青岛德占时期里院建筑西式木屋架建构范式研究

成 帅 任永翔 刘 珊

1青岛理工大学建筑与城乡规划学院（266033） 2 青岛理工大学艺术与设计学院（266033）

0 引言

青岛里院建筑是一种合院式集合住宅与商业混合建筑，始于1897年德占时期的华人城区[1]。德占时期里院建筑采用由砖石承重墙、砖石拱券、木梁楼板、木屋架组成的砖（石）木混合建构系统。建筑上部使用传统中式抬梁屋架或西式木屋架，而后者在总量上占据绝对优势，并且呈现出移植自德国本土传统木屋架的特征，在形制、力学原理、构件连接等方面与中国传统木架结构存在差异。

1 形制溯源—德国传统木屋架

德国传统木屋架有檩屋架和弦屋架两种基本形式。在檩屋架中，纵向檩条直接支撑在室内横墙、山墙、屋梁上，或通过立柱支撑在梁上；檩条一旦断裂，整个屋顶会完全塌陷，而檩条上的成对椽子则相对自由。弦屋架也被称为三角形屋架，由多个三角形桁架受力单元组成，每个单元由上弦杆 （椽子）、腹杆、下弦杆（屋梁）榫卯相接而成。在中间的各杆称为腹杆，腹杆又分为向跨中倾斜的斜腹杆和垂直于水平面的竖腹杆两种类型[2]。单元间通过纵向木桁条连接，如果一个桁架单元发生过载断裂，通常只会造成局部损坏而不会影响整个屋顶的稳定性。同檩屋架相比，三角形木屋架利用“几何不变体系原理”将桁架间的内力化为零[3]，受力更合理，并且大幅节省了木材用量。

最简单的檩屋架仅由檩条和椽子组成。由椽木产生的重力通过檩木传递到连接处或者连接墙上[4]。随着长度的增加，檩条需要通过立柱支撑在屋梁上，所形成的柱架在德语区被称为 “立凳”（德语：Stehendem Stuhl）。根据屋架截面内立凳数量的不同，檩屋架又分为单立凳檩屋架（德语：Pfettendach mit einfach stehendem Stuhl）与双立凳檩屋架（德语：Pfettendach mit zweifach stehendem Stuhl）。为分担“立凳”上的荷载以实现更大跨度，还出现了双斜撑梁屋架（德语：Doppeltes Sprengewerk）、单悬吊屋架（德语：Einfaches H ngewerk） 和双悬吊屋架 （德语：Doppeltes H ngewerk） 等结合三角形或梯形桁架使用的檩屋架。青岛里院中的檩屋架多移植自上述屋架形式，并多结合桁架进行设计（见表1）。

表1 德国传统檩屋架类型

作为檩屋架替代方案的弦屋架则通过不同设计原理实现外部荷载的传递。不同形式弦屋架的桁架单元各不相同，最简单的桁架单元仅包含上弦杆和下弦杆，其受力原理与拱结构相似。后来，随着跨度的增加，为防止上弦杆、下弦杆断裂或下垂，工匠会在桁架单元中添加各种木构件，由此出现了对柱屋架（德语：Doppelter stehender stuhl）以及在英美被称为帝柱桁架（英语：Kingpost trusses）、后柱桁架（英语：queenpost trusses）的悬吊屋架。刘锳绪在其1910年编纂的《建筑新法》中，将后两种屋架命名为“单柱陀架”与“双柱陀架”。《建筑新法》将屋架称为“柁架”，其体现的仍是中国传统建筑思维；之后称为“吊架”，才能够反映屋架的基本受力特征，也体现出认知的改变[5]。随着屋架体量增大，为改善其纵向稳定性，由纵向檩条和立柱组成的“立凳”被引入其中，形成立凳桁架；之后发展出多种变型，比如将“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[6]，其大体量的屋顶空间成为德国民居中的重要使用空间。由于需要额外室内支撑的立凳结构不适用于教堂等大面积无柱空间，后期便产生了与其原理相似的“躺椅”（德语：Liegender Stuhl）结构，即将立柱倾斜放置，使屋架内部荷载转移到外墙附近，并在柱子之间设置横向受压的约束梁，使两侧立柱相互支撑（见表2）。

