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1南禪寺大殿木結構系統構法分析MainHallofNanchanTemple山西省五台山縣重建於唐建中三年(AD782)王采元賴逸群初探經典在台科大建築系旁聽魏浩揚老師的構造課已經三學期，從立面計畫、鋼構造到木構造，西方清楚完整的架構分析令人印象深刻，大到結構系統，小至接點細部，分類明確有系統，也便於實際操作執行。只是，在整個學習的過程中，全面接觸的都是西方建築，心中總覺得少一大塊——那該是屬於自己傳統的根！中國木構造，是幾千年老祖先經驗累積下來的寶貴智慧，不論是在建築格局、系統架構或是細部榫接，各部分都應該深入研究。藉著這次木構課作業，我們選擇南禪寺大殿作casestudy，將傳統的智慧結晶謹慎地、小心翼翼地從滿佈灰塵的破屋中拾起，期待在盡全力瞭解中國建築木構秘密的過程中，能掌握到一點精髓，見到充滿生意的朝陽。第一次接觸國小五年級的時候，當時我父親結束在大陸為期兩個月的建築考察回台，受邀寫一本給小朋友閱讀的中國建築入門書。為了瞭解小朋友可理解的程度，他將他所準備的內容先跟我講一遍並錄音存底，然後根據錄音帶整理成文字，再改寫成書1。還記得是一個初夏的午後，微風所帶來舊家院子裡大樹的香味依然伴隨著印象中當時的氣氛隱約浮現，在窗前成堆筆記資料的書桌旁，父親很有耐心的把每張幻燈片放給我看，並加以解說。米白厚實的牆，溫潤暖紅的木頭，在乾淨的藍色天際下映著簡潔優美的屋頂輪廓線，我說了一句，也是少數在書中出現的一句話，「好漂亮啊！」，這是我與南禪寺的第一次照面，也因著這段記憶中美好的氣氛，而開始了這次的研究。1見《跟小元談中國建築》，王鎮華，中華兒童叢書，民國八十年六月三十日出版12二、南禪寺大殿結構分析（一）「材份制」材栔材栔（二）系統構成在系統構成中，特別要說明的是有關屋架柱子的部分，有兩個很重要的結構處理。1.側腳中國早在漢代就發展出類似西方現代建築的模矩制度——「材份制」，以一建築構件為尺寸單元，來定出整個系統大大小小的尺寸，以便於進行規劃、預製與大量生產。在材份制裡，「材」就是栱高，將材分成十等分即「份值」，整棟建築的構件，大至跨距、柱高、主樑斷面，小至斗栱的榫接契口等都為此份值的整數倍。南禪寺的份值為1.6公分，對照宋代營造法式，殿身三間至五間為第三等材，意即只要同為此規模等級之建築，份值皆為1.6公分，則大小構件斷面尺寸皆同，如此對於材料生產之統籌規劃、預製量產、縮短工期與各地工料彈性調撥更換都相當有利。→屋頂：椽子、望板、屋瓦。保護屋架，並以自身重量將屋架結構壓緊穩實。→屋架：木構架。支托屋頂，將屋頂的重量藉由樑柱系統傳至臺基。→臺基：磚石構造，筏式基礎。將建築物抬高地面110公分，有防潮、防雨水潑濺，保護木料之效。柱頭位置不變柱腳向外垂直移出七公分轉角處的柱子於X、Y兩方向各外移七公分1213141532.升起（三）力學分析轉角的角柱高度升高六公分平柱高384公分角柱高390公分側腳跟升起使得柱子、闌額、地栿形成一個倒梯形體，重心向內穩定，而且因為柱子微向內傾，藉由柱子自重更可壓緊榫卯，形成一個穩定的基本架構。‧此平面構成可看出水平推力所造成的變形，將由四個角落的斜撐（乳栿）抵抗。‧A.因斗栱具有彈性吸收變位的伸縮性，所以應屬於半剛性框架，在出檐處以斜撐（斗栱）支托，穩定後再組立B部份。‧B.為一鉸架框架，在其左右二側加側撐，形成穩定三角形，防止框架變形。‧C.為一穩定三角形，用以支托屋頂重量。‧D.E.F.三個框架，也呈自下而上穩定關係，即為三者依序穩定後才向上搭建，同時透過層層堆疊，以構件本身自重所造成之正向摩擦力、重力加強框架之穩定。