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古代建筑营造传统工艺科学化研究

主要完成单位:浙江省古建筑设计研究院  东南大学  中国美术学院

主要完成人:黄滋  陈薇  张十庆  张喆  石红超  张云升  吴建新

获奖等级:二等奖

    课题基于营造传统工艺传承面临人亡艺绝、后继乏人的严峻现实,立足江浙地区,结合各参加单位基础理论研究优势和文物保护应用实践的行业优势,从木构营造技术、木构榫卯节点和青砖灰瓦营造工艺三个角度,开展古代建筑营造传统工艺规范化调研和基础性研究、科学性阐释和科学化应用研究,阐释了江浙地区性关键技术的科学内涵,揭示了古代建筑设计和施工一体化营造工艺的营建思路和科学内涵,结合现代科学手段实现了对传统工艺的科学记录和分析,探索并建立了中国古代建筑营造传统工艺科学化研究的方法。

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    中国古代建筑是以木结构为主体的建筑,其营造传统工艺是工匠按世代相传的手法完成从原材料采集、构件加工制作到安装成型,再到后期装修和修缮的一套完整的技术过程,是经过长时间的反复运用、不断改进和创新而形成的较为成熟的工艺技术体系。从古至今,传统工艺的传承一直以来沿袭“师徒传承、口授传承”的方式,工匠对传统工艺的认识不足,大多停留在经验的层次,常常知其然而不知其所以然。并且,施工质量的高低全凭工匠的主观经验和熟练程度,对材料、工具、工艺流程的选择随意性较大。这就决定了传统工艺呈现出“经验式”“不可见”“不可控”的特点。而且,长期以来,人们主要关注古建筑实体的研究与保护,对营造传统工艺的科学性认识不足,缺乏必要的理论解释和理论支撑,难以形成技术创新基础。绝大多数营造传统工艺没有科学的操作规范或技术标准,缺乏统一的评估方法,严重制约了其在文物建筑保护实践中的推广应用。

       2012 年起,浙江省古建筑设计研究院联合东南大学、中国美术学院、浙江大学等高校,共同承担了“古代建筑营造传统工艺科学化研究”这项“十二五”国家科技支撑计划课题,以期望通过本项目探索并建立中国古代建筑营造传统工艺科学化研究的方法,实现传统工艺的科学传承和应用。在三年的时间内,项目立足于江浙地区,结合高校基础理论研究优势和文物保护应用实践的行业优势,从木构营造技术、木构榫卯节点和青砖灰瓦营造工艺三个角度,开展古代建筑营造传统工艺规范化调研和基础性研究、科学性阐释和科学化应用研究,重点在以下几个方面形成研究创新:

 一、揭示了江浙地区传统木构营造核心技术的科学原理

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       中国古代木构建筑营造自古以来就是设计、施工一体化,其传统工艺中涵盖了材料选择、构架设计、营造施工、预算定额、日常维护等现代工程中的多个工程子项。课题重点关注木构营造传统工艺的前期构架设计和营造工序,科学认知在技术水平有限的前提下,古代工匠采用自制工具、运用基础科学知识完美解决了从构架设计到尺度设计再到营造施工的多项关键技术。

    江浙地区古代建筑木构营造工艺以流传于苏南浙北环太湖流域的“香山帮”传统营造工艺和流传于浙中盆地次片区的“东阳帮”传统营造工艺为典型代表,两种典型工艺分别与其地区古代建筑大木构架形制、构造紧密相连,进而呈现出各自显著的地区营造工艺特征。

    课题从基础调查入手,三年内调查、走访了苏州吴中、甪直、无锡荡口、常熟、杭州径山寺、东阳李宅、东阳后周、金华藤村、永康、嘉兴桐乡、嘉兴盐官、苏州文庙等木作营造和文物修缮施工现场进行二十余次现场调研,以文字记录、拍照、录像等方式跟踪木作营造关键工艺的营造过程。同时,对二十余位木作匠师进行访谈,访谈内容包括匠师体系、营造尺度、营造地方称谓、木作关键性工艺技术要点等。在此基础上,整理出东阳帮“讨照付照”、香山帮“亲合汇榫”等地区性关键技术的科学内涵。

