古代木橋概念設(shè)計選型芻議

劉振宇 （魯東大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 煙臺 264000）

木橋與自然環(huán)境更易形成協(xié)調(diào)關(guān)系，其柔和的視覺效果和舒適的觸覺感受使其成為中小跨徑人行橋及景觀橋的優(yōu)秀備選方案，其悠久的使用歷史也使其容易被人接受和喜愛。古代木橋多用原木，但因當時荷載較小，尚能滿足中小跨徑通行要求，在長期使用中發(fā)展出獨木駢木、木梁木柱、木撐架、伸臂木梁和疊梁拱等幾種主要橋式[1]，其中伸臂木梁和疊梁拱均可與傳統(tǒng)亭臺樓閣相結(jié)合，形成十分有中國特色的木廊橋。

現(xiàn)代木橋的發(fā)展得益于復(fù)合木材的出現(xiàn)，其耐腐、耐燃性能均得到很大改善，在與鋼材或預(yù)應(yīng)力相結(jié)合之后其承載能力也獲得極大提高，完全可以滿足公路交通的承載要求，再加上成材過程環(huán)保、成橋過程無污染、因質(zhì)輕而施工方便且易于回收等優(yōu)點，極大拓展了木橋的適用范圍，也使古代木橋重新煥發(fā)了生機。古代木橋可通過采用新材料和新技術(shù)來滿足現(xiàn)代交通要求，并憑借其附帶的傳統(tǒng)文化價值和地域特色在方案比選中獲得競爭優(yōu)勢。

1 古代木梁橋

1.1 典型橋式及適用范圍

1.1.1 獨木駢木

獨木橋以一根原木或方木成橋，兩端固定以防止?jié)L動。原始獨木橋沒有扶手或欄桿，行人通行需要維持身體平衡，容易落水。現(xiàn)代獨木橋為保證通行安全比較重視欄桿設(shè)計，常以欄桿作為造型主體，以統(tǒng)一或?qū)Ρ鹊姆绞酵怀鰴跅U與獨木的色彩、質(zhì)地或形狀，有些以獨特的支撐結(jié)構(gòu)取勝。駢木則以多根原木或方木縱向并排放置成橋，上可覆板方便通行，較獨木橋應(yīng)用廣泛，由于橋面比獨木橋?qū)?，在橋低水淺處也可不設(shè)欄桿，如湖南鳳凰古城木橋、江西婺源思溪木橋等。

獨木駢木結(jié)構(gòu)是木橋中最簡單的橋式，因其簡單而凸顯原始風(fēng)趣，在園林及風(fēng)景區(qū)中常用作人行窄橋的選型方案。

1.1.2 木撐架

木撐架是對駢木的加強，下設(shè)斜撐來提高木梁剛度從而減小彎曲變形。木梁與斜撐的節(jié)點采用榫卯聯(lián)結(jié)，但榫卯會削弱木梁截面抗彎能力并造成木梁斷裂，因此常在木梁下加一短木梁，短木梁兩端與斜撐聯(lián)結(jié)，再上承木梁（圖1（a））。為保證并排多根斜撐均勻受力，需在短木梁與斜撐聯(lián)結(jié)處設(shè)置節(jié)點橫木，短木梁與斜撐分別與節(jié)點橫木榫卯聯(lián)結(jié)，這種結(jié)構(gòu)類似于疊梁拱的三節(jié)苗。三節(jié)苗本身具有面內(nèi)穩(wěn)定性，可將其作為承載單元與其它桿件相結(jié)合形成眾多變體。若用2根斜撐從三節(jié)苗節(jié)點橫木下緣穿過并將其撐起，端部榫接在放置于短木梁下（或上）的節(jié)點橫木中（圖 1（b）、（c）），形成三節(jié)苗加二節(jié)苗結(jié)構(gòu)，便已屬于疊梁拱。所以木撐架可以看做駢木與疊梁拱（編木）之間的過渡橋式，是對獨木駢木的加強，也是最簡單的疊梁拱橋。

圖1 木撐架類型

木撐架的適用范圍與獨木駢木相同，且多在缺少粗大木材地區(qū)使用，可增大木梁跨徑或提高其承載能力。斜撐若采用鋼材，將獲得更多造型變化，可使木橋輕盈靈動。上部造型仍以欄桿為主，變更其形、色、質(zhì)各元素，與下部結(jié)構(gòu)形成協(xié)調(diào)關(guān)系，可獲得較好的景觀效果。

