贯木拱结构技术的前世今生

王冠一

在中国建筑师王澍近年的建筑实践中，轻型木构架已成为其常见设计手法：通过小尺寸的木材搭接实现相当大的跨度，非常巧妙；而且木材之间不是刚性连接，而是铰接，有些地方甚至仅利用摩擦力搭接，非常易于拆卸和复用。那么，这种结构技术的基本原理是什么？由何而来，又是如何传承和发展的？本文就来谈谈贯木拱结构技术的前世今生。

《清明上河图》中的“汴水虹桥”

六十多年前，北宋张择端的名作《清明上河图》（公元1101年）首次对公众展出，流传千古的“汴水虹桥”居于长幅的中心位置，桥梁学家唐寰澄首次注意到了画中的“汴水虹桥”并被深深吸引：不是一般古画中的石拱桥和木板桥，而是一座轻巧美丽的木拱桥，“一片霞光，使人眼亮”。后来唐寰澄先生对其展开了研究和计算，证实这种木拱技术是可行的，画中的桥梁是真实存在过的，推测其“净跨约20m，拱矢约5m，宽约8m”，并先后命名为“叠梁拱桥”和“贯木拱桥”（图1～7）。

但在很长一段时间内，科学界都认为这种木拱桥已经失传了，因为从宋代以后就再也没有这种拱桥再建的记录。经过二十余年的搜寻，直到20世纪70年代末，文物工作者在浙南和闽东北地区再次发现了同一类型的木拱桥，桥梁专家们终于确认北宋盛行的虹桥技术并未失传（表1）。此后，这种贯木拱技术引起了世界范围内的广泛关注。

木拱廊桥曾风行于北宋，是我国木结构桥梁的活化石，是中国传统木构桥梁中技术含量最高的一个品类，同时具有极高的传统美学价值。其使用较短的建造材料而形成较大的结构跨度，被认为是中国在世界桥梁史上的独特构造。唐寰澄先生在《中国科学技术史——桥梁卷》中称“木拱廊桥是世界桥梁史上绝无仅有的一个品种，在世界桥梁史上唯中国有之”。2009年9月，中国木拱桥传统营造技艺被列入联合国《急需保护的非物质文化遗产名录》。建筑师王澍也是从中得到启发，并将这种贯木拱结构技术运用到了自己的建筑实践中。

王澍的贯木拱结构实践

超轻村项目

建筑师王澍的“超轻村项目-临时居住单元”是应日本震后项目“人类家园”（Home-for-All）之邀所做的设计。这一项目以解决震后房屋短缺为目标，要求轻质以及速成的设计方案。因此，王澍构想了一个受灾人员能够自行迅速开展起来的建筑工程，源自北宋的贯木拱结构技术因其轻便高效而成为其结构选型当仁不让的首选。每栋临时房屋是由大约400根木条、少量铆钉和风钩组成的“临时建筑”，通过在顶层铺上透明有机板，可以实现遮风挡雨，一个单元内可供四口之家生活（图9～12）。

中国美术学院象山校区专家接待中心

2013年竣工的中国美术学院象山校区专家接待中心，整个建筑的屋顶由一片木构架大屋顶整体覆盖。但并未使用大尺寸木梁，仅仅使用小尺寸的松木木方，采用同样的贯木拱结构技术搭接而成。象山校区的大屋顶以极小的木材截面实现了巨大的跨度，一千年前古画中的造桥技术仍然能在现代的建筑设计中发挥作用，让人不能不惊叹传统木构技术的巨大潜力。比起众多仿古建筑对中国古建筑大屋顶“形”的仿摹，这种对古代营造技术的继承和发展是更加本质的哲学层面的血脉联系，让古代技术在现代有了新的生命力（图13）。

