山田憲明 陸洋（翻譯）

山田憲明構造設計事務所

1 建筑鳥瞰

建設地點：日本栃木縣芳賀郡茂木町

建筑設計：內田文雄＋龍環(huán)境計畫畫

結構設計：山田憲明構造設計事務所

用途：復合設施（圖書館、美術館、體驗館、咖啡廳）

建筑面積：2 977.74 m2

建筑規(guī)模：地上2層

建筑結構：木結構＋混凝土＋鋼結構

建成時間：2016

1 建筑概要

“茂密的森林”是一座占地面積2 977m2，以兩層木結構圖書館為中心的文化交流建筑（圖1～3）。項目所在地為日本櫪木縣茂木町，當地公共建筑總是以充分利用本地木材為前提，如茂木中學等新建木結構建筑及一些現存建筑的內部裝飾都是木結構或者“木質化”的優(yōu)秀成果。城市對木材和木結構的使用意識很高，從方案階段開始就會強烈要求設計人員將活用本地木材列入設計計劃之中。而市政府對木材的采購和品質的管理也操作嫻熟，事先通過先行分類訂單，從城市區(qū)域內的林場采購木材，而在櫪木縣林業(yè)中心，木材的含水率計測等程序也會盡早安排進行。

根據當地木材調配的日程表，被用作主要結構材料的原木材被砍伐的時間是在方案設計階段（2013年，即平成25年）的冬天，而那個時候整個建筑的木結構體系及桿件尺寸都還沒有確定下來。這些被提前砍伐的原木材大多直徑約200～300mm，長3～4m，有少部分木材長度可達6m。從這些已被砍伐下來的原木材尺寸出發(fā)，實際能裁得的結構木材截面為120mm×180～240mm，長4m左右。因此，結構設計也會基于這個尺寸的木材進行深化。

一方面，本案作為地區(qū)的文化交流設施，集圖書館、畫廊、研修室、咖啡館等多種用途于一身。為了滿足防火規(guī)范的設計要求，將本案作為普通木結構房屋設計，需要使用混凝土結構將木結構建筑進行分隔，將每個區(qū)域的面積控制在1 000m2以內，則可以不需要對每個木結構部分的區(qū)域進行高等級防火處理，由此將整個建筑分成5個部分，每一個部分的房屋屋頂造型各異，不同高度和寬度的房間也造就了整個建筑的多樣性。基于這樣的原因形成的屋頂和房間的形狀、尺寸等，將成為結構設計的基礎條件，根據各個部分的房間用途來設計和選擇相應的木材尺寸，不僅可以滿足整體建筑的統(tǒng)一性，也展現了各部分建筑空間的特殊性和獨立性。

另外，本案在結構設計上的另外一個重點是對現有建筑物的充分利用?；貎劝蛔鶕碛?00年歷史的酒店用地，其中殘存了許多木結構的設施，受1986年8月的10號臺風造成的大洪水的影響，建筑的許多結構構件和墻壁早已嚴重受損，如果想要再利用的話，預計會需要大量的修繕經費，所以大部分建筑物不得不做出拆除的決定。可以修復的部分包括兩座受損較輕的200年歷史的倉庫，而修繕之后將作為美術展覽館再次展現在人們面前。但是為了能更好地判斷現存建筑材料再利用的可能性，并適應現行規(guī)范及法規(guī)，需要將老舊建筑落架拆解大修，這也是一項繁重而艱難的課題。

2 近景外觀

3 平面圖

4 居民畫廊和右側的展示畫廊

5 居民畫廊的結構方案

6 居民畫廊施工現場

7 居民畫廊內景

2 居民畫廊的結構設計

居民畫廊是位于建筑用地東側的一層建筑，是從大馬路方向走過來人們最先看到的建筑。建筑的平面為8.1m×25.8m的細長形布局。位于居民畫廊北側的是將原有倉庫經過修繕改建而重新設計的“展示畫廊”，南側的屋檐下設置長廊，而位于長廊和展示畫廊之間的原當鋪倉庫被改建成“收藏畫廊”。