       讨照付照是以照板和照篾作为中介,以柱中线和弦线为参照基线,将柱身卯口深度的控制点、销子的中心控制点距弦线的距离以及卯口的高度、销子相对卯口上下端的距离、梁枋榫头肩线等尺寸标画在照篾青、白两面上,然后再将这些尺寸付到梁(或枋)。

    该工艺是古代工匠运用简易工具和方法将三维空间的尺度信息转化为二维的数据记录形式、再将二维的数据记录标记到三维构件上进行加工的过程,符合现代几何学的基本原理。工匠将标有固定尺度的照板和相互平行的弦线结合,组成了一个固定的三维空间体系,该三维空间的X 向尺寸即左右弦线间的距离为定值,Y 向尺寸即照板的宽度,Z 向尺寸即为柱高可随柱调整。将这一空间体上下面的中心点与柱子上、下端面的中心点重合,使柱子中心轴线与该空间体中心轴线重合,柱身任意截面中心点距弦线的X 方向距离皆为定值,也就是说柱身上任意一点到弦线的距离均可求得。当柱子存在侧脚时,其整体操作原理不变,但不再是柱子的中心轴线与空间体的中心轴线重合,而是要将侧脚偏移量考量进去,也就是说将柱子的重心线(即经柱底面中心点与地面的垂线)与空间体中心轴线重合,表现在具体操作层面上即为柱底面中心点对应该侧照板的中心点,柱顶面相应照板应向柱侧脚方向反向偏移出该方向上的侧脚位移量。以上是讨照的基本原理。付照原理,首先是要将柱中心点(柱底面中心)到弦线的X 向距离套回到梁或枋上(梁、枋的制作尺度由开间杆确定,即要在柱中到中的基础上预留出一定的长度,并且要在制作中确定梁、枋两侧对应柱子的中线位置),再以此线为标准将记录尺寸返画到梁或枋上,一般画于梁、枋底面上。

    亲合汇榫是运用垂直投影等朴素的几何原理,借助大兜方尺、水平尺等校准工具及尺规工具,通过大木构件的榫眼与卯口的汇聚、亲合,结合大木构架的轴线尺寸、进深开间尺寸以及木构节点密实度和各项垂直度的反复校核,不断修整榫卯,使对应的榫卯松紧度合适、对应构件结合紧密的关键工艺。该工艺的核心是“校核”和“配亲头”。“校核”主要是在榫卯试装过程中通过反复校核两构件相交节点三个维度的“水平-垂直”关系,并依校核来修整榫卯,直到榫卯严丝合缝且满足各向维度校核要求。“亲头”是香山帮地区在构件亲合汇榫过程中用于求得两构件交接部位投影线的一种自制工具,它的尺寸是由出榫构件留肩尺寸所决定的。

    东阳帮“讨照付照”核心技术与浙中地区“插柱造”、“肥梁胖柱”的大木构架构造特征相互映衬,香山帮“亲合汇榫”与苏南浙北地区“抬梁”构造和“圆作”做法相适应,是地区木构工艺与形制对应的典型代表。两派工匠巧妙运用自制简易工具,在长期经验积累的基础上总结出了适应于地方建筑构造特征、形制特征的科学方法。课题通过对这些关键技术的跟踪调查,在科学记录该工艺工序和技术要点的基础上,运用现代几何学的方法揭示工艺的科学内涵,避免工艺经验式传承中的“一知半解”、“失真”等问题,使其适用于现今传统工艺的普及,为实现地区传统工艺的科学传承奠定基础。

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 二、揭示了江浙地区不同时代、不同部位榫卯结构的连接系统和受力特性

