建筑結(jié)構(gòu)面對的技術(shù)挑戰(zhàn)中，跨度是一個永恒的對手。甚至，建筑技術(shù)的發(fā)展史可以依照“如何挑戰(zhàn)跨度”的線索來敘事，而迎戰(zhàn)跨度的主戰(zhàn)場在橋梁與建筑屋頂。對于二者，東亞與歐洲都有成熟的木構(gòu)建造傳統(tǒng)。

在中文世界(甚至英文世界)，歐洲的木構(gòu)技術(shù)研究與介紹較為有限。談及西方建筑發(fā)展時(shí)，傳統(tǒng)的技術(shù)史敘事往往著眼于石構(gòu)。而德語學(xué)術(shù)中，針對石構(gòu)教堂中的木構(gòu)屋架、木構(gòu)房屋以及橋梁，已經(jīng)形成了一個專有的研究領(lǐng)域，超過一個世紀(jì)的累累成果。

在德國多年的學(xué)習(xí)與研究中，筆者密切關(guān)注不同文明的木構(gòu)建造技術(shù)。誠然，東西方建筑在形式與結(jié)構(gòu)體系上有著巨大的差異。倘若單純著眼于形式或體系的比較，不免落入空洞。但若當(dāng)我們將視線透過中觀的結(jié)構(gòu)進(jìn)入微觀的構(gòu)造，著眼人們?nèi)绾螒?yīng)對材料、迎對技術(shù)挑戰(zhàn)、解決構(gòu)造問題，通過結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)的技術(shù)手法，潛入匠師的認(rèn)知與思維，去觀察不同地域與文化建構(gòu)思維差異，就有可能揭示一些更深層次的文化特質(zhì)。這正是筆者出版專著《榫卯與木構(gòu)文明》之立足點(diǎn)，本文則從中選取跨度問題作為線索，一葉觀秋。

1  何謂桁架

桁架(truss)是西方建筑發(fā)展史中應(yīng)對跨度需求最常用的結(jié)構(gòu)形式。將桿件組合、連接在一起形成剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)架，桁架常以三角形布置，利用幾何學(xué)上的三角穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。桿件僅在兩端相接，內(nèi)部受力以軸力即拉、壓力為主，在理想狀態(tài)下不存在受彎構(gòu)件。

無論何等材種，木材的順紋受拉承載力約為受壓承載力的2~3倍，因此針對拉、壓桿件進(jìn)行的計(jì)算和設(shè)計(jì)，尤其是充分利用受拉桿件，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)效率的最大經(jīng)濟(jì)性。在各種木構(gòu)形式中，桁架具有最大的跨度能力；而在同等跨度條件和承載力要求下，桁架結(jié)構(gòu)消耗的木材最少。桁架的結(jié)構(gòu)效率可以從模型性結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中略見一斑：在清華大學(xué)土木工程系主辦的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽中，手工制作的凈跨1m木桁架橋模型，可以用僅約60余克的自重承受15kg的動荷載！

與這種受力特性相對的是受彎構(gòu)件，亦即更常見的(結(jié)構(gòu)學(xué)意義上的)梁。受彎的本質(zhì)是一側(cè)受拉、另側(cè)受壓。可以想象彎拗一塊長條橡皮的狀態(tài)。這令構(gòu)件內(nèi)部上下表面受力最大，而截面中央產(chǎn)生受力為零的中性軸及其兩側(cè)受力較小區(qū)域。因此梁對材料的利用率有限，結(jié)構(gòu)效率遠(yuǎn)低于桁架。

受力分明的現(xiàn)代桁架是典型的科學(xué)產(chǎn)物。“理想”桁架拉、壓分明的受力特征，適于簡化為抽象模型進(jìn)行分析計(jì)算，桁架理論是結(jié)構(gòu)科學(xué)的理論基石之一。結(jié)構(gòu)科學(xué)與鋼鐵時(shí)代的結(jié)合，高至埃菲爾鐵塔，長至跨海長橋——人類文明史上很多偉大的工程杰作，都是桁架的舞臺。

而早在現(xiàn)代科學(xué)、力學(xué)計(jì)算誕生之前，桁架就是歐洲木構(gòu)建造傳統(tǒng)中最重要的結(jié)構(gòu)形式之一，至晚在古羅馬時(shí)代，就已在屋架與橋梁中大展身手。這種出現(xiàn)在前科學(xué)時(shí)代、未經(jīng)力學(xué)計(jì)算優(yōu)化，但已經(jīng)具有初步的受力意識、針對受力對結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)整的桁架，可稱為傳統(tǒng)桁架(本文仍統(tǒng)稱為“桁架”)，以區(qū)別結(jié)構(gòu)科學(xué)意義上的桁架。