1.1.3 伸臂木梁

伸臂木梁的結(jié)構(gòu)特點是多層木梁自支點處由下至上逐層縱向伸出，層間夾以橫木使每層縱向木梁受力均勻、變形同步。下層木梁承受上層橫木傳下來的集中力較大時，可通過縮短伸出幅度來減小力臂從而降低彎矩；若上層木梁承受上層橫木集中力較小，可增大伸出幅度以充分發(fā)揮該層木梁抗彎能力。多層抗彎能力疊加以承受支點負彎矩，從而降低跨中正彎矩，進而增大跨越能力，成為我國大跨木橋的典型橋式。

單向伸臂木梁起源于公元4世紀初的青海、甘肅，宋代演變出雙向伸臂木梁和斜撐伸臂木梁[2]，修建區(qū)域由青隴蔓延至湘桂，同時形成很強的地域性，這也成為該類木橋選型的首要因素。單向伸臂木梁也稱為藏式伸臂橋，廣泛分布于藏區(qū)，特點是伸臂根部采用木石疊垛作為壓重防止伸臂向下傾覆，也可在木石疊垛上設(shè)置橋屋用于增重和護橋。雙向伸臂木梁是在墩頂疊架木梁并沿縱向?qū)ΨQ伸出，其上普遍建有橋廊，也稱風(fēng)雨橋，常見于湘桂一帶。斜撐伸臂木梁較為少見，甘肅文縣陰平橋?qū)俅朔N橋式。

伸臂木梁因用料偏多，適用于木材豐富地區(qū)，在上述區(qū)域若要修建具有地域特色的人行橋時可將其作為選型方案。其造型特點也可用于非木結(jié)構(gòu)中，例如四川阿壩祥塘大橋某一設(shè)計方案即采用仿原木水泥板裝飾橋體形成藏式伸臂橋的效果[3]。伸臂木橋是最有可能和現(xiàn)代建材結(jié)合實現(xiàn)大跨徑公路木橋的古代橋型，因其受力結(jié)構(gòu)清晰，可以實現(xiàn)精確設(shè)計，并且其造型設(shè)計還可以在粗狂的基礎(chǔ)上進一步細膩化，增強其美觀性。

1.2 選型注意事項

上述3種木梁橋所用材料均為原木或方木，在選材時要仔細檢查天然缺陷，條件允許時應(yīng)優(yōu)先選用復(fù)合木材，以便于在傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上進行模擬優(yōu)化和精確計算分析，提高其安全性能。傳統(tǒng)的防腐、防火、防水毀措施若涉及到結(jié)構(gòu)特點的可以繼續(xù)沿用，若與結(jié)構(gòu)特點無關(guān)的盡量用新技術(shù)替代，以提高其耐久性。雖然原木或方木在維護良好情況下可以使用50年，但木橋的耐久性并不體現(xiàn)在這里，而是體現(xiàn)在桿件的可更換性（即可持續(xù)性），因此要做好各個桿件的更換方案設(shè)計，實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的永久使用。

2 古代木拱廊橋

2.1 典型橋式

橋上設(shè)置橋屋即為廊橋，橋體可以是駢木、木撐架、伸臂木梁、疊梁拱、石梁和石拱，最常采用的是疊梁拱。疊梁拱由木撐架演變而來，由主、副兩組系統(tǒng)組成，主系統(tǒng)為三節(jié)苗，副系統(tǒng)根據(jù)實地情況在二至五節(jié)苗中選取，其中五節(jié)苗應(yīng)用最廣。兩組系統(tǒng)通過節(jié)點橫木疊壓成橋，受力特點介于梁拱之間，最大跨徑達到37.6m（福建壽寧鸞峰橋）。橋屋結(jié)構(gòu)基本與當?shù)孛窬酉嗤┒肺菁苌细搽p坡頂，有些在頂部中心用如意斗拱疊梁成八角藻井，屋內(nèi)兩邊有木凳，橋身外側(cè)覆遮雨板以阻風(fēng)雨侵蝕，遮雨板上開小窗用以采光和通風(fēng)[4]。整體造型優(yōu)美、個性張揚，極具東方建筑特色。