設計的主要限制條件是屋頂的高度。由于“居民畫廊”的屋頂需要位于“展示畫廊”的屋檐以下，所以只能設計為坡度1.5/10的較平緩單坡屋頂（圖4）。而如何在保證跨度的同時保證室內空間便成了重要的課題。

如果在梁間方向的8.1m跨度上設置桁架或張弦梁，則無法確保室內空間的凈高。經過設計分析，最終決定采用“交疊梁”結構，即使結構高度較小，也能順利實現大跨度的設計需求。具體設計如下，從“展示畫廊”邊緣設寬度為2.1m的走道，在走道邊緣設置一排立柱，走道一側的屋頂主梁以及南側連廊部位的屋頂主梁分別向中間挑出，中間采用約5m長的木材作為屋頂梁的主要構件（圖5～7）。這樣不僅可以用短于6m的木材來實現屋頂的跨度，同時在彎矩和變形方面也實現了更優(yōu)化的結構體系。

將截面尺寸為60mm×240mm的窄小木材作為垂木排列在600m跨度的屋頂主梁之上，從屋頂到外側連廊依次排列，能夠抑制雪荷載和風荷載造成的不對稱變形，同時也能使接合部位的節(jié)點簡單而統(tǒng)一。在靠近“展示畫廊”的一側，結構節(jié)點選擇在彎矩幾乎為零的位置，也有效地簡化了節(jié)點的復雜程度。在抵抗水平方向荷載時，盡量確保各畫廊外圍墻壁以構造用合板組成剪力墻，這些剪力墻也是抵抗地震荷載的最重要結構構件，同時也可以保證室內空間的開放性。

3 交流廣場的結構設計

“交流廣場”是平面尺寸為12.6m×10.8m的平屋頂建筑，屋頂是角度為4.5/10的尖頂雙坡設計?；谑褂霉δ艿男枨?，內部設計為無立柱的開放空間。為了確保側墻采光率，如何盡可能地開設窗口成為了重要的設計課題。

一般情況下，對于坡度較大的雙坡尖屋頂，利用屋頂形狀在橫剖方向設計三角桁架是比較普遍的做法。由于下弦的高度主要由坡屋頂與外側墻壁交點的高度決定，整個室內空間將受到較大的影響。因此，特將縱向的主要結構都設計成階梯式桁架結構，橫向則根據階梯高度設置常規(guī)桁架，在保證屋頂結構體系完整合理的同時，盡可能保證室內空間的高挑（圖8，9）。

上下弦的木材無法用一根完整木材完成10.8m的跨度，因此要在梁跨中間設置節(jié)點。另一方面，由于木結構節(jié)點抵抗較大軸向拉力的強度相對較差，因此下弦節(jié)點應設計在軸向拉力不是很大的部位較為合適。因此，在橫向的常規(guī)桁架結構中，斜拉桿件采用截面為圓形的實心鋼索。這樣的設計使得下弦左右兩側的端部幾乎沒有軸力，節(jié)點可以采用較為簡單的榫卯連接方式，也實現了全部使用4m以下的固定尺寸木材，完成10.8m跨距的大屋頂設想。同時，由于上弦材內力主要是軸向壓力，節(jié)點的設計也較為簡便。而縱向階梯狀的截面設計可以有效地輔助橫向桁架結構的穩(wěn)定性，防止下弦出現平面外的擺動導致整體結構的失穩(wěn)（圖10，11）。

對水平方向荷載的抵抗，以及作為抗震的重要結構組成，是位于建筑兩端的混凝土結構防火墻（山墻），水平方向的荷載可以通過屋頂平面布置的構造用合板將力傳遞至混凝土山墻之中。由此，“交流廣場”整個建筑的側墻，不再必須具有抗側力的功能，而只是負責通過立柱來傳遞垂直方向的荷載，因此在側墻上設置較大開口的采光窗計劃也得以順利進行。

4 圖書館的結構設計

圖書館為27.0m×16.2m的長方形建筑，采用金屬板屋頂，1.5/10的單坡屋頂，室內空間的高度要求較高。二層大部分面積為挑空，而為了支撐位于二層的書架，同時保證墻壁抗側力的強度，只能將從基礎到二層地板高度以下的部分全部設計為混凝土結構，而這樣也使得屋頂的結構設計成為了最大的難題。