相較其他可能的結(jié)構(gòu)形式，桁架優(yōu)勢明顯：不僅跨度大、承重效果好，施工建造也很方便。無論是房屋、橋梁還是屋架，均可以在地面組裝框架、整體吊裝就位。此外，桁架節(jié)點(diǎn)加工便利：三角形邊長不變則角度不改，三角形構(gòu)架為桁架提供了穩(wěn)定性。因此節(jié)點(diǎn)的加工只需保證相接，不需要限制轉(zhuǎn)動變形(近乎于鉸節(jié)點(diǎn))，這大大降低了節(jié)點(diǎn)加工的精度要求和制作難度。與之相較，中國木構(gòu)建筑不使用斜向構(gòu)件，而矩形構(gòu)架在幾何關(guān)系上容易變形，為了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，就要求節(jié)點(diǎn)采用特殊的構(gòu)造方式(譬如穿斗式透榫或抬梁構(gòu)架中的榫肩)，并且制作極為緊密才能防止變形(近乎于剛節(jié)點(diǎn))。換句話說，在歐洲，木桁架利用結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系解決結(jié)構(gòu)剛度問題，因此可以使用鉸節(jié)點(diǎn)。而在中國，柱梁框架不得不依賴節(jié)點(diǎn)剛度來保證結(jié)構(gòu)剛度，這也是東亞木構(gòu)建筑格外重視榫卯的原因。而桁架結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的加工精度不像在中國木作那么性命攸關(guān)，建造效率也就更高。

加工便利、施工方便、承重力強(qiáng)、規(guī)模能力更大——桁架在西方建筑發(fā)展史中，無論普通房屋、府邸宮殿、大型橋梁還是宗教建筑，均扮演了重要角色。同時(shí)，又是傳統(tǒng)木作通往結(jié)構(gòu)科學(xué)的一條捷徑，它的兩個重要技術(shù)門檻分別應(yīng)對了結(jié)構(gòu)力學(xué)中最重要的兩個概念：力學(xué)合理與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。三角形穩(wěn)定性解決了桁架的整體穩(wěn)定問題；有意識地使用受拉構(gòu)件發(fā)揮了最大的力學(xué)效益。

2  歐洲傳統(tǒng)屋架的發(fā)展歷程

出于排水需要，兩坡屋頂是濕潤多雨地區(qū)的通用屋頂形式，屋頂區(qū)域的三角形空間，便自然生出了木構(gòu)三角屋架。一般認(rèn)為，古希臘時(shí)代可能已出現(xiàn)桁架雛形。雖然木構(gòu)屋架早已無存，但古希臘神廟的山花明確地暗示了三角形木構(gòu)屋頂結(jié)構(gòu)的存在。可能僅僅是層疊的木梁柱，也可能已經(jīng)出現(xiàn)了三角形木構(gòu)架(圖1)，甚至帶中柱的桁架雛形。

▲ 1  意大利帕埃斯圖姆(Paestum)古希臘時(shí)期石制神龕三角形“人字拱”屋架

這里需要區(qū)分一組概念：同樣是三角形的木構(gòu)架，“斜弦+平梁”的歐洲三角構(gòu)架(弦屋頂，[D]Sparendach)，與“檁+椽”的東亞構(gòu)架(檁屋頂，[D]Pfettendach，圖2)。弦屋頂中，承重構(gòu)架是斜弦形成的人字拱。在斜弦中，壓力沿軸線斜向下方傳遞到底部平梁。檁屋頂中，承重構(gòu)架是檁和托舉檁的柱或梁，而斜向椽的受力模式為簡支梁，垂直傳力于支托它的檁，再至檁下柱或梁。

如果說力學(xué)模式分析是現(xiàn)代科學(xué)解構(gòu)下的抽象產(chǎn)物，未必代表匠人的認(rèn)識，那么構(gòu)架中具體的構(gòu)造差異，則可以真實(shí)反映出匠人對于“力”的理解和對策。

弦屋頂中，兩側(cè)斜弦互相撐扶，二者之間有穩(wěn)固的節(jié)點(diǎn)固定；而斜弦與平梁交接處，需要卡入平梁之內(nèi)，才可抵消斜向的推力。這就誕生了一種專用的稱作“斜嵌”([D] Versatz)的節(jié)點(diǎn)(圖3)。檁屋頂中，椽是搭掛在檁或其他水平構(gòu)件上的，可用釘子簡單固定，而左右兩側(cè)的椽甚至不需要相交。

在弦屋頂中，斜弦插入下弦梁，會向外側(cè)推頂平梁之中、節(jié)點(diǎn)斷面的木質(zhì)材料。因此平梁要在節(jié)點(diǎn)外側(cè)，保留相當(dāng)長度的端木([D]?Vorholz)，才能保證端部木纖維不會輕易被推力破壞。這是弦屋頂?shù)囊粋€構(gòu)造特征。木匠手冊中常會對保留端木的長度做出指導(dǎo)。在鐵件進(jìn)入屋架后，推力可能被鐵質(zhì)銷釘受剪抵消。觀察斜弦與平梁的交接關(guān)系、平梁是否具有承受斜弦的推力的構(gòu)造措施，是判斷一個三角形的木構(gòu)架是否為桁架結(jié)構(gòu)的基本因素之一。

桁架誕生的一個決定性因素是懸柱([D] H?nges?ule)，即主動承拉的立柱。出于從上向下傳力的直觀認(rèn)識，三角屋架的立柱在發(fā)展之初都是立足于下部平梁之上的。隨著屋架規(guī)模增大，平梁長度增加，會因自重下沉。而匠人已經(jīng)注意到，人字拱式三角屋架本身具有很強(qiáng)的承重能力，于是反過來用中央立柱“提”住下沉的平梁。懸柱的出現(xiàn)使結(jié)構(gòu)中的力流改變了自然狀態(tài)反道而馳，是傳統(tǒng)桁架誕生的標(biāo)志。