     项目组成员对江浙地区典型传统木构建筑的榫卯构造进行了细致的调研、现场测绘及分析总结。通过研究,课题组找出了江浙地区典型传统木构建筑的榫卯构造做法,首次在国内找到了《营造法式》中记载的“镊口鼓卯”做法实例——保国寺大殿和时思寺大殿,证实了《营造法式》中的部分内容来源于江南传统木作工艺,推进了学界关于《营造法式》的研究。首次建立了江浙传统木构建筑的典型榫卯图样和图像数据库、以及榫卯制作与安装的计算机演示平台。研究成果可用于分析榫卯构造做法和榫卯演变,可为江浙地区传统木构建筑榫卯构造做法的工艺传承和科学研究提供依据。

    此外,课题组基于江浙地区典型传统木构建筑榫卯构造的研究成果,按照真实构造尺寸的缩尺比例制作了江浙地区抬梁木构和穿斗木构的典型榫卯节点(包括透榫、直榫、半榫、燕尾榫、镊口鼓卯、十字箍头榫、双榫、馒头榫、瓜柱柱脚直榫) 的试验模型,通过基于相似原理的低周反复荷载试验研究,得出了这些典型榫卯节点的主要受力特性,包括破坏模式、极限变形、弯矩-转角滞回曲线、弯矩-转角骨架曲线、弹性阶段/屈服阶段/破坏阶段的转角刚度等半刚性特性等,并首次建立了江浙地区传统木构建筑典型榫卯的受力特性数据库。课题组通过对实际案例的调研和测绘分析,得出江浙地区传统拼合木梁和拼合木柱的构造做法,并基于传统拼合构造做法,对拼合木梁的受力性能进行了理论和试验研究。通过理论分析,得出了常见拼合木梁的极限弯矩以及销栓剪力的计算公式,并对拼合梁的极限弯矩、销栓剪力与上下梁的高度比、宽度比、销栓位置关系进行了分析。通过试验研究,建立了松木和杉木材质的上小下大和上大下小拼合木梁的抗弯承载力计算公式。试验结果表明:上小下大拼合木梁受弯破坏模式为下梁底部木纤维脆性拉断,上大下小拼合木梁受弯破坏模式为上梁底部木纤维脆性拉断。两种类型的拼合木梁在受弯时,上下两根梁的截面应变沿梁截面高度方向的分布均符合平截面假定。课题研究成果可用于分析江浙传统木构建筑的榫卯节点和整体木构的结构受力性能,可为江浙地区传统木构建筑的结构安全评估和保护设计计算提供依据。

 三、揭示了江浙地区墙体不同高跨比、高厚比与荷载的关系,得出不同地震烈度及风荷载下墙体高度限值

       青砖在江浙地区主要用于墙体砌筑,形成传统建筑的围合界面,是内外空间的划分做法,也是隔热保温的重要载体,同时涉及防风抗震的人身安全问题,是传统建筑修缮保护的重要关注对象。课题通过设置传统建筑墙体砌筑的力学实验与高跨比研究,以分析和发现问题,有针对性地提出保护修缮或者重新建造时的取限尺度范围,以达到科学保护的目的。

       实验充分发挥跨学科优势以及东南大学在工科方面具备的强大实验条件。课题组的建筑学专业人员提供传统的典型砌体做法和数据;课题组的材料和结构专业人员根据目的设计足尺实验方案并开展测试和数据分析;实验时共同观察实验过程和结果,同时根据现场试验状态提出二次实验的调整,对毁损的原因剖析和深入研究奠定了基础。既节省了经费和工时工料,也超越了原定的目标。

    实验针对常见青砖墙体砌法(实砌、一斗一盖、全斗无盖),并针对常见四架椽、六架椽、八架椽屋的进深尺度,得出建造9 堵足尺砌体的方案。同时充分考虑灰浆的传统特点,在配置黏合材料和砌体完成后何时实验上,严格考虑实验对象与传统真实做法的契合度和实验科学性前提。通过对每种方式砌筑不同高跨比的三片墙体,开展平面外加载实验,以模拟地震水平荷载和风荷载。记录每种砌法不同高跨比墙体的开裂荷载和极限承载力、每级荷载下墙体变形以及墙体应力三组试验数据。通过实验对于导致墙体开裂的荷载量、开裂位移角度和部位、不同地震烈度下高度限值、风荷载下墙砌筑高度限值均得到了科学性的结论:

