木结构古建筑榫椭节点施工技术

木结构古建筑榫椭节点施工技术

1金柱结构设计大成阁项目位于苏州乾福寺，是宋代的建筑。占地面积约300m2,建筑面积约520m2,台基采用青石莲花瓣须弥座高1.05m,上部为纯木结构,屋面采用琉璃瓦及其构配件,如图1所示。大悲阁总高度达20.39m,面宽三间,进深三间,为正方形布置,通面宽和通进深均为13.3m,台基长宽均为17.4m。共有柱子28根,底层直径450mm檐柱12根,二层直径450mm檐柱12根,中间直径500mm金柱4根。其中二层12根檐柱为骑梁柱,立于底层的抱头梁上,这种结构使底层少了一圈柱网,从而大大增加了底层的室内空间,使用功能更加合理。而中间4根金柱总高度达到14.0m,所有梁柱采用榫卯连接,它是梁架及屋面重量最重要的承重支柱。大悲阁为两层三重檐,梁架采用抬梁式结构,底层外圈檐柱用额枋相互连接,明间4根、次间8根,共12根,柱头设柱头科8攒,角科4攒,平身科20攒。底层檐柱与内金柱采用穿插枋连接,穿插枋上部设荷包梁和抱头梁,各12根,使金柱与檐柱及其柱头科形成整体、相互连接。4根内金柱用4根承重大梁及其下部4根随梁枋连接,大梁与随梁枋之间设置一斗六升牌科,使之共同承重。二层檐柱立于底层抱头梁上,二层金柱则与底层金柱刚性对接使其形成一体、共同受力。二层檐柱外圈用承椽枋、围脊枋、额枋相互连接,各12根,其中围脊枋与额枋间设置横风窗,用以增加二层的采光,柱头设柱头科8攒,角科4攒,平身科12攒。二层檐柱与二层内金柱连接方式与底层相同,采用穿插枋连接,穿插枋上部设荷包梁和抱头梁,各12根,使二层金柱与檐柱及其柱头科形成整体、相互连接。内金柱从下至上依次采用随梁枋、大梁、承椽枋、额枋各4根,相互连接,形成整体,其中大梁与随梁枋之间和底层相同设置一斗六升牌科,使之共同承重。该工程屋面为七檩歇山木构架,支撑于4根金柱之上。金柱额枋之上置斗盘枋,斗盘枋上设角科4攒,平身科四面共12攒,牌科上部从下至上依次为:七架大梁,两端置檐桁;五架梁,两端置下金桁,三架梁,两端置上金桁;三架梁上置童柱,童柱上置脊桁。2梁采用下架、转架、装补、装精大悲阁木结构体量较大,由上千个构件组成,安装的一般程序如下。1)先内后外、先下后上木结构安装的一般顺序应先从里面的构件安起,再由里至外,先从下面的构件安起,再由下至上。大悲阁建造中,首先吊装内圈4根金柱,再吊装外圈12根檐柱,然后对各个柱子进行校核、调整,并加以临时固定。第二步安装檐柱、金柱之间的连系构件,先安装金柱间的连系构件,从下至上依次为随梁枋和承重大梁,再安装檐柱与金柱、檐柱与檐柱之间的连系构件,先安装下面和中间的构件,最后安装上面的构件,从下至上依次为穿插枋、额枋。在安装水平构件时按照顺时针或逆时针方向顺序进行,安装时柱子底部入位,柱子上端应留有活动余地,以便安装梁枋时顺利汇榫。2)下架装齐、验核丈量、吊直拨正此木结构中,柱头以下构件称为“下架”,柱头以上构件称为“上架”,当大悲阁随梁枋、承重大梁、穿插枋、额枋都安装齐全以后,暂时不要继续安装,此时要认真核对各部的开间、进深尺寸,看看有无偏位、移位现象,应从明间开始后次间,一间一间的检验,发现问题及时解决。待尺寸完全复核后,在将梁枋卯口侧缝内掩上“卡口”,用木楔填入梁枋榫卯之间的缝隙,使柱与梁枋结合部分固定。