古羅馬時(shí)代，懸柱在桁架中已得到廣泛應(yīng)用，有豐富而明確的證據(jù)。最典型者為羅馬4世紀(jì)壁畫中老圣彼得巴西利卡(Old St. Peter's Basilica)的屋架圖像(圖4)，三角形屋架的中柱明顯處于懸吊狀態(tài)。

除了懸柱，早期桁架中還會出現(xiàn)其他受拉構(gòu)件。在人字拱作用下，下方平梁從兩端被斜弦向外推頂、亦即受拉。因此在德語中，這根平梁被稱作“束梁”([D]Binderbalken)，正是強(qiáng)調(diào)了它拉束的作用。

在德語區(qū)，不但屋架跨度規(guī)模日漸增大，哥特建筑傳統(tǒng)下，對天際的追求催生出宏大高聳的木構(gòu)屋架。三角構(gòu)架愈顯薄弱，在屋頂重壓之下有向內(nèi)彎凹的趨勢。人們便在三角構(gòu)架的中部或上部使用水平短梁(德語中稱作“喉梁”，[D]?Kehlbalken)支頂斜弦。在束梁-喉梁體系中，束梁受拉而喉梁受壓；但喉梁的出現(xiàn)為構(gòu)架提供了取消束梁的可能，喉梁的受力隨之轉(zhuǎn)向，代之承擔(dān)主要的拉力。同時(shí)斜弦腳部也會有縱木等其他固定措施。隨著規(guī)模的增加，屋架中可以出現(xiàn)多重喉梁，以及斜向的撐木。與喉梁相似，撐木的受力同樣會隨構(gòu)架的幾何變化以及風(fēng)荷載等受力變化在拉力、壓力之間轉(zhuǎn)換(圖5)。

取消束梁則形成更高、更開敞的凈空。因此中世紀(jì)教堂往往在完整屋架橫架之間使用若干不設(shè)束梁的橫架([D]binderlose Gesp?rre)，為聳起的石拱券提供空間。在一些不施用石拱穹的建筑中，木屋架露明，規(guī)律形式組合形成了木構(gòu)架的美學(xué)效果(圖6)。

承受拉力的木構(gòu)件，自然需要配套承受拉力的榫卯構(gòu)造。用燕尾形搭掌榫與木釘?shù)慕M合是喉梁與其他起撐頂或拉結(jié)作用的斜向構(gòu)件最常用的節(jié)點(diǎn)形式。木釘以剪力的方式承擔(dān)節(jié)點(diǎn)受力，制作木釘?shù)牟牧贤顬閺?qiáng)健堅(jiān)固，“硬如鐵”的橡木是最常見的選擇。

最嚴(yán)峻的考驗(yàn)來自懸柱與平梁的節(jié)點(diǎn)。在大型屋架結(jié)構(gòu)中，為了減輕構(gòu)件的自重，中柱與束梁往往已經(jīng)將截面尺度縮減至最小，這時(shí)如果再采用搭掌榫，勢必會在節(jié)點(diǎn)處進(jìn)一步削弱構(gòu)件，普通的木釘亦難以承受這里巨大的剪力。建造教堂的匠人們，往往有專門的構(gòu)造手段來強(qiáng)化這個關(guān)節(jié)(圖7)。這個部位，亦是在建筑材料的演化中，最先被金屬接管的節(jié)點(diǎn)。

相比木材豐富、哥特遺風(fēng)之下的西北歐，位居南歐的意大利，一方面是相對干燥的氣候和木材的稀缺，建筑不追求高尖的屋頂，屋架相對平緩，對木材的使用相對節(jié)儉；另一方面，作為職業(yè)建筑師與科學(xué)化材料力學(xué)研究的誕生地，木構(gòu)架設(shè)計(jì)中體現(xiàn)了更多對材料受力的關(guān)照，并且應(yīng)對受力特征，毫不吝嗇鐵件的使用。

文藝復(fù)興之后，在桁架屋架的懸柱位置，金屬節(jié)點(diǎn)已經(jīng)成為通用做法(圖8)，鐵片箍拴，甚至將懸柱下部替換為鐵桿拉結(jié)。隨著鐵件在屋架中比重增加，在18世紀(jì)中葉之后，伴隨著工業(yè)革命的進(jìn)程，在整個歐洲范圍內(nèi)，屋架之中鐵制構(gòu)件的比重逐漸增多，從節(jié)點(diǎn)延長到桿件，甚至逐步取代木質(zhì)拉桿，作為懸柱甚至下弦大梁，為建筑進(jìn)入鋼鐵時(shí)代鋪平了道路。

3  歐洲木構(gòu)橋梁的探索

除了屋架的應(yīng)用，作為最適合挑戰(zhàn)跨度的結(jié)構(gòu)，橋梁是桁架的另一個重要舞臺。而它于此的實(shí)踐毫不晚于屋架。目前關(guān)于木桁架橋梁最早的實(shí)例是古羅馬圖拉真(Trajan)皇帝在多瑙河上建造的大橋(建于約105年)，以生動的浮雕刻畫在羅馬的圖拉真石柱上。

