传统木结构建筑探索：上海市宝山寺古建群落

宋晓滨1,2，吴亚杰1,2，罗烈1,2，顾祥林1,2，金良程3，陈飞明4，刘晓5，窦晓静5

（1工程结构性能演化与控制教育部重点实验室（同济大学）；2同济大学土木工程学院建筑工程系；3上海原构设计咨询有限公司；4上海古建装饰有限公司；5上海宝冶工程技术有限公司）

引言：

中国传统木结构是具有深厚历史底蕴和内涵的文化特色建筑，传统木结构营造技艺是人类宝贵的非物质文化遗产。为继承和弘扬中国优秀传统文化和非物质文化遗产，传承传统木结构建筑的建造技艺，以上海市宝山寺古建群落为对象，对传统木结构建筑的设计、结构性能分析、施工技术和健康监测进行了系统的研究和探索。

一、寺庙建筑设计

上海市宝山寺异地重建项目始于2005年，建筑整体为晚唐宫殿式风格，以非洲红花梨为主要结构材料，遵循传统木结构营造技艺建造，结构严谨，古朴大方。寺庙殿堂布局采用传统的伽蓝七堂制纵轴式布局，总平面处理成三个平台，依次递升，形成了层次丰富的空间序列，并创造了错落有致的空间艺术效果。寺庙建筑包括天王殿、钟楼、鼓楼、大雄宝殿、观音殿、药师殿、伽蓝殿、祖堂、佛堂、藏经楼、法堂、方丈室、斋堂和僧寮等，总建筑面积约12000平方米，规模居沪上佛教寺院之首。寺庙后期扩建前院山门和前广场，用地16亩。

2012年起宝山区在寺院东侧辟地30余亩为寺院规划建设配套园林——祇园。宝山祇园建筑风格与寺庙建筑风格一致，均采用非洲红花梨木建造，建有功德堂、管理楼、佛香阁、松涛轩、水榭、水池、桥亭、北门和东门等。祇园中标志性建筑为七层楼阁式木塔，该木塔填补了国内近代高层纯木结构设计建造的空白。2020年祇园全部建成后，宝山寺将成为唐代建筑艺术的博览园。

宝山寺航拍图（2012年）                            宝山寺及祇园总体规划图

二、BIM在传统木结构建筑建项目中的应用

结合建筑结构信息模型(BIM)技术，对具有复杂连接和构件种类的七层楼阁式木塔进行建模，将结构中各类节点连接和构件组成三维可视化，为结构性能研究、施工技术和管理以及结构健康监测提供基础的建筑结构信息。基于统一信息模型，协调项目参与各方工作方案和进度安排，同时将结构性能研究成果、施工技术改进和结构监测方案良性反馈于建筑设计，从而优化建筑设计、项目进度和管理，提高效率。

七层楼阁式木塔BIM模型及其搭建过程展示

三、关键节点和构件性能研究

为分析传统木结构建筑的结构性能，同时为该类结构的保护修缮提供数据支撑和依据，基于传统木结构营造技艺，对传统木结构中关键节点和构件性能开展缩尺试件试验研究。

开展了带木销榫卯节点抗弯试验研究，揭示了榫卯连接节点平面内和平面外的破坏模式和转动性能。基于试验结果使用有限元软件对榫卯连接节点转动性能进行参数分析，进一步研究了榫头长度、木销尺寸和木销材料对节点转动性能的影响。

对传统木结构关键抗侧构件（榫卯连接木框架和斗栱节点）进行了竖向荷载作用下的水平低周反复抗侧试验，揭示了两类结构抗侧构件的典型破损模式和抗侧滞回性能。通过对不同填充程度木框架的试验，研究了填充木质墙板对木框架抗侧刚度、抗侧承载力和耗能的影响。通过对单斗栱和双斗栱在不同竖向荷载作用下的抗侧试验，研究了双斗栱协同工作效应和竖向荷载对抗侧性能的影响。

基于榫卯连接木框架和斗栱节点抗侧试验，提出了传统木结构斗栱节点和梁柱框架摇摆与剪切耦合抗侧理论，建立了适用于传统木结构关键抗侧构件荷载-位移通用滞回模型，基于节点和框架几何物理参数，给出了滞回模型关键点的理论解。理论研究成果可为传统木结构性能分析提供参考。

(a) 榫卯连接节点                    (b) 榫卯连接木框架    (c) 斗栱节点

(d) 滞回模型   (e) 木框架滞回曲线模拟       (f) 斗栱滞回曲线模拟

关键节点和构件性能试验和理论研究

四、七层楼阁式木塔抗震性能研究

多高层传统木结构具有较大的地震损伤或倒塌风险，而目前对多高层楼阁式木塔的抗震机理和抗震性能尚不明确。因此，为研究多高层楼阁式木塔在地震作用下尤其是大震作用下的抗震性能，设计并制作了1/5缩尺木塔模型，考虑七度多遇至八度罕遇不同地震水准，进行了模拟地震振动台试验研究，揭示了多高层木塔在地震作用下的破损模式和抗震性能。