再进行吊直拨正的工作,使柱子的四面中线与鼓磴面的中心线对齐,先吊直拨正内圈的4根金柱,再是外圈的檐柱。3)上架构件、顺序安装安装上架构件也是由内向外,由下向上顺序进行,大木构件装齐以后,再进行校验复核,进行调整,固定梁枋、柱子之间的榫卯。4)大木装齐,再装椽望,方可瓦作木构件完全拼装汇榫后,方可开始安装椽望、连檐等构件。安装程序依次为:檐椽→小连檐→花架椽→脑椽→铺钉望板→飞椽→大连檐→压飞望板→瓦作施工。木结构拼装汇榫的流程:鼓磴安装、校正,形成十字轴线→一层金柱及外圈檐柱吊装、临时固定,吊直校正轴线,合格→一层连接金柱及檐柱的梁枋安装,轴线复核、拨线吊直,合格→梁枋及柱的榫卯固定→一层斗拱、荷包梁及抱头梁安装,轴线复核,合格→二层檐柱及金柱吊装,吊直校正轴线,合格→二层金柱及檐柱的梁枋安装连接,轴线复核、拨线吊直,合格→梁枋及柱的榫卯固定,二层金柱焊接→二层斗拱、荷包梁及抱头梁安装,轴线复核,合格→三层斗拱、七架梁、檐椼及瓜柱安装,轴线复核,合格→五架梁、下金椼及瓜柱安装,轴线复核,合格→三架梁、上金椼、瓜柱及脊椼安装,轴线复核,合格→各屋面层施工,由上至下进行。3确定拼装汇教学流程,根据不同构件要求进行设计大悲阁由上千个构件组成,主要有柱与梁枋的连接、柱与柱的连接、梁枋与梁枋的连接、梁枋与桁条的连接、桁条与桁条的连接等,这些连接主要采用不同的榫卯结构将各个构件连接成为一个完整的、稳定的木结构体系。该工程先确定了拼装汇榫流程,再根据不同构件的受力要求,选择了相应的榫卯结构,以加强结构的整体性。考虑到现在我国对古建筑设计图纸中,基本上没有各种构件相互连接的榫卯节点详图,也没有相应的设计规范和施工验收规范,这就要求施工单位依据《古建筑修建工程质量检验评定标准》CJJ70-96的要求或是参考前人积累的经验,并结合已确定的拼装汇榫流程确定榫卯的形式及具体尺寸。由于大悲阁木结构体量较大,结构构造还要根据各个构件受力的具体情况,结合一些现代结构技术和工艺,对受力较大的关键部位和构件的连接进行加固,以提高构件的承载能力和整个木构体系的稳定性。该建筑主要采用的连接各构件的节点形式有以下几种。3.1透剪切构件、半锚安装的部位主要包括:馒头榫、箍头榫、透榫和半榫(见图2)。1)箍头榫主要用在角柱上与额枋的结合处,柱头上纵横向开口,额枋在柱子的相交处刻成搭交的榫。这种榫同时承受剪力和拉力的作用,使垂直构件、水平构件更好地结合,而且很好地固定了转角处的柱子。2)透榫和半榫主要用于受拉、受弯构件,无法采用上起下落的方法进行安装的部位。透榫在本工程中主要用于穿插枋、荷包梁和抱头梁,它们是檐柱和金柱间的连接构件,在梁或枋的两端做出长榫,直接插入檐柱和金柱的卯口内,对于承受拉力较小的构件,如穿插枋、荷包梁,为减小对柱子截面的破坏,将榫头做成大进小出的形式。半榫主要用在连接檐柱与檐柱或金柱与金柱的梁枋,这些梁枋较多且大都在同一水平面,很难做成透榫。半榫的做法与透榫大致相同,榫长至柱中,两端同时插入的半榫分别做出等掌和压掌,以增加榫卯的接触面。3.2结构-构造连接主要包括:燕尾榫、搭扣榫(箍头榫、十字卡腰榫、十字刻半榫),如图3所示。1)燕尾榫是一种应用很广泛的榫卯,它可很好承受拉力,在木结构中既是垂直构件与水平构件的连接方法,也是水平构件之间的连接方法。大悲阁工程中主要用于水平构件之间的连接,主要是桁条之间的连接。