ACBDEF角梁出檐161718194三、組構一座中國木構造以下是我們將實體模型拆解後，模擬建構過程的紀錄。‧素平青石柱礎：1.保護額面2.防水積在接縫處‧地栿：圈樑，用來連繫柱腳‧闌額：連繫柱頭‧第一「鋪作」——櫨枓‧第二鋪作——平行牆面的栱稱泥道栱突出牆面的栱稱華栱，又名「抄」‧下層枋：與上層枋同為邊樑，其上有浮雕出栱形，為第三鋪作影栱隱刻駝峰5‧四椽檐栿：與繳背合為主樑，突出面寬牆面部分作為第三鋪作之華栱‧上層枋：與下層枋同為邊樑，在轉腳處突出牆面切斜腳收尾，作為第四鋪作耍頭‧繳背：與四椽檐栿合為主樑，突出面寬牆面部分作為第四鋪作之耍頭‧丁栿：為抵抗側向水平力的構件，突出山牆面部分作為第四鋪作之耍頭‧駝峰：1.支托平樑、金檁枋2.下部寬大可將重量均勻分散至主樑3.駝峰將力學的傳遞具體化呈現出來，滿足視覺上美感的需要‧令栱：第五鋪作，上有替木可增加令栱與檐檁接觸的受力面積‧鴛鴦：令栱在轉腳處的處理四椽檐栿上層枋丁栿繳背駝峰令栱鴛鴦6‧壓槽枋：1.透過柱頭駝峰壓緊每個柱頭上的鋪作2.提供放椽子的槽口‧乳栿：1.承接金檁2.預拱以承受屋頂重量的壓力3.為抵抗水平力的斜撐‧四十五度斜栱：1.外挑支托檐檁、角樑2.內挑支承乳栿‧叉手：支承脊檁，承受屋面重量‧托腳：承拉構件，斷面小‧平樑：架於駝峰之上，為承壓桿件‧栱：1.連繫平梁和乳栿2.傳遞屋頂重量至駝峰和乳栿3.上承金檁、角梁壓槽枋乳栿斜栱叉手平樑托腳栱7‧檐檁‧金檁：山牆面尾端切斜角收尾‧係頭栿：1.清代稱踩步金，為歇山式屋頂特有構件2.梁架，上承脊檁3.承接山面檐椽後尾4.其兩端連接前後金檁，抵抗屋頂外推力‧脊檁‧栱：1.連繫叉手和係頭栿2.傳遞屋頂重量3.上承脊檁栱係頭栿金檁8四、研究南禪寺的過程（一）從清工部則例切入理解中國木結構由於我們對中國建築都不太瞭解，所以一開始我們先閱讀梁思成先生所寫的《清式營造則例及算例》，進一步配合馬炳堅先生的《中國古建築木營造技術》，馬先生簡明易懂的說明，清楚地整理了清工部營造則例，使我們大致能掌握中國建築構造的基本分類與原則，才切入南禪寺，試圖理出它大致的結構邏輯。（二）從宋代營造法式瞭解文獻中專有名詞在我們找到關於南禪寺的文獻中，提到很多結構構件的專有名詞是清代所沒有的，因此我們轉向從營造法式註釋中尋找關於這些構件的說明，希望能幫助我們更深入的瞭解，以便之後3Dmodel與模型的製作。（三）3DModel圖面與測量資料的差距當我們以為大致掌握住結構關係，可以開始建立3Dmodel時，就碰上第一個大難題：我們手上現有的圖面資料、實際照片與測量數據彼此間有誤差，對不起來。首先，光是平面、立面、剖面與實際現場照片彼此間就有不相同之處，而兩張透視架構圖跟照片與平立剖也各有出入，最慘的是，當我們將所有圖面比例統一之後，它們與資料上的測量數據相比對又各自有不同的差距，以致於我們無法判斷數據的正確性。以材份制定出尺寸我們研讀的文獻中，清楚指出唐代材份制度已經發展地相當完整，因此在資料各有差距的情況之下，我們決定改用材份制來統整所有手邊的數據與圖面，取得最普遍接近現有資料的數據進行3D繪製。（四）模型與3DModel交相驗證各構件尺寸確定，3Dmodel建出主要架構之後，開始製作實體模型。由於希望做出可拆解的模型，因此出於組構上的需要，很自然會更仔細地去研究各構件之間的關係，反覆仔細閱讀現況照片與圖面資料，更清楚地發現其中差異，再回頭修正3D，所以整個模型製作與3Dmodel是交相檢驗修正的結果，只希望盡量捕捉到真實南禪寺結構的大氣與美感。（六）必要的補充：自行假設之處由於唐代構造的相關細部資料不足，因此有些部分，如：柱頭卷殺、斗栱榫接契口、係頭栿與椽子接口等，是以宋代營造法式進行操作；而有些部分是在營造法式裡也無資料可循，因此只能自行假設進行製作：1.