刘妍：看不见的构架
我们对西方的教堂都比较熟悉，在教堂里抬头能看到的是穹顶，而今天要讨论的结构一般是很难有机会看到——就是藏在这层穹顶之上的木屋架，所以我们这期讲座的题目叫“看不见的构架”。（见图1）
图1
不只是我们中国，欧洲同样有非常久远的木构建筑历史，欧洲德语区出土的榫卯最早在七千年前。不仅如此，欧洲学界早在十九世纪末期就开始了对木构建筑的研究，出版了一批研究建筑木构的著作，包括有：《木构艺术》（1880年出版）、《屋顶结构发展史》（1908年出版）、《中世纪到18世纪德语区教堂屋顶结构》（1991年出版）和《bamberg屋顶八百年》（2004年出版）。其中，《中世纪到18世纪德语区教堂屋顶结构》是到现在为止集大成的一部著作，我们接下来对屋顶发展历史的梳理，也是来自这本书。
在研究手段上，欧洲的树木年轮技术比较成熟，只要还有留存的建筑，重要的屋顶结构，他们都会做树轮测定，得到一个非常精确的纪年，对其形式和发展做一个很精确的历史梳理。对此我觉得中国的学者还是很艳羡的，因为我们到现在还没有一个很精确的断年的方法。
在研究范畴上，欧洲的木结构研究主要在两个方面：一个是框架房屋（Fachwerk），类似于我们南方的穿斗民居，另一个是屋顶（Dachwerk），今天我们要讲的就是屋顶这方面的内容。
在讨论具体的屋顶发展之前，我们先谈谈关于木构屋顶的基本概念。
常见的木构屋顶有两种最基本形式： 檩屋顶和弦屋顶。檩屋顶的主要的结构构件是檩条，支承在下面的柱架上。檩条上面的椽子是相对自由的，可以钉也可以悬挂在檩条上。从屋顶结构的发展来看，檩屋顶是一种相对原始先期的屋顶，包括我们中国古代的抬梁和穿斗屋顶、希腊神殿的屋顶，都属于檩屋顶；（见图2）
图2
弦屋顶就是我们常说的三角屋顶，其最主要的持力构件是上弦（三角形的两条短边），两根上弦被下面的梁拉结在一起。从结构上讲，弦屋顶可以看作是拱结构，两根上弦形成八字拱，拱结构是有侧推力的，下面一定要有弦的联系梁来拉紧。而檩屋顶是不需要侧推的，他们每根构件的力都是直接向下传递，所以对比檩屋顶，弦屋顶相对要成熟一些。西方教堂的屋顶基本属于弦屋顶。（见图3）
图3
这里澄清一个概念，弦屋顶的上弦在英语里面一般的译法是rafter，而檩屋顶上的椽子在英语里面也叫做rafter。所以在中国翻译的中，经常把弦屋顶的上弦叫做椽，这个其实是个非常大的误区，把这两种结构在建造思维上面的区别抹杀掉了。
下面我们来谈谈德语区木构屋顶的发展。
德语区留存最早的三角屋顶大概是在十二世纪初，最简单的就是一个三角形。为避免上弦下垂，早期的工匠在采用斜撑来支撑上弦，提高了结构稳定性。稍微晚期点的支撑结构更加的丰富，增加了更多的横向支撑，来保证三角屋顶稳定性。（见图4）
图4
到十三世纪中后期，由于对教堂屋顶审美要求提高，在财力不足以建石构拱顶时，他们会用木构屋顶来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带弯曲的斜撑，形成一个类似拱架的结构，并以联系梁承担两边的侧推力。这样形成了若干个相对比开敞较大的屋顶空间。当财力足够建石构拱顶的时，也可以使用同样的结构来为拱券来让出空间。（见图5）
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到十三至十四世纪，为了在出露明屋顶下部提供大跨度空间，现了另外的一种非常盛行的加固方法：利用斜撑在上部形成剪刀型的拉结。由于上部形成了若干个小的三角形，且两个构件是斜向相交的，有效的增加了节点之间的拉结面积，从而保证了整个拱架的稳定。同时还可利用下部联系横梁之间的空间修建砖石拱券。
