《四层天守阁木结构复原——大洲城天守阁》
撰文：山田宪明，山田宪明构造设计事务所
翻译：陆洋，山田宪明构造设计事务所
历史背景
明治维新之后，大洲城天守阁于1888年（明治21年）被拆除。近年来大洲市出于观光资源的考虑决定启动天守阁复原计划。一百多年过去了，天守阁的雏形模型和当时的外观照片被奇迹般地保存了下来，为天守阁复原计划奠定了基础，有力地推动了复原工作的进行（图1，2）。
图1 天守阁雏形模型；图2 天守阁旧时外观
作为结构技术人员，首要的使命就是在保证大洲城建筑结构安全性的同时，对其大规模木结构的设计方法进行开发。本文将概括介绍大洲城天守阁在复原设计时的结构设计。
大洲城天守阁结构概要
大洲城天守阁建筑高度为19.15m，一层平面11.8m×13.8m，共有4层木结构和4层本瓦葺屋顶（图3~7）。（日本瓦葺主要有三种：本瓦葺、行基葺、栈瓦葺）
图3 大洲城鸟瞰图
图4 天守阁外观
图5 天守阁内景
个建筑的主体结构主要由两个部分构成：由大直径承重立柱、梁、贯（横木）等结构单元以传统榫卯连接方式构成的半刚性框架结构；厚度约200mm的土墙（下方为台基、横木）构成的抗剪结构，也是结构的第二道抗侧力体系（这种多层木结构在侧力作用下主要为剪切型变形）。另外，垂壁、腰壁是为了控制立柱弯曲形变而专门设计的。平面中央的主立柱为两层贯通式，其他立柱则是立于横梁之上形成上下对应的普通形式。因此，受连
接梁尺寸的影响，立柱采用最大直径为一尺八寸（约600mm）的大直径木材。
图6 二层平面图
图7 南侧第十轴剖面图
大直径的柱子和横梁构成了主要框架结构，连接部位的结构主要分为长榫贯通式连接和梁头榫内嵌型两种，构件大部分为单向连接（T形连接），目的是简化节点的构造。为防止横木脱出，柱与横木的连接节点采用带榫卯嵌合的贯穿式连接（图8）。连接节点均为传统木-木连接，不使用金属构件。立柱木材选取的是本地桧木和木曾桧木，梁采用木曾桧木，台基采用秋田栗木。
图8 贯穿式横木的连接方法
最大的课题——连接节点的定量化
在所有结构中，构造连接节点的设计在决定了框架结构特性与刚度的同时还影响了施工方法并提升了美观性，展现了设计人员的创造性，这正是结构设计所谓的“根”之所在。传统木结构中，榫卯节点对结构特性与刚度的影响比其他任何材质的结构（钢结构、混凝土结构等）都更为重大。因此，如果不能准确、定量化地对榫卯节点位数据（刚度）进行分析研究，想驾驭传统木结构的构造特性几乎是不可能的。大洲城项目结构分析中，连接节点的定量化成为最大的课题。要对连接节点的传力机制以及变形能力进行准确的解析和构造特性的定量化，就必须深入考虑木材本身的基本特性。
首先从以往研究所收集的数据开始调查。现在关于榫卯接合部的研究在不断增加，但在大洲城结构设计开始的时候（平成12年，公元2000年），关于传统木结构建筑榫卯接合部特性的体系性研究是非常有限的。稲山正弘先生（现东京大学农学部教授）的“木结构局部力学特性”系列研究吸引了我的目光，这一理论是在对不同木材进行实验的基础上提出的，其周密性和实用性让我决定在大洲城的接合部计算模型中采用这一理论。
木材本身的特点，除了垂直于纤维方向受压易损以外，也容易产生弯曲、剪切、割裂等脆性破坏。对于这类脆性材料而言，木材在抵御地震荷载的过程中，其结构需要具备较高的形变容许度，因此结构体系的重要性不言而喻，而连接节点则成为控制结构整体变形能力的关键。因木材局部在荷载下屈服的接合方式，使得组成的框架结构变形能力相对更高。传统木结构建筑在抵御地震荷载的过程中十分顽强，一般认为是通过榫卯接合部相对较高的形变容许度来实现的。
一方面大尺寸木材的柱、梁构成大洲城天守阁的主要承重结构，从榫卯的木材局部力学特性及其形变能力的角度考虑，接合部的抵抗力矩评估是结构设计时的主要议题，同时榫卯接合部的精确模型化也需要花费大量的时间。
设计概要
针对长期竖向荷载及频遇地震荷载（基本剪切系数=0.20），采用容许应力度法设计。针对罕遇地震的抗震设计，进行了抗水平力能力（日本习惯将风荷载和地震荷载统称为水平力，而能力则是刚度和强度的统称）计算以及时程分析法计算，同时采用燃烧计算法进行防火设计。
图9 3D 框架解析模型
进一步深入开发了榫卯节点的抵抗力矩计算法以及节点的转动刚度计算法。在模型中加入了扭转弹簧单元，并采用矩阵式分析直接刚度法的3D框架模型（图9）进行详细计算。土墙的抗剪刚度在模型中简化为与刚度相匹配的斜撑进行计算。
