁殿的研究主要偏重于建筑歷史、建筑美學和建筑構造層面，雖有一些對于其它類型建筑遺產的結構性能研究，但對于該類型建筑遺產科學技術方面的研究卻鮮有報道，本工作以明代磚砌無梁殿的代表之一——太原永祚寺無梁殿為例，對該類型建筑遺產的建筑形制和結構性能進行研究。

1 建筑形制研究

1．1 建筑概況

明代建造的磚砌無梁殿多為當時的高僧妙峰和尚及其弟子們所設計建造，太原永祚寺無梁殿是其中最為經(jīng)典的無梁殿之一。永祚寺無梁殿位于太原市郝莊村南，建于明萬歷二十五年(公元1597年)，是明代中后期建造的兩層無梁殿中的經(jīng)典作品。據(jù)《山西通志》記載，該寺系明萬歷皇帝之母慈圣李太后出資，妙峰和尚所建。永祚寺寺院平面呈四合院，坐南朝北，整組建筑均為青磚磨磚砌筑。東西耳房為禪堂和客堂，無梁殿是寺中的大雄寶殿和三圣閣。無梁殿建筑外觀兩層，歇山筒瓦頂。底層面闊五間，進深兩間，上層面闊三間，進深兩間，上下層平面在結構上并不對齊。圖1為永祚寺無梁殿的現(xiàn)狀照片。

為了弄清楚永祚寺無梁殿的真實幾何尺寸信息，并分析其建筑形制，對該建筑采用三維激光掃描儀(徠卡ScanStation P16)進行了精細測繪。該掃描儀最大掃描范圍可達40 m，擁有360° 全視場掃描范圍以及100萬點/s的超高速掃描速率。圖2為該建筑的掃描云圖，圖3為基于精細測繪后生成的縱、橫剖面圖。

1．2 建筑形制分析

在不考慮兩側耳房的情況下：永祚寺無梁殿建筑的底層面闊L=19．6 m，進深W=11．9 m，L/W≈1．65∶1；二層面闊L=16．8 m，進深W=10.0 m，L/W=1．68∶1。永祚寺無梁殿殿內底層中三間為一橫向筒拱，兩梢間各為一縱向筒拱，二層為三開間，兩側次間各為一個橫向筒拱，明間為磚疊澀八角穹窿藻井。永祚寺無梁殿的磚塊尺寸主要為340 mm×180 mm×70 mm，灰縫寬5～10 mm，磚的長寬高比例接近5∶2．5∶1，砌筑方式主要為順磚錯縫的式樣。

明代無梁殿立面構圖呈現(xiàn)一定的傳統(tǒng)木構建筑特點，即分為臺基、墻柱構架和屋頂三部分，卻又不似傳統(tǒng)木構建筑的三段均等處理，而是采取突出墻身的局部強調手法。明代中后期無梁殿的臺基在立面構圖上分量較小，永祚寺無梁殿臺基與地坪僅一級臺階之差。無梁殿建筑屋頂與傳統(tǒng)木構建筑屋頂最顯著的不同之處就是無梁殿屋頂出檐較小，根據(jù)實測結果，永祚寺無梁殿出挑為840 mm，屋角的沖翹值也不大，這是由于建造材料的限制——無梁殿采用的是磚疊澀出挑。

永祚寺無梁殿的屋面形式為歇山頂，無梁殿的歇山頂外觀樣式大多為官式建筑屋面樣式。根據(jù)現(xiàn)場測量，永祚寺無梁殿的總舉高為H=3．820 m，前后撩檐枋心間長度B=10．870 m，H/B=3．820/10.870≈1/2．85，比較接近《梁思成全集》第七卷[11]中“大木作制作圖樣二十六，舉折之制”中的總舉高H/前后撩檐枋心間長度B=1/3。而根據(jù)郭華瑜的《明代官式建筑大木作》[12]，舉高在明代有明顯加大趨勢，H/B值基本集中在1/3．2～1/2．7之間。永祚寺無梁殿的H/B值是在這個范圍中的，因此永祚寺無梁殿的屋面舉折更接近于明代官式大木作的做法。由于無梁殿建筑的特殊形式，檐部飛椽和檐椽幾乎為水平方向，屋架每一折的高度與《梁思成全集》中“大木作制作圖樣二十六，舉折之制”中的并不吻合。如果按照明代后期的舉架之法推算，把永祚寺無梁殿屋面分為五步架，每步架約為1 100 mm(圖4)。該建筑進深的每步架舉高與各步架的比值如表1所示。