       1. 墙体破坏都是从根部砖缝开裂破坏,属于受弯破坏。因此,古代建筑砖砌墙体易损处为实砌端部或实砌与空斗砌交界处。

       2. 墙体破坏都是突然发生的,属于脆性破坏。

       3. 墙体被破坏时,墙体上部有明显的变形,且当卸载后,变形有一定的恢复,但恢复程度很有限。

       4. 得出比较合理的高跨比的数值范围:实测建筑山墙的高跨比值在0.171-1.514 之间,檐墙高跨比值在0.017-1.320 之间,与实验得出的高跨比合理限值比对,均在数值以内,印证了古代建筑高跨比是科学合理的。

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项目推广价值及社会效益

        项目通过文献调研、匠人走访、分析实验等方式,对营造传统工艺的特点、工具和流程等开展科学调查和规范记录,结合现代科学手段开展科学评价和分析,尝试从以下几方面实现传统工艺的科学应用。

        一是建立江浙地区古代建筑营造传统工艺开放式数据库,通过实测图纸、实景照片、影像记录、文字详解、历史文献等多重方式对营造工艺进行了全方位的归纳存储,并实现了便捷的检索查询。一方面为江浙地区传统建筑营造工艺建立了详细档案,并为其进一步量化分析研究奠定基础;另一方面也为传统建筑修缮与保护的审批与管理工作提供了坚实依据;同时也为传统建筑修缮及建筑设计提供相应的参考。

        二是编写完成浙江地区古代建筑营造操作规程草案,在挖掘营造传统工艺的科学成分、探讨其科学原理的基础上,建立科学性评价体系,营造工艺操作的技术规范或相对统一的技术标准与质量评估方法,以确保文物建筑保护工作的施工质量与成效,并促进古代传统营造工艺的传承和发展,成为文物建筑的科学保护、合理修缮与慎重复建的技术支撑基础。

        三是研发出参数可调的江浙地区古代建筑模数尺度演算的计算机三维模型软件。以《营造法原》为基础,通过实测补充,建立苏南浙北地区古建筑大木构架比较完善的算法模型,展示苏南浙北区域翼角的做法,通过调整给定的参数自动生成模型,实现了大木构架和翼角做法的可视化,为设计者和施工人员的培训提供教材,为文物建筑的保护研究提供了基础平台,也可为设计人员提供参考依据和提高设计效率。

       本项目的研究,是将传统营造工艺从无形的经验转化为可见的科学的一次尝试,探索出一条具有推广价值的研究方法和路径。本项目的实施,产生一批有应用价值的创新型文物保护技术成果以及相关的技术标准、操作规范等,这些可以在我国文物保护实践中获得应用和推广,可以减少不必要的重复修缮和过度修缮,保障和提高古建筑修缮的工程质量,用于相关管理、设计、施工人员的培训,推进我国文物保护事业向科技化、规范化迈进。并且,研究的成果和思路将对我国的文物保护修复起到一定的启迪和示范作用,其相关技术成果会有效促进我国现存各类文物的保护修复,使其得以长期保存和展示利用。另外,本项目以科学态度,充分挖掘传统工艺的优势,发扬传统技术的绿色低碳的特点。同时,通过科学研究与分析,改善传统工艺中的不合理部分,研究开发出相应的新技术、新材料、新工具,既节约成本,也会促进相应产业链的发展。本项目的研究成果有利于传统工艺的传承与延续,对弘扬民族传统文化产生积极的影响;也是创造有东亚特点的遗产保护体系的积极探讨,努力尝试与国际对话和接轨,推动遗产保护事业的发展。