相對于屋架，木構(gòu)橋梁在歐洲建筑的早期歷史上留下的證據(jù)相對有限。原因之一，自古羅馬始，石拱券技術(shù)即已相當(dāng)發(fā)達(dá)。只要有條件，石拱橋才是羅馬人的首選。古羅馬最著名的兩座木構(gòu)橋梁——愷撒(Julius Caesar)萊茵河橋與圖拉真多瑙河橋均為戰(zhàn)爭用途。另一個原因，橋梁作為交通要塞，往往在戰(zhàn)爭中首當(dāng)其沖，即使不是人為破壞，近水環(huán)境亦不利于木橋的長存。

即使文獻(xiàn)有限，仍然不難想象，中世紀(jì)歐洲的桁架橋一定也得到了長足的發(fā)展。一方面是民用房屋和教堂建筑中發(fā)達(dá)的桁架技術(shù)，可以直接轉(zhuǎn)化到橋梁。歐洲存世較早的幾座桁架橋(圖9)，均采用了屋架結(jié)構(gòu)常見的單柱或雙柱懸柱桁架([D]H?ngewerk)。另一方面，即使建造石制橋梁與教堂石拱券，也需要木制的鷹架作為腳手架，而這些木制構(gòu)架，在形式上已經(jīng)成為了穩(wěn)固的木桁架橋梁。

文藝復(fù)興時(shí)期，木構(gòu)橋梁開始成為新興的職業(yè)建筑師的研究對象，并留下了豐富的橋梁設(shè)計(jì)資料。赫赫有名的達(dá)·芬奇(Leonardo da Vinci)、阿爾伯蒂(Leon Battista Alberti)、帕拉第奧(Andrea Palladio)都曾對古羅馬的木橋梁文獻(xiàn)進(jìn)行過研究。帕拉第奧更是做出了4種木桁架設(shè)計(jì)(圖10)，并稱其中一種為自德國案例的啟發(fā)。帕拉第奧對桁架橋的研究，被后世認(rèn)為開啟了現(xiàn)代桁架的研究，因而被譽(yù)為“現(xiàn)代桁架橋之父”。

在森林資源豐富的德語區(qū)，孕育了數(shù)量繁多的木桁架橋，亦發(fā)展出特殊的技術(shù)特征。桁架橋的基本單元是折邊拱(單柱桁架為人字拱，雙柱桁架為三折邊拱)。隨著跨度增加，就需要結(jié)構(gòu)和構(gòu)造上的突破。

首先是增加既有構(gòu)件尺寸，用雙層甚至多層材料拼合成壯碩的柱與折拱(圖9)。當(dāng)橋梁跨度超過了雙柱系統(tǒng)的能力限度，匠人便擴(kuò)展基本單元，拉長折邊拱的跨距，平行或交錯使用多重折邊拱。這種手段以近乎奢侈的姿態(tài)使用木材，在17、18世紀(jì)橋梁設(shè)計(jì)中，形成疊床架屋、錯綜復(fù)雜的龐大結(jié)構(gòu)(圖11)。

第三種發(fā)展，在三折邊拱的基礎(chǔ)上，發(fā)展成多折邊拱(圖12)，最終發(fā)展成寬厚的疊木拱(圖13)，用粗大的木拱作為主要承重結(jié)構(gòu)，懸吊下部的橋面。這種結(jié)構(gòu)成為現(xiàn)代層積材(laminated timber)的先驅(qū)。

在這3步結(jié)構(gòu)演化中，都會出現(xiàn)構(gòu)件與體系間的疊合。匠人很快意識到使貼合的梁木協(xié)同受力，要比各自為政、分別受力效果更好，這便為一種特殊的榫卯技術(shù)——齒接梁([D]?verzahnte Balken)或齒銷梁([D] verdübelte Balken)的應(yīng)用搭建了舞臺。

齒接梁的原理是，當(dāng)兩根梁上下疊放在一起，如果通過構(gòu)造手段使之協(xié)同變形(圖14)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二者分別自由變形時(shí)強(qiáng)度的疊加。兩根梁如鋸齒般相接，正是達(dá)到了受彎條件下協(xié)同變形的目的，體現(xiàn)了明確的力學(xué)認(rèn)識。關(guān)于這種結(jié)構(gòu)最早的記錄來自于文藝復(fù)興時(shí)期。15世紀(jì)起，達(dá)·芬奇即在戰(zhàn)爭機(jī)械的設(shè)計(jì)中繪出這種結(jié)構(gòu)。在17-18世紀(jì)，這種技術(shù)在橋梁建筑中極為普遍，甚至(與木拱技術(shù)一同)反哺于屋架結(jié)構(gòu)。直到19世紀(jì)，它仍頻繁出現(xiàn)在橋梁設(shè)計(jì)指南中。