表1 永祚寺無梁殿的屋面舉高與步架的關系

從圖4和表1可以看出，永祚寺無梁殿基本符合明代官式木構建筑的特點：

1) 永祚寺無梁殿的總舉高H/前后撩檐枋心間長度B約為1/2．85，在明代官式木構建筑H/B值的范圍(1/3．2～1/2．7)內。

2) 明代官式建筑脊部陡峻，舉高多在十舉上下。推斷由于無梁殿建筑的特殊形式，建筑的拱券上部需要一定的重量，而檐部磚構飛椽檐椽出挑的需要，幾乎呈現(xiàn)水平方向，這些導致了脊步更加陡峻，永祚寺的脊步H/B值超過了1．3。

此外，筆者也對永祚寺無梁殿的室內主拱券和室外門窗拱券的矢跨比進行了分析(表2)。

表2 永祚寺無梁殿的拱券矢跨比

由表2可以看出，永祚寺無梁殿的主拱券的矢跨比基本都接近0．5，而門窗拱券的矢跨比基本都接近0．6，因此可以認為永祚寺無梁殿的室內主拱券為半圓拱，而室外門窗拱券為雙心圓。

2 結構性能分析

為了了解永祚寺無梁殿的結構性能和結構安全現(xiàn)狀，在精確測繪和現(xiàn)場檢測的基礎上采用ANSYS軟件對無梁殿結構進行了有限元數(shù)值模擬計算，分析其在靜力作用下的主體結構的受力特性。

2．1 材性分析

根據(jù)現(xiàn)場材料性質測定、測繪數(shù)據(jù)和相關文獻資料，按偏保守的原則取值。

永祚寺無梁殿為磚石結構，根據(jù)磚抗壓強度、灰漿抗壓強度的實測數(shù)據(jù)和《砌體結構設計規(guī)范》(GB 50003—2011)，并按偏保守的原則進行參數(shù)取值：磚砌體取彈性模量為3．024 GPa，密度1990為kg/m3，泊松比為0．15，其抗壓強度設計值為1.35 MPa，抗拉強度設計值為0．17 MPa。永祚寺無梁殿屋頂活荷載取0．7 kN/m2，二層樓面活荷載取3．5 kN/m2，恒荷載均取自磚石砌體結構自重。恒荷載組合系數(shù)取1．2，活荷載組合系數(shù)取1.4。采用商用有限元軟件ANSYS(12．0版本)建立實體模型，并劃分單元。模型采42．6萬個SOLID45單元(磚砌體)，計算時采用線彈性分析方法，假設不考慮原有結構缺陷，有限元模型如圖5所示。

2．2 結構靜力計算結果

對永祚寺無梁殿進行了靜力作用下的分析，圖6為永祚寺大殿在靜力作用下的變形位移圖。對于磚石砌體等脆性材料，其拉、壓應力的最大值方向往往不平行于坐標系X、Y、Z軸，因此宜選取第一主應力及第三主應力進行分析。第一主應力即最大拉應力，超過砌體材料抗拉強度即產生拉裂；第三主應力即最大壓應力，超過砌體材料抗壓強度即產生壓潰。