在圖書館中間部位，將一部分二層樓板邊緣的欄桿直接通頂，以減小屋頂桁架跨度的方案也曾被考慮過。不過，鑒于外墻下部混凝土結構剛度和強度的優(yōu)越性，將力直接傳遞至混凝土結構上仍然是值得期待的方案，因此最終決定嘗試采用16.2m整垮的木結構桁架體系。

從建筑剖面的設計來看，屋頂最上部為水平設計，因此首先考慮的是將桁架設計為中部下凸的拋物線形狀，用懸空柱連接上下弦。但是這樣的設計，屋頂僅能承受均勻分布的屋面荷載，而雪荷載、風荷載以及部分設備產生的活荷載往往都是不均勻分布的荷載工況。為了能夠更好地滿足不均勻分布荷載工況，嘗試了對下凸桁架結構的完善和加固。不過并不是簡單地在懸空柱之間增加斜拉索，而是重新設置一根上拱的弦材，按照下凸的下弦進行鏡像布置，配合形成完整的桁架體系，成為了屋頂結構主體的一部分。拱形弦材可以更加順暢地將屋頂的豎向荷載傳遞至下部結構中（圖12）。

由于下凸弦材與拱形弦材在跨中間有交叉點，因此將承載軸向壓力的拱形弦材截面設計為120mm×180mm的單根木材，而將主要承載軸向拉力的下凸弦材設計為一組兩根截面尺寸為60mm×120mm的形式，從而解決了兩根弦材交點相互干擾的問題（圖13）。兩種弧形弦材都采用長度為2m的直線木材，通過組合形成近似拋物線的折線結構（圖14～16），這一結構體系也可以理解為大跨度“類張懸梁”與拱形結構體系錯位結合的組合結構。

8 交流廣場的結構方案

9 交流廣場結構立體示意圖

10 交流廣場施工現場

11 交流廣場內景

12 圖書館結構方案

5 現存?zhèn)}庫的重生

被設計為展覽館的原采購倉庫，外立面立柱腐蝕損毀嚴重，為了與新建建筑融為一體，我們決定將整個倉庫落架檢修，全部拆解之后再判斷原有木材是否具有再利用的價值。在所有設計施工人員參與分析討論之后得出結論，除了立柱外，其他所有木材全部可以復原再利用。但是，由于柱腳和登梁端部嚴重腐朽，在設計中采用了全新的木材以銜接修復的方式展現（圖17，18）。而外側立面幾乎全部都設計為抗震必須的剪力墻結構，采用結構用合板建造。

13 懸架拱施工詳圖

14 圖書館懸架拱組裝現場

15 圖書館的懸架拱吊裝施工

16 圖書館內景

17 原采購倉庫修繕再利用施工現場

18 展示畫廊完整再現原采購倉庫景致

19 倉庫腐朽狀況調查

20 當鋪倉庫的原貌

21 原當鋪倉庫修繕為收藏畫廊

被設計為“收藏畫廊”的原當鋪倉庫，在設計階段被認定為保存狀態(tài)較好，僅需實施局部性的修理，總體上原有的立柱、土墻以及其他結構均可直接利用。但是，修繕保養(yǎng)工作開始之后，當外墻遮擋被拆除之后，先前被認為保存良好的墻壁內部以及立柱底部，仍然暴露出嚴重腐朽的狀態(tài)，需要現場重新審查討論修復計劃（圖19，20）。特別是外圈立柱的端頭和底部，截面積一半以上幾乎已經腐朽殆盡，所有立柱也都出現了搖搖欲墜的情況。因此，在使用原來土墻的基礎上，利用較厚的土墻空間，用截面尺寸為4寸的正方形木材制作新的框架結構，來承受豎直方向的荷載，同時增加結構用合板來承受水平方向的荷載。這樣的修繕方式，不僅最低限度地控制了時間和經費，同時更加完整地保持了原有建筑的外形和風貌（圖21）。