至此，我們聚焦于意大利與德語區(qū)，簡要地勾勒出歐洲木構(gòu)屋架與橋梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程。受限于篇幅，本文并不能展現(xiàn)歷史演化的全貌，甚至不能述及技術(shù)發(fā)展的每一個重要階段。在選取有限的片段中，不難看出，歐洲匠作中木構(gòu)技術(shù)在屋頂與橋梁中的發(fā)展始終相互啟發(fā)、影響。這在技術(shù)的走向與匠人的分工中都有體現(xiàn)：前文案例中提及的瑞士格魯本曼(Grubenmann)匠師家族，正是以橋梁與屋架建造而聞名，他們的作品中可以清晰看到二者的技術(shù)交融。

另一方面，歐洲木構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，有兩條線索。一條為匠人主導(dǎo)下的經(jīng)驗(yàn)主義探索，一條為早期科學(xué)精神下，對材料力學(xué)特性的初步認(rèn)識和結(jié)構(gòu)探索。兩種思維是兼容并立的，沒有截然的分界線。但在不同地區(qū)與民族間，確又有偏重性差異。意大利的匠作傳統(tǒng)更強(qiáng)表現(xiàn)材料集約性，也更早誕生科學(xué)化的材料認(rèn)識與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；德語區(qū)的進(jìn)展則呈現(xiàn)相對奢侈的用材以及略顯“笨重”的構(gòu)架。但無論其中的差異，歐洲木構(gòu)架整體而言體現(xiàn)出對于材料受力的關(guān)注，以及直觀地針對受力、應(yīng)對變形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4 “疊澀”：東亞處理跨度的手法

在以木建筑聞名的東亞卻未能自主出現(xiàn)桁架傳統(tǒng)。中國最早的桁架結(jié)構(gòu)(如西南、西北地區(qū)的桁架橋梁、近代建筑的桁架屋頂)均是近代西方影響入傳后的產(chǎn)物。

中國建筑歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過形式接近桁架雛形的三角屋架，但它們距離真正的桁架，并沒有邁出關(guān)鍵的“懸柱”之步。中國古典建筑中，屋架中的三角構(gòu)架若有中柱，都是立于大梁之上，向下傳遞壓力，并未產(chǎn)生懸吊大梁的意識。這與桁架設(shè)計(jì)尚有本質(zhì)差異與巨大的結(jié)構(gòu)思維轉(zhuǎn)變。

在中國，建筑對應(yīng)跨度的方式，除了增大梁木尺寸外，主要在于懸挑。在亞洲傳統(tǒng)木構(gòu)橋梁中，伸臂梁是最為常見的橋梁形式(圖15)。伸臂梁的蹤跡，西至土耳其，東至日本，遍跡整個亞洲；在歐洲大陸大面積空缺，然后又出現(xiàn)在偏遠(yuǎn)(歷史上)而欠發(fā)達(dá)的北歐。在中國，更是從東南山區(qū)到西北丘壑，在不同民族、地域廣泛應(yīng)用。在歐洲橋梁技術(shù)發(fā)達(dá)的區(qū)域——譬如德語區(qū)，木構(gòu)橋梁偶或使用伸臂疊梁構(gòu)造，但僅將這種元素作為輔助結(jié)構(gòu)配合桁架使用。唯有在亞洲，伸臂梁橋在木構(gòu)橋梁中占據(jù)統(tǒng)治性地位。在中國，伸臂梁橋(或以其為基礎(chǔ)的混合結(jié)構(gòu))是除下文將要介紹的編木拱橋外，唯一可以達(dá)到30m以上跨度的木構(gòu)橋梁類型。

這種層進(jìn)相疊的形態(tài)統(tǒng)治著中國建筑的結(jié)構(gòu)理念。斗栱，作為東亞的建筑符號，正是一種小型的伸臂橋，層層出挑支撐梁木或深遠(yuǎn)的挑檐。而官式建筑的抬梁屋頂，層層遞退的水平梁架，正如一朵倒置的斗栱。通過逐層縮短梁栿，將荷載分配到梁的兩端以減小梁內(nèi)彎矩(圖16)。

這種層層遞進(jìn)或遞退的構(gòu)造，在宋代建筑術(shù)語中稱作“疊澀”。本是石作術(shù)語，指稱磚石臺基中，層層退入與層層出跳的裝飾性構(gòu)造。疊澀的繁體“疊澁”二字的字形正是這種構(gòu)造的直觀表達(dá)。在人類文明發(fā)展中，疊澀技術(shù)是砌筑技術(shù)發(fā)展中用來解決跨度問題的重要一步。以層層疊澀形成的拱形洞口，在結(jié)構(gòu)上稱為“假拱”(false arch)或疊澀拱(corbel arch)，出現(xiàn)在許多古代文明中，正是磚石拱結(jié)構(gòu)發(fā)展的前身。

一言以概之，中國建筑木構(gòu)傳統(tǒng)對于跨度問題的解決之道，在結(jié)構(gòu)思維上可以歸結(jié)為正向或反向的“疊澀”。而編木拱卻是一個特殊的例外。

5 編木拱：東亞的成熟木構(gòu)大跨度結(jié)構(gòu)技術(shù)