表2 德国传统弦屋架类型

2 德占时期里院建筑木屋架建构范式

与德国传统民居中的多层木屋架相比，由于里院建筑跨度不大，其屋顶因体量小而无法作为使用空间，设计师多采用单层双坡屋架或跨度更小的单坡屋架，形式以檩屋架、对柱屋架、帝柱桁架为主。而更为复杂的后柱桁架、躺椅桁架等多层屋架在同时期体量更大的独栋住宅或公建中出现较多，但并未出现在里院建筑中，这一点也体现出德国传统木屋架被因地制宜地应用在青岛近代建筑中。

2.1 德占时期里院建筑中的檩屋架

在德占时期里院建筑中，檩屋架使用频率要高于弦屋架。需要横墙支撑的最简单的檩屋架仅出现在周季芳院落 （1907年） 和祥福地产25号院中（1901年）。相比于它，由檩条和支撑立柱所形成的立凳结构可通过横梁将屋顶荷载转移到外纵墙上，一定程度上解放了室内空间，该时期里院中的檩屋架多包含此类结构。单立凳檩屋架是最基本的形式，通常会设置檐檩和脊檩，跨度较小，仅出现在李村路14号院建筑（1911年）中，屋架跨度约为4.5 m，两端架在外纵墙上，在每榀屋架截面内设置一对“V”形斜撑，其底部与立柱底部相接，顶部支撑在椽子跨中以防止其断裂；一对中部木钉盖板将其余构件固定在一起，并对屋架进行横向加强。

同时期里院建筑中的双立凳檩屋架沿用了德国传统形式，支撑椽子的中间檩条通过立柱支撑在屋梁上，梁端部檐檩的截面尺寸稍小于其余檩条。檩条和立柱间可设置角撑形成刚连接，以增加纵向稳定性；并多在立柱侧面设置斜杆，以增强屋架抵抗横向荷载的能力。在此基础上，还出现了包含脊檩的多立凳檩屋架，脊檩通过中柱支撑在屋梁或椽子跨中的木钉盖板上。在这类屋架中，椽子通过承接角口搭在檩条上（如图1 所示），这些凹槽产生的水平支撑面方便垂直荷载的传递，但应该尽可能小，否则会削弱椽子断面的承载力。为避免这种情况发生，该时期里院建筑中出现了另外一种处理方式，每榀屋架中的成对椽子先由木钉盖板固定，再放在檩条上，椽子上的受力可通过横向盖板传递到下方的柱架上，避免椽子跨中截面遭到破坏，同时木钉盖板也充当了连系梁（如图2 所示）。

图1 椽子与檩条的连接方式

图2 河南路88号局部屋架设计图

为实现更大的空间跨度，德占时期里院建筑中的檩屋架多延续德国传统木屋架处理手法，结合三角形或梯形桁架原理分担“立凳”上的荷载，以消除额外室内支撑。运用三角形桁架原理即在屋架截面内设置一对平行于椽子的人字形支撑，以广兴里西侧建筑为例，该房屋于1914年更换单立凳檩屋架并沿用至今，屋架跨度约为6.26 m，屋架截面内人字形支撑的底部、顶部分别与屋梁、立柱榫卯相接，一方面其的作用与中式木屋架中的“叉手”类似，可以增强屋架结构稳定性；另一方面，其同屋梁形成顶部受力的三角形桁架，由于杆件底部靠近外墙，中柱上部分荷载通过斜杆转化为向外的侧推力和向下的压力，并分别由屋梁及其端部的外墙承担（如图3 所示）。基于同样原理，在里院建筑中还出现了多立凳檩屋架结合单个或多个人字形支撑的做法。除此之外，这对支撑还起到直接承担檩条荷载的作用，在天津路18～20号里院建筑中出现了此类做法（如图4 所示），该屋架跨度约为6.24 m，中间檩条上的荷载由人字形支撑和木钉盖板的组合结构直接转移到屋梁端部的外墙上，通过减少屋架内立柱数量来达到减少室内支撑的目的。