当教堂有多个跨，跨度比较大时，出现了在中间跨使用三角屋架而两边加披的方式来扩大整个屋架的结构，这和中国唐代到辽代的建筑特征类似。（见图6）
图6
整个屋架用一种三维的结构方式结合成整体。每隔若干屋架之间，使用一根使用下部拉结大梁的三角屋架。其他的框架不使用大梁，而通过墙面上的、受大梁固定的纵向梁固定，抵抗拱结构的侧推力。这种大梁叫作Ankorbalken,德语的Ankor就是英语的anchor, 就是“锚”。（见图7）
图7
随着屋架跨度的进一步增大，跨中开始使用带有拉结作用的立“柱”。它可以设置在下弦中间，当中间有拱券挡住它位置的时候，可以设置在两侧。发展到十四世纪初，连接梁的形状就像健身用的拉杆一样，削小中间部分的直径以减小自重。是非常明确的受拉构件。
同在这个时期，由屋顶的构架越做越大，侧向稳定成为要解决的问题，所以增加一些拉结屋架的侧向稳定构架，使他们不会发生侧向的倾倒。（见图8）
图8
到十五世纪时，随着教堂发展的兴盛，屋顶变得越来越大，中柱起到结构拉结作用也越来越大，因为中柱受力会回到上弦，又给上弦增加了非常多的结构的压力，所以在这个时期呢又发展出了非常多的办法来分担中柱上的受力，比如说通过在上弦下面做一个平行的上弦来分担受力，或者在中柱上用很多斜向的构件形成向上的拉结，或者就是把中柱的和下面的连系梁分开。这种结构的出现，是因为工匠面对的挑战越来越多，于是他们采用各种方式来“修补”结构。（见图9）
图9
在这种情况下，屋架开始向下一个步骤发展，随着屋架本身的增大，受拉的柱子和斜撑越来越大，它们自身也会需要一些支撑，中柱就从受拉构件回到了受压柱子的作用，它更多的是把力传递到下面，并且用这些斜向支撑来分担下面若干个连系梁上的受力，从而出现了一种树状的过渡性的构架。（见图10）
图10
德语区建筑从这种树状结构上发展出了一种叫做“stehender Stuhl”,字面义就是“立凳”构造：把中柱变成主要结构组件，像凳子一样支撑着上面的连系梁和整个屋架。（见图11）
图11
“立凳”不仅是支撑结构，在施工上也能起到辅助支撑的作用。我们可以看它的施工步骤：先布置底下两根纵向沿墙的梁和横向的连系梁，再在连系梁上面立凳子，凳子相当于框架结构，凳子上面继续往上立中柱，然后安装斜架的支撑，最后是屋架的上弦，形成完整的屋架结构。立凳结构屋顶逻辑清晰，它的出现标志着德语区屋架结构进入成熟阶段。（见图12）
图12
“立凳”结构出现之后发展出了多种变型，比如它会把这种”立凳“与竖向的受拉的柱子结合使用，并且通过若干层的凳子形成非常大的屋架。这个大屋架如果在民居或者在城市的商业建筑中屋架几乎可以说是建筑的主体，变成了重要的使用空间。（见图13）
图13
对于大跨度屋顶结构,可以看到像这样的屋顶相比早期的加披大跨度屋顶已经有进步，它中间的主坡跟两边侧坡统一在一个完整的构架之下。为了实现结构完整，它在中间立了像凳架纵向砖石柱来分散掉结构本身跨度的问题。（见图14）
图14
在十四、十五世纪，这种结构在大的教堂经常用到，在教堂上部形成非常壮观的的空间，下面是汉诺威Marktkirche教堂屋架内部的照片，它的构件在交接的部分形成非常复杂的节点，其难度已经不亚于中国建筑与家具的榫卯节点了。（见图15）
图15