編木拱是一種不同尋常的橋梁形式：將平直的木材縱橫交織在一起，構(gòu)件之間形成互承、互鎖的制約關(guān)系，形成拱形的大跨度結(jié)構(gòu)。雖然形式特異，編木拱在不同歷史時(shí)期，出現(xiàn)在不同的文明中。其中最有名的案例，包括中國宋畫《清明上河圖》中的汴水虹橋、意大利文藝復(fù)興時(shí)期達(dá)·芬奇的橋梁設(shè)計(jì)，以及閩浙地區(qū)的編木拱橋。此外，筆者在日本、德國與挪威也找到了案例。這些案例大多為本土獨(dú)立誕生、發(fā)展，之間沒有直接的技術(shù)傳播關(guān)系。編木拱橋在人類文明中的出現(xiàn)，呈現(xiàn)為“普世的獨(dú)特性”。

然而，除了中國閩浙地區(qū)，所有其他編木拱橋案例，都在歷史中曇花一現(xiàn)便消失。只有在中國東南，形成了傳承有續(xù)的穩(wěn)定匠作傳統(tǒng)。閩浙山區(qū)的編木拱橋(以下簡稱“閩浙木拱橋”)，充分利用了編木結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度優(yōu)勢建造30m以上，甚至偶有40m以上凈跨的大型橋梁，成為東亞最強(qiáng)的木構(gòu)跨度能力。在筆者對編木拱橋的專門研究中，對這一現(xiàn)象做出的技術(shù)層面的解釋，包括以下幾點(diǎn)：

閩浙木拱橋的編木拱結(jié)構(gòu)，由主拱與副拱兩系統(tǒng)組成。主拱為三折邊拱；副拱則具有從二段到五段多種折邊拱形式，以五折邊拱為成熟形式(圖17)。閩浙木拱橋的結(jié)構(gòu)無論如何變化，不脫離三折邊拱主體。但理論上，編木拱原理存在豐富的變形、拓展可能，卻沒有在這一地區(qū)得到發(fā)展。換言之，閩浙木拱橋的技術(shù)探索并非體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)形式上。

以三折邊拱為主體和建造基礎(chǔ)，這一選擇來自于閩浙地區(qū)的營造土壤：在編木拱橋之外，這一地區(qū)的橋梁傳統(tǒng)中，有單一三折邊拱的結(jié)構(gòu)形式(八字撐木橋)。閩浙編木拱的發(fā)展，直接利用了這一基礎(chǔ)形式以及它相應(yīng)的建造技術(shù)。相應(yīng)，木構(gòu)三折邊拱可以利用簡單腳手架搭建(圖18)。而超出三折邊，將會帶來施工難度的劇增。

閩浙木拱橋在400余年的發(fā)展中，最重要的技術(shù)探索是節(jié)點(diǎn)技術(shù)和施工技術(shù)。節(jié)點(diǎn)技術(shù)即結(jié)構(gòu)的榫卯做法。現(xiàn)代工程思維中，節(jié)點(diǎn)的形式應(yīng)對于受力，譬如，燕尾榫可以承受拉力，因此抗拔；而直榫不抗拔。但木拱橋匠對榫卯形式的選擇，考慮的并不是受力，而是建造施工的便利。編木拱中，所有梁木均承受彎矩與壓力，對于建成的結(jié)構(gòu)，無論何種節(jié)點(diǎn)，力學(xué)上幾乎沒有差異。甚至因?yàn)闃?gòu)件互承互鎖，極端地說，哪怕將榫卯都砍斷，令所有構(gòu)件簡單支頂在一起，結(jié)構(gòu)也幾乎是安全的。

但對于建造施工，縱向構(gòu)件使用燕尾榫或直榫，安裝方式則大有差別。燕尾榫的安放，是垂直于構(gòu)件的軸線落入榫口；而直榫則是沿著構(gòu)件軸線插進(jìn)榫口的。在一支傳統(tǒng)匠人的語言中，并沒有類似“燕尾榫”或“直榫”這樣對應(yīng)于形式的名詞，他們用“扣下去的”與“插進(jìn)去的”來指稱這兩種榫卯。當(dāng)匠人選用了不同的榫卯形式，事實(shí)上就選擇了不同的安裝方式，事關(guān)施工組織、整個團(tuán)隊(duì)的配合，也事關(guān)結(jié)構(gòu)的比例關(guān)系設(shè)計(jì)。榫卯形式在匠人家族傳承中，是非常穩(wěn)定的因素。

榫卯之于編木拱，最重要的功能，在于施工過程中維護(hù)半成狀態(tài)構(gòu)架的穩(wěn)定。編木拱橋雖然出現(xiàn)在世界各地，但未能在其他地區(qū)扎根，一個重要原因是結(jié)構(gòu)安裝的困難：構(gòu)件之間相互牽制又相互支持，在完整結(jié)構(gòu)建成之前，半成的結(jié)構(gòu)體極不穩(wěn)定。而閩浙匠人則利用榫卯構(gòu)造，賦予半成的結(jié)構(gòu)一定剛度和穩(wěn)定性，才能以至為簡單的腳手架完成結(jié)構(gòu)的有序裝配。