2.2 適用范圍

木拱廊橋?qū)僬汩h地區(qū)傳統(tǒng)橋式，因此具有較強的地域性。隨著近20年對木拱廊橋的研究和宣傳，其在建筑和文化上的重要意義已獲得普遍認可，對木拱廊橋的保護和傳承獲得長足發(fā)展，其應(yīng)用也漸漸向周邊地區(qū)蔓延，成為當?shù)厝诵袠蛴懈偁幜Φ倪x型方案，有些公路橋也開始借用其造型特點設(shè)計成仿古景觀橋，與其同屬中國古代三大木橋樣式的藏式伸臂橋和湘桂風(fēng)雨橋則尚未形成此種格局。

限制木拱廊橋發(fā)展的主要因素是其跨越能力和承載能力，雖然疊梁拱是中國古代木橋最高技術(shù)的體現(xiàn)，但在橋梁史中僅有歷史意義而無發(fā)展?jié)摿?，其價值不如同期的木桁架拱。木桁架拱因其充分發(fā)揮了木材順紋抗拉能力強的特點，其跨越能力與承載力均高于前者，并在鋼材出現(xiàn)后迅速突破了500m跨徑，這是疊梁拱無法實現(xiàn)的。增大疊梁拱跨徑和承載力的方法目前有兩種：用復(fù)合木材替換原木、增加主副系統(tǒng)節(jié)苗數(shù)量。復(fù)合木材材質(zhì)均勻，力學(xué)特性可根據(jù)需要進行生產(chǎn)，容易實現(xiàn)精確設(shè)計。增加節(jié)苗數(shù)量是為了讓疊梁拱的受力特點更接近于拱，增加的節(jié)點橫木和排架會讓拱上荷載分布更加均勻，這樣易于模擬合理拱軸線，將疊梁拱納入現(xiàn)代拱橋設(shè)計理論。在疊梁拱橋提高了跨越能力和承載能力之后，才可能在人行橋領(lǐng)域獲得突破性發(fā)展。

2.3 選型注意事項

木拱廊橋傳統(tǒng)工藝需整理記錄而不需因循舊制，由于使用環(huán)境和設(shè)計要求均發(fā)生變化，傳統(tǒng)工藝無法滿足設(shè)計精度要求，也因此無法保證使用者的生命財產(chǎn)安全。若材料性能可靠，結(jié)構(gòu)受力清晰，在滿足安全性和適用性之后，可盡量保留傳統(tǒng)工藝，以實現(xiàn)木拱廊橋在實際應(yīng)用中的傳承。在概念設(shè)計階段，要積極借鑒國內(nèi)外新近研究成果，例如鋼木組合材料、木節(jié)點處理方式、防腐防火技術(shù)等，以提高木拱廊橋的使用性能。木拱廊橋除使用功能外還有較大的文化意義，其文化意義在于傳統(tǒng)建筑藝術(shù)和區(qū)域特色，因此在選型時既要考慮橋梁自身的安全性和適用性，又要考慮與自然環(huán)境協(xié)調(diào)、與建筑文脈融合，最后還要考慮木拱廊橋眾多的附加功能，如休憩、觀景、社交等，盡量豐富當?shù)鼐用竦纳瞽h(huán)境。

3 結(jié)語

古代木橋采用原木構(gòu)件和榫卯聯(lián)結(jié)，設(shè)計憑師承，施工靠經(jīng)驗，步入近代后其跨越能力、承載能力、耐久性均無法滿足交通運輸要求，逐漸被混凝土橋和鋼橋取代?，F(xiàn)代木橋直接繼承的是混凝土橋和鋼橋的技術(shù)成果，這使得現(xiàn)代木橋與古代木橋之間存在著一條技術(shù)鴻溝，如何實現(xiàn)技術(shù)對接，成為古代木橋能否復(fù)興的關(guān)鍵。古代木橋需要突破自身局限，變更材料、修改結(jié)構(gòu)、努力吸收現(xiàn)代木橋的技術(shù)成果，只有這樣才不會被時代拋棄成為文物，才可以在現(xiàn)代橋梁概念設(shè)計選型方案中占有一席之地，憑借其悠久的歷史文化價值與現(xiàn)代木橋一較短長。