在十五-十六世纪，立柱凳子在民间的建筑当中看起来像另外一种叫做liegender Stuhl, 直译就是“躺着的凳”的结构。因为民间建筑需要把屋顶中间的净空让出来使用，所以将竖向立柱放到旁边，然后用节点来进行加固，在下层形成一个刚度比较大的空间。这种形式的立柱也可以形成非常多层数，形成巨大的构架。这两种“凳”式结构可以说是现在在德语区最常见的屋顶形式，它们相对来说比较成熟一些。（见图16）
图16
十七-十八世纪之后德语区的屋架结构就进入了巴洛克时期，这一段时期屋顶构架看起来更加丰富复杂。巴洛克时期是董书音下面的案例所讨论的范畴，等下由她来给大家介绍，我就不多讲了。
飞速的过完了发展史，让我们来看一下欧洲的工匠所使用的工具。
欧洲的工匠使用的工具和中国还是比较相近的，从十六世纪的版画中可以看到，他们平木用的斧子，跟中国斧子的形状略有不同，但功能是一样的，还能看到他们也有曲尺和墨斗。在具体的工法上也有不同，比如他们在做榫孔的时候，一般会用钻先钻孔，而中国的工匠不用钻，就直接打凿。木构民族在处理木构的工具和材料上，还是具有一定相似性的。（见图17）
图17
接下来谈谈屋架建造的过程。因为屋架尺度太大了，长边的连系梁大概有三十米甚至更长，所以他们在地面上先放样，之后再把所有的构件在地面上进行拼装，使每一个构架的节点跟尺度大小相似。拼装完之后在构架上做上标记，标记这是哪一品构架的哪一根梁的位置，再将构架拆解，用吊车吊到屋架上面去。地面拼装的这个步骤可以解释西方的构架中为什么常用“搭掌造”这种连接形式，因为需要在地面上拼装，若用穿孔连接，会穿不过去，所以采用“搭掌造”这种榫卯相卡的方式来连接。（见图18）
图18
最后提一本有意思的书——《Cathedral of Chutreaux》，作者是David Macaulay一名美国科普画家，这本书讲述的是法国一座十三世纪大教堂的建造过程，其中关于屋顶的建造过程是这样：外墙修建完成之后开始吊装屋顶，首先用吊车把在地面经过拼装调试的屋顶构件一件一件的吊上去，再将这些构件再次组合，完成屋架拼装。屋架完成后，开始吊装木拱架，再以木拱架为支撑和模板，在其上砌筑砖石拱券，再拆掉木拱架支撑，砖石拱券完成。在整个上面结构完成之后，再安装玻璃及一些相对脆弱性的构件，直到整个教堂完成，成为我们今天所见的大教堂。（见图19）
图19
最后回到我们的题目：“看不见的构架”，它是整个结构的幕后英雄，支撑着屋顶，并且在结构的建造中发挥着施工辅助的作用。
董书音：工匠的选择
研究案例 -- 维也纳霍夫堡皇宫
项目背景：霍夫堡始建于13世纪，长期作为奥地利皇室宫殿存在，现在作为多个博物馆及政府办公室包括总统办公室，遗产保护中心等机构驻地。经过六百年持续不断的加建和增建，有各式不同的屋架类型。
红色部分为研究区域，处于瑞士翼（Swiss Court）、力奥波德翼（Leopold Wing）和仪典大厅（Ceremonial Hall）三块屋顶的交接位置。
力奥波德翼建于1681年，采用凳式屋架系统，中间有墙体支撑；
瑞士翼建于中世纪，但至今遗留下来的屋顶结构，根据年轮测定应是建于1680年，亦是采用凳式屋架系统，中间有一个悬挂柱，避免下方的联系梁因为自身的重量弯曲、断裂；
仪典大厅建于1802年，采取更有效率的桁架的组织方式来悬挂梁架，并且通过梁架悬挂下面的天花板。
研究区域位于三块屋顶的交接处，经过现场调研后，发现它不同寻常的地方：
1. 凌乱的顶部
2. 无用之檩
3. 角度异常檩
4. 穿越中的斜梁