簡而言之，編木拱橋僅在中國得到探索和發(fā)展，在西方世界雖有閃現(xiàn)卻從未扎根，其中一個原因，是歐洲已經(jīng)有了成熟的桁架體系，沒有再發(fā)展編木拱技術(shù)來應(yīng)對跨度的需要。而這一需求，在沒有桁架技術(shù)可汲的中國民間則凸顯了出來。編木拱最大的難度不在于結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)，而在于建造施工過程的控制。中國建筑文化最擅長利用“構(gòu)造”來解決“建造”問題，這才使得編木拱橋真正“落地”。閩浙地區(qū)的編木拱橋營造技術(shù)的突破，并不僅在于對結(jié)構(gòu)形式的探索，更重要的是匠人巧妙地利用構(gòu)造手法解決了建造過程中的一系列困難。

6  技術(shù)史的反思

行文至此，我們可以將歐洲與中國的木構(gòu)傳統(tǒng)做出對比總結(jié)。在同樣面對結(jié)構(gòu)規(guī)模、跨度能力的挑戰(zhàn)時(shí)，歐洲木構(gòu)的發(fā)展歷程可以表達(dá)為“以力學(xué)為導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”，而中國木構(gòu)則是“以建造為導(dǎo)向的構(gòu)造設(shè)計(jì)”。

展開來說，歐洲匠人對構(gòu)件的整體幾何形式進(jìn)行設(shè)計(jì)(結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì))，并且無論在結(jié)構(gòu)體的整體考慮中，還是具體的構(gòu)造做法中，都對結(jié)構(gòu)受力有著較為明確的認(rèn)識和應(yīng)對意識。發(fā)展歷程中數(shù)次結(jié)構(gòu)形式的關(guān)鍵突破，均伴隨以對結(jié)構(gòu)受力方式的處理和改變。

而結(jié)構(gòu)體中主要構(gòu)件幾何關(guān)系的可能性，并不是中國匠人的設(shè)計(jì)考慮。匠人的探索更多在于利用構(gòu)造細(xì)節(jié)來化解多重建造問題，其中最重要的是施工便利。

這種分野，扎根于兩種建筑文明的底色中。在西方世界，與皇權(quán)、神權(quán)相關(guān)的宏大建筑是石構(gòu)的主戰(zhàn)場。木結(jié)構(gòu)在這個戰(zhàn)場上亦得到訓(xùn)練與發(fā)展，但作為石構(gòu)的附屬：要么作為屋架隱藏在石穹頂?shù)暮竺妫醋鳛槟_手架出場于石構(gòu)完成之前，木構(gòu)的形式較少地受到意識形態(tài)和審美的制約，直奔主題解決建筑規(guī)模帶來的力學(xué)挑戰(zhàn)。

在中國的建筑文化中，皇權(quán)與神權(quán)以木構(gòu)營造殿宇。結(jié)構(gòu)的形式?jīng)Q定于更高一層意識形態(tài)。在森嚴(yán)的建筑制度以及觀念習(xí)俗之下，匠人手中并沒有去探索結(jié)構(gòu)體系可能性的權(quán)力，我們今天所謂的“結(jié)構(gòu)理性”并沒有太大的發(fā)揮空間。

與明確的受力意識相關(guān)，歐洲的木框架結(jié)構(gòu)，具有明確的“構(gòu)件”與“節(jié)點(diǎn)”意識，二者界線分明、分工明確。結(jié)構(gòu)整體受力的問題和穩(wěn)定性問題，通過對構(gòu)件間的幾何布局來解決。構(gòu)件用來引導(dǎo)力流，節(jié)點(diǎn)用來連接構(gòu)件(英文作joint，德文作Verbindung)，并根據(jù)它所承受的力來選擇材料和形式。

歐洲傳統(tǒng)木構(gòu)架的這種特性，亦與后來的結(jié)構(gòu)科學(xué)原理相通。結(jié)構(gòu)科學(xué)對框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析的一個基本手段，就是對“桿件”(bar)與“節(jié)點(diǎn)”(node)進(jìn)行明確的形式劃分和力學(xué)分工。因此，今天歐洲遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域?qū)v史建筑木構(gòu)架做力學(xué)計(jì)算，普遍使用結(jié)構(gòu)科學(xué)的通用計(jì)算工具與計(jì)算模型。但這類計(jì)算方法，在中國木構(gòu)建筑的應(yīng)用上卻有諸多困難與問題。

中國木構(gòu)架，并不像歐洲那樣形成截然分明的“構(gòu)件主體”與“節(jié)點(diǎn)部位”。這種含糊，既表現(xiàn)在外形上，又體現(xiàn)在構(gòu)造任務(wù)中。譬如斗栱可以視作一組結(jié)構(gòu)體，亦可視為一朵巨大的節(jié)點(diǎn)；而構(gòu)件交結(jié)的部位，除了負(fù)責(zé)“連結(jié)”和傳力，還要承擔(dān)建造過程中方方面面的職責(zé)，尤其是施工過程中的操作性和穩(wěn)定性，以及建成結(jié)構(gòu)的剛度。