振动台试验表明：七度多遇地震作用下，模型结构最大层间位移角为3/479，七度基本地震作用下模型最大层间位移角为1/52，七度罕遇地震作用下模型最大层间位移角为1/24，八度罕遇地震作用下模型最大层间位移角为1/23，最大层间位移角发生位置为2层明层或4层明层。虽然模型结构发生了较大的层间侧移，但没有发生整体倾覆，模型主要损伤表现为底层榫卯节点松动、底层及上部栌斗和散斗等小构件横纹劈裂等形式。

提出了多高层木塔建模分析方法，基于关键抗侧构件摇摆与剪切抗侧理论，确定了缩尺木塔数值模型的关键参数，基于振动台试验木塔动力响应结果验证了建模分析方法的正确性。围绕木塔结构摇摆与侧剪行为开展参数分析，获取并比较了不同摇摆和侧剪分量结构的动力反应，从而揭示了多高层木塔摇摆与剪切耦合抗震机理。

传统木结构关键抗侧构件和楼阁式木塔抗震性能研究

五、七层楼阁式木塔抗风性能研究

风荷载是工程结构设计及施工中的重要荷载，对于超高层结构、高耸结构、输电线、大跨度结构、屋盖等高、大、细、长结构来说，风荷载往往起着控制作用。上海是台风类灾害多发地区，风对多高层木塔结构的作用主要包括了风力以及风效应两个方面。因此，对木塔进行抗风性能研究，进行木塔数值风洞试验，确定风荷载作用下木塔不同部位的风压分布以及研究该塔在风荷载作用下的动力响应效应。

计算模型和风场计算区域及网格加密区

三号点加速度时程曲线                                  四号点加速度时程曲线

研究表明，0°风向角下塔体受到最大的风荷载作用。同一风向作用下，不同楼层层间墙面带及檐顶带顺风向总体型系数各不相同，且与现行规范取值有不同程度的差异。不同的风向角作用下塔身最大负压分布区域大体一致，最大负风压体型系数较大，结构设计时应当引起注意。《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）中所有建议的体型系数值是一个平均意义上的体型系数，风荷载作用面上风压详细分布情况与该作用面在风场中的空间方位、空间三维形状、表面是否有凹凸等因素有关。随着高度的增加，各风振响应效应（位移、速度、加速度）呈缓慢增大趋势，木塔顶部达到最大值。

六、施工技术和结构检测、监测

结合七层传统楼阁式木塔施工顺序、所用材料及工具，现场观察和记录了传统木结构营造技艺及相关施工工艺，并结合已有的相关文献，对传统楼阁式木塔的施工工艺进行了系统性整理，对重要构件如墙体、挑檐、铺作、童檐柱和雷公柱进行了施工工艺的详细说明，以期对现有古建筑的加固、修缮以及类似结构的修建提供文字和图像参考资料。

木塔施工技术（单位：m）

宝山祇园景观建筑木结构金塔在设计前对所用木材原材进行力学性能检测，在金塔施工过程中对主要木结构构件进行变形检测。根据木塔施工过程中监测的目的，研究和设计了宝山祇园景观建筑木结构金塔监测点的布设方案，阐述了宝山祇园景观建筑木结构金塔安全监测体系所包含的监测方法、监测原理、传感器选择和改进、测点布置原则，并基于监测方案进行了现场应力监测。监测结果表明：施工过程中实时监测数据局部变化大小不等，但整体较为稳定。

针对传统多高层木结构的施工期性能开展了监测，揭示了结构自振频率随施工进度的变化规律。通过对施工过程的监测保障了整体施工的安全性，为后续木结构性能分析和检测、监测工作提供数据支持。

结构自振频率随施工进度的变化

七、结语

优秀历史文化建筑是人类文明的重要见证，优秀历史文化建筑的保护是我们的重要课题之一。上海宝山寺传统木结构建筑群落为中国传统木结构营造技艺这一非物质文化遗产提供了良好的实践场所，成为展示唐代文化和建筑艺术的博览园。结合现代科学技术手段，对传统木结构节点和构件性能、整体结构抗震性能和抗风性能进行了系统研究，为优秀历史文化建筑的性能研究和保护提供了借鉴和参考。

第一作者简介

宋晓滨，男，同济大学教授、博士生导师。现任同济大学建筑工程系建筑结构研究所副所长，兼任工程结构性能演化与控制教育部重点实验室执行副主任、中国建筑学会结构分会木结构专业委员会委员、上海市土木工程学会木竹结构专委会副主任委员、International Journal of Architectural Heritage编委。主持国家自然科学基金项目3项，参加国家基金委重大国际（地区）合作研究、国家高技术研究发展计划（863计划）项目各一项。获上海市科技进步奖一等奖2项，三等奖1项。参编上海市标准《既有建筑物结构检测与评定标准》（DG/TJ08-804 -2005）。