连接节点的模型化
接合部位的力矩主要是由节点旋转变形后与柱体接触面的局部压力和摩擦力等因素产生的。部分接合类型（贯通横木、加销钉的长梁头榫（简称长梁头榫）、加销钉的平梁头榫（简称平梁头榫））是局部力学特性的状态假设，利用因旋转角度而产生的应力关系以及接合部旋转刚度的计算式进行分析（图10，11）。模型化木材的局部力学特性研究（节点的受力机制与刚度/强度特性的计算）采用了稲山先生的研究理论。
图10 抵抗力矩接合部旋转刚度计算公式
图11 接合部抵抗力矩计算模型
接合部实验
设计中开发的计算模型和实际状况的匹配度试验得到了HAZAMA技术研究所的支持和协助，用实物的1/2比例缩小模型进行加力试验。试验体主要分为两个类型：柱和梁构成的T形试件（6个对照组），以及柱和横木组成的十字形试件（4个对照组），用图12所示的装置进行加力试验（图13）。通过比对，T形和十字形试件同计算模型模拟的结果吻合度很高。
图12 抵抗力矩接合部加力试验概要
图13 抵抗力矩接合部试验体及位置
土墙的模型化
在3D模型中，土墙用剪切刚度匹配的斜撑杆件单元代替便于计算分析。大洲城复原之际进行了墙壁剪切试验，从结果来看土墙剪切弹性模量为5.5N/m㎡，短期容许剪应力度为0.10N/m㎡；短期地震荷载时土墙剪应力最大为0.075N/m㎡，小于短期容许剪应力。
抗侧向力能力（刚度/强度）的研究
传统木结构建筑的整体刚度/强度往往由接合部的局部力学特性而决定，既往的试验调查显示，位移角小于1/15 rad的变形（SLS）仍可维持建筑的设计性能，墙壁也不能超过1/15 rad位移角度极限。因此，整体结构全体1/15rad的弹性位移角仍可维持结构性能，而从安全方面考虑，极限位移角保持在1/20 rad以下（ULS）即具备足够的抗水平力能力，可满足设计标准需求。
抗水平力能力研究是利用节点分配法进行木结构构件和墙壁抗剪强度的计算所必需的，此时节点的屈服强度由接合部的强度来决定。
必要的抗水平力（抗震）强度Ds是“建告第1792号”的计算方法以及延性计算法两方面的要求，设计时取其大者。
在进行LEVEL 2（50 kine）的地震荷载（大地震，按第2 级别地震速度计算， 地震波5 0 k i n e ， 速度为50~80cm/s，震度6~7级）多自由度体系模型的时程分析时，仍可满足正常使用及承载力（变形、剪切力等）的规范要求。各层的分解模型采用三折线（Trilinear）模
型解析，得到的刚性作为参数逐步变化，共建立54种分解模型进行分析计算。输入地震波分别使用了ELCENTSNS、TAFT-SNS、TOKYO 101、HACHIN-SNS共4种波型，得到地震响应分析的结果，最保守的计算是假设层间位移角为1/30 rad，抗剪强度仍有15%的冗余，从而确认设计标准得到充分满足。
结语
传统木结构的继承和复兴是当下越来越迫切的问题。近年来，日本国内各地传统木构造的研究、实践等不断发展，相关活动也不断增加，相信不久将会产生更加广泛的影响。
此次大型木结构建筑天守阁的复原项目对我来说是非常宝贵的经验，也是非常光荣的任务（图14，15），希望能对大家有所借鉴。
图14 一层施工现场
图15 楼梯及挑空天花板
项目信息
业主：大洲市
建设地点：日本爱媛县大洲市
建筑设计：三宿工房、竹林舎、前川建筑研究室
施工单位：間組
建物规模：平面面积500m2，地上４层，建筑高度19.15m
主要结构：木结构、桩基础
建成时间：2004
获奖：第１届日本“制造业大奖”（2005），第７届日本国土技术
开发奖最优秀奖（2005），日本建筑学会业绩奖（2006）
[山田宪明]
山田宪明构造设计事务所（Yamada noriaki Structural Design office，YSD）创始人、主持结构工程师，曾任早稻田大学和信州职人学校讲师。曾获日本制造业大奖、日本国土技术开发奖最优秀奖、日本JSCA 作品奖、日本构造设计奖、日本木材技术中心理事长奖等。
[陆洋]
山田宪明构造设计事务所结构工程师， 曾任职于德国斯图加特Schlaich Bergermann Partner（SBP）建筑结构咨询公司，主要研究方向：大跨度钢结构、轻结构、悬索结构、木结构等。