为什么会出现这些情况？为了解决这几个疑问，必须先了解初始结构是什么样，又经过了什么样的变迁而形成现在的样子。首先透过相关图像与历史追溯：
在历史图像资料中，研究区域的这块屋顶最早在十六世纪中期出现，当时叫做儿童翼。一个世纪后，扩建形成力奥波德翼，但建成三年后在战争中焚毁。重建之后的翼有了变化，在塔和力奥波德翼中间增加了一个小露台，可能是为了避免大火从一个屋顶连烧到另一个屋顶。在十八世纪，维也纳皇宫拆除了四边的角楼。十九世纪早期，仪典大厅建成，拆除了一部分屋顶，之后就少有变化一直持续到现在。
另外，通过树木年轮测定法，推定主结构的建成的年代是1753年左右，也就是文献记载西北角的角楼被拆毁的同一年。
同时，通过对遗失和加建的部分进行调查，从木材尺寸及榫卯的搭建方式可以判断顶部结构并非是原始的屋面构架，而是为了迎合当时所流行的孟莎顶来进行加建的。
19世纪前后，孟莎顶盛行。18世纪的皇家图书馆设计，采用了缓和的孟莎顶。而在一个世纪之后，力奥波德翼改建，在原来的两折屋顶上，覆盖了一个缓和的顶架伪装成是一个孟莎顶。
据此，我们可以进行还原：假定屋顶中轴线在悬挂柱中心，镜像对应后形成三角形屋面，正好覆盖了屋面的跨度，这可能是最接近原始屋面的形式。
那为什么会创造出三折的屋面呢？
据推测力奥波德屋面在1683年建成时，保留原有墙基作为构件基础，于是出现了一个非等分的两个三角的体系。
而当工匠在处理如何在平台上架设屋顶时，他们决定在原力奥波德翼的轮廓的基础上重新设计屋架结构。他们三等分了屋面跨度，创造出一种三折屋面，分散屋架负荷，并营造了屋架底部的无柱空间。
在确定最早期的屋面结构是一个三折屋面后，现在要解决的是“角度异常的檩”和“穿越中的斜梁”的问题。
三折屋面和原瑞士翼屋面相接时，可能有两种连接方式：
1. 以山墙直接隔断
2. 用斜面和瑞士翼的屋面相接
通过判断穿越中的斜梁是否属于原初屋面结构的一部分，或许能帮助我们判定当时的屋面是采用了哪一种交接方式。
在现场不同的构件上，可以看到早期工匠所留下的不同符号。工匠记号是与屋架施工方式有关的工匠标记。工匠在制作屋架时，会先在地面进行组装，组装的时候会在每一品的梁架上标记号，以确保在梁架拆散后还能认出梁架从属，再行组装。不同组工匠或是不同时期的工匠会使用不一样的记号。
通过对于工匠记号的研究，斜梁上的标记和交接屋面的第四榀梁架上的标记完全相同，可以判定这榀斜梁是属于当时原初屋架结构的一部分。由此我们可以判断该梁的作用是用于联系和承接从瑞士翼延伸到屋面的斜向构件，并可以倒推出当时为斜面相连的交接方式。
在这个屋架施工完工后50年，为了营造仪典大厅，建筑师决定拆除部分始建于1753年的屋架。而从穿越斜梁的所在的位置可以推断，原有屋面的南面轮廓比现有轮廓偏北，因此工匠除了拆除部分的原屋架外，事实上还将原有建筑的边界外推。
由于屋面外推，屋面坡度产生了变化，工匠在改建的过程中，谨慎地保持原主屋架不变，重新调整了檩条角度。
最后，我们可以总结，在研究区域的这块屋顶上有过三个阶段：
1. 新建；2. 仪典大厅建成之后，进行了第一次改变，切除了差不多三分之一的部分；3. 在孟莎顶的加建过程中，增建顶部上层屋面的结构。
（以上内容均根据讲座现场录音和主讲人提供的演示文件整理而成）
文字整理：林宜萱、杨磊；录音整理：韩西峰；格式校对：华益
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