關(guān)于“節(jié)點(diǎn)”身份的模糊性，不妨再舉一個例子：榫卯的“肩膀”。對于中國屋宇和殿宇的抬梁結(jié)構(gòu)，如果我們以“桿件+節(jié)點(diǎn)”的方式來認(rèn)識梁木和它入柱的榫頭，那么“節(jié)點(diǎn)”部位只是榫頭自身。為了不對柱子造成過度削弱，入柱的榫頭往往尺度較小，而中國建筑往往使用粗大的梁木——遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過力學(xué)計(jì)算所需的截面尺度。這種“肥梁胖柱”傳統(tǒng)，在過去的研究者眼中，往往視作結(jié)構(gòu)上的“不經(jīng)濟(jì)”，從文化美學(xué)或炫耀材力、財(cái)力的角度進(jìn)行解釋。這種認(rèn)識，正是把構(gòu)件拆分為“桿件+節(jié)點(diǎn)”的認(rèn)識(“桿件”用料過度，超過力學(xué)所需)。但事實(shí)上，粗壯的梁身，在端部切割榫頭之后，剩余的斷面即“榫肩”(圖19)對于結(jié)構(gòu)亦有重要作用。正像人體的肩膀擁有強(qiáng)大的扛頂能力，榫卯的“肩膀”正可支頂于柱身，從而限制梁柱之間的轉(zhuǎn)度，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)剛度，亦即增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。“肥梁胖柱”除了制度、身份和審美上的意義，是具有實(shí)用的結(jié)構(gòu)意義的。榫肩的結(jié)構(gòu)意義，在編木拱橋的匠作技術(shù)中更為突出：橋身之中，最粗壯的構(gòu)件，并不是橋匠觀念中受力最大的構(gòu)件，而是之于穩(wěn)定性最為攸關(guān)的構(gòu)件，因?yàn)樗鼈儠峁┳畲竺娣e的“肩膀”(圖20)。榫卯構(gòu)造身負(fù)多重任務(wù)，包括構(gòu)件的連接、剛度與穩(wěn)定性、施工中的穩(wěn)定性，這些任務(wù)之間亦是交融結(jié)合的。但這種復(fù)雜的建構(gòu)意義，若套用西方傳統(tǒng)或結(jié)構(gòu)科學(xué)的“解題思路”，很容易被忽視。

中國建筑學(xué)科誕生以來，中國歷史建筑的結(jié)構(gòu)理解與現(xiàn)代結(jié)構(gòu)科學(xué)之間的互譯就成為一種顯學(xué)。一方面，我們認(rèn)識到用結(jié)構(gòu)科學(xué)來解讀中國建筑的局限，卻不能走出這種思維定式的影響；另一方面，我們將兩種思維的沖突視為匠作和科學(xué)間的差異，但卻又不免疑問：那么歐洲的匠作呢？

以本文的分析來看，歐洲歷史匠作傳統(tǒng)，是更接近結(jié)構(gòu)科學(xué)的認(rèn)知模型的，換句話說，在結(jié)構(gòu)科學(xué)的誕生地，傳統(tǒng)匠作正是孕育其生長的土壤。這樣看來，結(jié)構(gòu)科學(xué)與中國建筑之間的矛盾，并不完全是“科學(xué)”與“非科學(xué)”之間的矛盾，而是不同“分析模型”之間的矛盾，是不同的建構(gòu)思維之間的差異。歐洲木構(gòu)的認(rèn)識模型，即使是在科學(xué)之前的匠作、經(jīng)驗(yàn)時(shí)代，也是以幾何與力學(xué)為構(gòu)架的；而中國建筑的認(rèn)識模型中，建造與構(gòu)造則擁有更重的地位。對中國建筑更“科學(xué)”的認(rèn)識，也需要基于建構(gòu)規(guī)律自身的特性。

（正文完。原文刊載于《建筑學(xué)報(bào)》2022年04期，總第641期，更多詳細(xì)內(nèi)容請見紙刊。掃碼即刻購買本期雜志。）

延伸閱讀：

光明國際馬術(shù)中心順利完成大跨度木結(jié)構(gòu)首吊! 現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的11個熱點(diǎn)問題 不丹“正念”城，可持續(xù)發(fā)展木結(jié)構(gòu)城市設(shè)計(jì)

(1) 凡本網(wǎng)注明“來源：預(yù)制建筑網(wǎng)”的所有資料版權(quán)均為預(yù)制建筑網(wǎng)獨(dú)家所有，任何媒體、網(wǎng)站或個人在轉(zhuǎn)載使用時(shí)必須注明來源“預(yù)制建筑網(wǎng)”，違反者本網(wǎng)將依法追究責(zé)任。 (2) 本網(wǎng)轉(zhuǎn)載并注明其他來源的稿件，是本著為讀者傳遞更多信息之目的，并不意味著贊同其觀點(diǎn)或證實(shí)其內(nèi)容的真實(shí)性，請讀者僅作參考，并請自行核實(shí)相關(guān)內(nèi)容。其他媒體、網(wǎng)站或個人從本網(wǎng)轉(zhuǎn)載使用時(shí)，必須保留本網(wǎng)注明的稿件來源，禁止擅自篡改稿件來源，并自負(fù)版權(quán)等法律責(zé)任，違反者本網(wǎng)也將依法追究責(zé)任。 (3) 如本網(wǎng)轉(zhuǎn)載稿涉及版權(quán)等問題，請作者一周內(nèi)書面來函聯(lián)系。

[責(zé)任編輯：Susan]