圖6為永祚寺無梁殿在靜荷載作用下的變形圖，由圖6可以看出，在靜荷載作用下，該建筑二層磚構整體有向北傾斜的趨向，究其原因：二層磚構南墻荷載可以直接傳遞至一層磚構南墻，它們在豎直方向上是連續(xù)的；而二層磚構北墻落于一層北側磚拱上，其豎向剛度小于實心墻體。因此其豎向變形較大從而導致二層樓面北側豎向位移大于南側，故二層磚構整體有向北傾斜的趨勢。若一層北側磚拱出現(xiàn)開裂或灰漿流失，則會加重二層磚構整體向北傾斜，本次三維掃描測繪的結果驗證了該建筑存在輕微的向北傾斜跡象。

圖7為永祚寺無梁殿在靜荷載作用下的第一主應力計算結果。由圖7看以看出，第一主應力最大值為0．312 MPa，而該建筑磚砌體的抗拉強度設計值為0．17 MPa，砌體構件在第一主應力超過抗拉強度設計值的部位易發(fā)生拉裂。由計算分析可得，第一主應力最大值出現(xiàn)在一層中間拱和稍間拱之間的隔墻拱頂處。由于二層除南墻外，豎向荷載均沒有直接落于一層墻體上，而是施加在一層磚拱上部，因此，一層中間拱和稍間拱之間的隔墻就會承受較大壓力，隔墻拱頂部形變而產生較大拉應力。除此之外，易發(fā)生開裂的位置還有一層稍間拱券的端部、一層中間拱券的角部和二層門拱頂部。分析結果與永祚寺無梁殿現(xiàn)場一層稍間拱券出現(xiàn)的裂縫位置較為吻合。

圖8為永祚寺無梁殿在靜荷載作用下的第三主應力計算結果，由圖8看以看出，第三主應力最大值為1．40 MPa，而材料的抗壓強度設計值為1．35 MPa，砌體構件在第三主應力超過抗壓強度設計值的部分易發(fā)生壓潰。通過應力云圖可以看出壓應力在靜荷載作用下從上到下逐漸增大，在北側拱門底腳處易產生較大壓應力。由計算分析可知，最大壓應力出現(xiàn)在無梁殿一層北墻東側和西側的窗拱角部。由于該拱窗左右兩側剛度差異較大，荷載作用下拱窗靠近中間一側的位移變形大。此外，易發(fā)生壓裂的位置還有無梁殿一層北側的中間兩個拱腳墻體。

3 結 語

太原永祚寺無梁殿是明代磚砌無梁殿的代表案例，對該類型建筑遺產的建筑形制和結構性能的研究是制定其保護修繕方法的基礎。筆者希望通過對該無梁殿的建筑形制和結構性能研究，提供一些有價值的結論：

1) 永祚寺磚砌無梁殿的建筑形制符合明代官式木構建筑的特點，永祚寺無梁殿的總舉高H/前后撩檐枋心間長度B約為1/2．85，在明代官式木構建筑H/B值的范圍(1/3．2～1/2．7)內；該建筑脊部陡峻，脊步H/B值超過了1．3；室內主拱券為半圓拱，而室外門窗拱券為雙心圓。

2) 永祚寺無梁殿一層中間拱和稍間拱之間的隔墻拱頂、一層稍間拱券的端部和一層中間拱券的角部由于拉應力較大易出現(xiàn)開裂；無梁殿一層北墻東側和西側的窗拱角部、一層北側的中間兩個拱腳墻體由于壓應力較大易出現(xiàn)壓裂。因此，建議后期在對該建筑的加固修繕中，重點對這些部分進行加固補強處理。

3) 在對該類型建筑遺產加固修繕設計前，應進行詳細的測繪、材料檢測、殘損調研以及主體結構的計算分析，找出其外在和隱藏的病害或缺陷，為加固修繕設計提供科學可靠的依據(jù)。

4) 考慮到該類型建筑遺產多數(shù)位于抗震設防區(qū)域，因此在下一步的研究中，尚需對該類型建筑遺產的抗震性能進行研究。