作为世界共同遗产的贯木拱结构技术

需要指出的是，贯木拱结构技术作为一种利用小木构件形成大跨度的技术，实际并非为中国专有。《清明上河图》中的虹桥结构，在达芬奇（公元1452年～1519年）的手稿中也有出现，这种结构被称为“Leonardo da Vincis Bridge”（达芬奇的桥）（图14）。“汴水虹桥”和“达芬奇的桥”都属于贯木拱结构基本形式的演化。可见，通过一定的设计，贯木拱结构可以演变出多种形式。

那么在达芬奇之前，贯木拱结构技术是何时开始的？新石器时代的小屋、爱斯基摩人和印第安人的帐篷结构与贯木拱结构的最简模式类似，有可能产生类似的结构，但因为无法保存，已不可考。欧洲13世纪的著名建筑师和雕塑家Villard de Honnecourt（兰斯主教堂、坎伯雷大教堂、拉昂大教堂的设计者），对如何使用较短的木材形成较大跨度的问题也有过研究，形成了非常类似的解决方案，这种方案主要用在建筑物的地板上（图15，16）。另外，日本有证据表明在12世纪末有一位和尚秋根，曾用这种螺旋分层的木梁建设寺庙和神社，但并未留存至今。日本此种结构的建筑相当多，均为现代建造。

贯木拱结构的巧妙之处

对于“汴水虹桥”、“达芬奇的桥”的二维结构而言，是以简单而巧妙的节点设计使得两根木材连接成拱。而对于三维结构的穹顶而言，仍然是同样的原理，其结构的基本元素仍然是三角形，每个三角形的顶点是一个五点或六点铰接的球形节点。

由于这种节点要承受多个方向的力，对强度和构造设计要求较高，在还没有现代工业技术以及钢铁尚未发明的时候是难以制造的。而木拱技术正是把这种节点“拆解”和“简化”，变成了两根杆件之间的关系，以此回避了复杂的节点，通过“低技”的方式达到了同样的效果。把多元关系简化为二元关系，是此种节点的聪明之处。进入现代社会以来，多点铰接球形节点的制造已非难事，这种木拱技术也就逐渐被球形节点所取代（图17，18）。

贯木拱结构的当代应用

在今天，贯木拱结构技术通过结合现代工艺节点，仍然可以大有作为。木建筑的可再生、低成本、可预制装配等特性，结合现代标准化的节点，是用于轻型建筑、临时建筑的最优选择之一。国外厂家已经有相应的节点设计，有轻型、重型等不同的结构类型，足以应付各种情况下的需要（图19，20）。轻型化的贯木拱技术并非只能用于建筑，其在家具、产品等设计领域亦有用武之地。比如，国内時作设计研究室主持设计师赵英明运用贯木拱结构原理设计研发了廊桥系列家具，所有构件之间通过互相穿插、咬合、别压而自然达到平衡与稳定，可以自由组装和拆卸，无需一钉一胶，却坚固异常，可谓是将传统廊桥智慧引入当代日常生活之中的典型设计（图21）。又如，国外某公司也利用贯木拱结构原理设计出儿童玩具，让孩子在游戏的过程中探知基本的力学原理和结构形式，并能体会古人的智慧，也不失为寓教于乐的科普方式（图22）。

写在最后

从蛮荒时代起，各种文明背景的人类先祖们各自发挥巧思，利用天然的木材建立容身之所，贯木拱结构以其简单、有效，成为他们不约而同的选择，也成为了建筑史和结构史上的一抹亮色，且至今仍然有用武之地，不得不赞叹古人的创造力和巧思。希望通过此文能让我们国内更多的业内人士来关注和发展贯木拱结构技术，让“汴水虹桥”这样的巧思走出画面，使古老的技术在当今焕发出新的生命力。

图表来源

表1，图2～7源自文[1]；图13源自文[2]；图16源自文[3]；其余源自相关网站。

参考文献

[1] 唐寰澄. 中国木拱桥[M]. 中国建筑工业出版社，2010.

[2] 王澍. 隔岸问山——一种聚集丰富差异性的建筑类型学[J]. 建筑学报，2014（1）.

[3] Olga Popovic Larsen. Reciprocal Frame Architecture[M]. Architectural Press，2008.