燕尾榫的形状是端部宽、根部窄,卯口与之相对应,构件具有很好的拉扯作用,不会出现拔榫现象,是一种很好的结构榫卯。2)十字卡腰榫主要用于圆形构件的十字相交,本工程中主要是桁条相交处的榫卯,可以很好的承受拉力作用,构件之间相互约束,防止变形和位移的发生。3)十字刻半榫主要用于方形构件的十字相交,作用与十字卡腰榫相同,本工程用于枋子、拱或昂的相交连接。4)大悲阁工程中在梁、枋与柱连接的节点处,为了增强各个构件彼此间的连接力,防止构件之间发生变形和错位,使它们更紧密的结合在一起,该部位还增设了上、下两道木销,加以固定,木销采用硬质木料做成,截面为六边形与构件的连接更加紧密、牢固。3.3金柱拼接部位的处理除采用传统做法中的管脚榫,同时对受力较大的关键部位进行了钢构件的加固措施,如图4所示。1)管脚榫是用于固定柱脚的榫,在大悲阁中主要用于立于鼓磴或梁上柱子的根部,防止柱脚发生水平位移。大部分情况在竖向静载作用下它并不发挥作用,只有发生水平外力时,如地震或大风出现时,它才发挥作用。2)大悲阁结构中,整个建筑的荷载大部分靠内圈4根金柱承受,金柱高度达到了14m,同时连接该金柱的梁、枋较多,在柱上开凿的卯口很多,很大程度上消弱了柱子的有效截面,而且在运输和吊装拼装过程中难度非常大,很容易造成柱子的损坏或断裂,需要对柱子截断再进行拼接。对于木柱的拼接,通常采用半榫、抄手榫、螳螂头榫和鞠榫等几种传统形式的拼接方法,这些传统拼接方法较类似,即上下榫卯搭接,在搭接范围内外加铁箍,加铁钉箍牢。传统方法一方面增加了木柱的一次开凿,产生了更多的薄弱面;另一方面,对于承受建筑荷载较大,且高度较高的柱子,仅在搭接范围内柱表面增加铁箍及铁钉箍牢的方式难以确保柱的可靠性。考虑到柱子的受力特点,尽量降低施工难度,施工方将4根柱子在二层的弯矩较小处垂直截断木柱,再采用钢构辅助构件对截断后柱子两端进行处理,最后通过钢构件的连接使柱子成为整体。这是大悲阁工程中的一项关键技术,该部位节点的好坏直接关系到整个木结构的整体性和稳定性。金柱在大部分情况下承受压力,在大风和地震作用下承受水平力的作用,弯矩较小处一般柱子承受的水平剪力较大,根据这个特点对柱头采用刚性节点进行连接,只是在弯矩较小的拼接部位采用刚性连接,可以承受更大的水平剪力,对于柱子的整体仍可以看作柔性结构。具体做法是在柱子端部用2cm厚的钢板及螺杆、螺钉与木柱连接,钢板中心位置留榫卯,避免柱子发生水平错位。待一层木结构拼装后,各个构件校核完成以后,开始拼装二层柱子,连接二层柱子的梁枋安装,位置校核完成后,方可对柱子端部拼接的钢板现场焊接。3)为增大大悲阁底层的使用空间,二层檐柱不落地,直接立于二层抱头梁上,通过榫卯、插口与抱头梁和枋子形成整体、共同受力。柱底在枋子两边做管脚榫,与抱头梁连接,在枋子处开槽,插入枋子,这样三者就形成了一个整体,相互约束,防止变形和位移的发生,如图5所示。4)为了增强整个木结构的整体稳定性和抗风、抗震能力,施工方对建筑抗震的最不利位置4个拐角处进行了强化,将原有的砖砌矮墙改为了混凝土剪力墙,使用锚杆将木柱锚固于剪力墙上,这样增加了木柱在大风和地震等水平作用力下的承载能力,如图6所示。3.4老的固定大悲阁木结构中倾斜构件和垂直构件、水平构件的连接也是比较关键的节点构造,其中最主要的就是老戗根部的连接,一、二重檐出檐为2m,三重檐则达到了2.38m,而老戗属于悬挑受力构