图3 广兴里西侧建筑屋架现状

图4 天津路18-20号局部屋架设计图

梯形桁架原理多与双立凳檩屋架相结合。以宁波路20～24号（1914年）为例，该里院共两进院落，沿街二层建筑采用双立凳檩屋架，跨度约为7.28 m；该结构至今未发生改变（如图5 所示）。两根立柱之间设置了一根横向约束梁，立柱侧面各设置一根斜杆，既增强了屋架抵抗横向荷载的能力，也与约束梁、屋梁形成梯形桁架。在分担对称荷载时，约束梁受压，屋梁、外墙分别用于抵抗斜杆带来的侧推力和压力，因此斜杆底部往往榫接在屋梁上，并位于靠近外墙的位置。当产生不均匀荷载时，则通过屋梁的弯曲刚度来抵抗。

图5 宁波路20-24号院沿街建筑屋架设计图

2.2 德占时期里院建筑中的弦屋架

德占时期里院建筑中的弦屋架均为单层，受木杆件长度、强度以及房间跨度影响，简单三角形桁架单元和德国传统立凳桁架仅出现在德占初期极少数里院建筑中，其余多以对柱屋架、帝柱桁架为主。在传统对柱屋架中，由颈梁和立柱组成的柱架承受压力。除此类屋架外，部分里院建筑中的对柱屋架还结合悬吊系统跨越了更远距离，在山西路11号（1913年）里院建筑中，颈梁被中柱悬吊着，其所受的部分压力通过吊柱传递到两侧上弦杆以减少下部立柱所受压力，减轻了屋梁负担，减少了支撑墙体的数量（如图6 所示）。

图6 山西路11号号局部屋架设计图

以高密路28～32号院为例，沿街二层房屋建于德占时期，屋架形式至今并未发生改变。每个桁架单元均为帝柱桁架，但做法较简略。两根主弦杆顶部、底部分别与中央主柱、屋梁榫卯相接，主柱悬挂着连系梁；为了防止上弦杆断裂，还设置了两根从主柱底部升起并支撑在上弦杆跨中的斜杆，它们是受压构件。主柱通常处于张力状态，系梁和主弦杆的接头相当复杂[7]。屋面荷载以及立柱所受的拉力、接头处的压力由两侧上弦杆分解成侧推力和压力，分别由屋梁和梁端部外墙承担。

3 结语

按始建时间和类型对出现在里院建筑中的56个屋架进行分类统计（如图7 所示），可发现1910年前檩、弦两类屋架的使用频率相差不大，并且平均跨度基本相同，分别为6.61 m 和6.8 m，均可满足跨度需求。相较于弦屋架，檩屋架成熟较早，在始建于1901年的即墨路14～18号里院建筑中就出现了成熟的多立凳檩屋架做法。除了带立凳结构的屋架外，在此时期已经出现了结合三角形和梯形桁架原理以分担屋架内力的檩屋架，但该时期的弦屋架仍以发展较不成熟的对柱屋架为主，这可能是因当时的工匠对于弦屋架受力原理认知不足而导致的。出现于1910年后的帝柱桁架则反映了人们对于三角形桁架结构认知的巨大飞跃，更合理的受力结构使其逐步替代对柱屋架，成为弦屋架的主流形式。

图7 德占时期里院建筑西式木屋架形制不完全统计图谱

1910年后，以结合三角形和梯形桁架原理为主的檩屋架的使用频率远高于弦屋架。究其原因，一方面是由于其对榫卯施工工艺的要求相对简单；另一方面，用地最大化导致设计者采用了紧贴不规则地界线的设计模式，从而形成了不规则屋顶平面，并且部分房间需要在其上部加设老虎窗以增加通风采光。檩屋架通用性更强，其由立柱和纵向檩条组成的承重柱架不仅能满足不规则屋顶平面的需求，而且与弦屋架相比，椽子作为非承重构件，其长度、开口大小和位置所受限制更少，也更能满足带外廊、烟囱体或老虎窗等混合形式屋架结构的需要。