地栿、闌額與柱子接口2.屋角45度斜栱的榫接契口3.屋角柱頭駝峰放置的方向4.壓槽枋與椽子的關係5.角樑與椽子的關係五、建廟的收穫（一）「重力」、「槓桿」與「分散力點」傳統的老匠人雖然沒有西方那樣龐大清楚的結構力學知識，但是他們將最基本的兩個觀念靈活運用在整個建築的構件關係中：1.重力：上承下壓小至斗栱等之間的接榫，大至屋架一層一層的疊放，都是利用物體最天然的本性——重量，一層壓一層，以整個屋頂的重量壓住整個大木結構，層層緊實。2.槓桿原則不像西方強調獨立構件本身的穩定與可分析性，中國建築是從整體來考量局部，構件無法脫離「相互關係」而進行獨立分析，它強調的是各構件彼此間的力學平衡而達到整體和諧，最清楚的例子就是檐檁、屋9N上層枋N斗座↑↑↓↓↓↓M檐檁M斜栱自重M乳栿M柱頭駝峰45度斜栱N45度斜栱N斗座↑↑↓↓M乳栿自重M金檁下長栱乳栿45度斜栱（外）檐檁角柱頭駝峰、45度斜栱、上層枋（邊樑）、乳栿與金檁下長拱的關係。45度斜栱乳栿從簡單的力圖，我們可以看出這幾個構件的重量與搭接關係互相形成彼此的力矩，而達到整體的系統平衡。3.分散力點從駝峰、替木等構件，不難發現大木匠師處處將結構中的單點受力轉化為均佈壓力：F→P‧A，將力的承受單元從單一構件擴大到整個結構體，增加承重能力，這又是一個從整體考量局部的態度。（二）柔弱勝剛強中國建築各構件以榫接方式構築，不用釘子，尤其柱樑之間又是以斗栱承接，每個榫頭都有ㄧ定的變形量，但這看似充滿變形量的不穩定系統，在抵抗外力時，卻相當有效，因為每個榫接頭提供了承受外力時的彈性變位，有效吸收外力衝擊，反而造成整個大結構的穩定，這點在實體模型製作時非常明顯，整個結構層疊到一個程度之後，連大支美工刀直接在上面削切木頭所造成的水平力都可以抵抗，不禁想起老子所謂「柔弱勝剛強」。（三）必要結構物件藝術化，呈現力學美感在西方結構中的斜撐、壓桿到了中國木構造轉化為斗栱與駝峰，除了彈性變位、分散力點等優點外，這些構件的造型本身也將力學的傳遞具體化、藝術化，呈現出明朗大氣的結構美感。（四）小料拼大料榫接最大的弱點，就是造成斷面的減損，因此在討論結構時，「有效樑深」是關鍵，但古代又受到建造方式的限制，構件大小必須在人力可負載的重量範圍，所以，老匠師們便發展出一套方式來解決這個問題：1.利用斗栱提供額外支承減少彎矩2.小料拼大料：用幾根小斷面的構件組成大斷面的結構材，如南禪寺主樑是由四椽檐栿和繳背組成，邊樑是由下層枋、上層枋與壓槽枋組成。這樣不但可以解決樑深的問題，在視覺上也造成結構的輕盈感。（五）如翼斯飛的屋角起翹中國建築最優美的內凹曲線斜屋頂在現在台灣建築中一直很難被掌握，幾乎全部的仿中式屋頂都像大帽子一樣，僵硬地趴在建金檁下長栱45度斜栱乳栿柱頭駝峰上層枋45度斜栱檐檁10築物上，感覺累贅也無一絲優美，而其中差異到底在哪？從這次模型的操作中，大概可以掌握到其中的關鍵了。椽子上緣置於金檁上金檁下緣置於壓槽枋上壓槽枋當上下緣被抬高的程度不同，意即金檁與壓槽枋提供的支承面斜度不同時，便會造成椽子的斜度改變：原斜度之椽子上緣抬高較下緣多→椽子斜度變陡下緣抬高較上緣多→椽子斜度趨緩在本案例中，我們研讀各角度的實景照片，判斷南禪寺大殿的屋頂起翹是用轉角共十七根椽子來安排。分成兩個層次調整起翹曲線：1.安排整體之形勢：利用金檁、壓槽枋提供支承的斜面斜度差異，來安排轉角起翹大致的曲線斜度。首先，由圖可見，金檁上放置轉角椽子的空間（紅色虛線）長度短而斜度陡，壓槽枋上放置轉角椽子下緣的空間長度較長（藍色虛線），而緩急本身又有變化，初平緩，靠近屋角最後六根椽子下緣則用升頭木增加傾斜度。2.微調輕盈之韻味：利用壓槽枋上槽口本身深淺變化所造成的椽子斜度之細微差異，來微調起翹曲線的弧度。壓槽枋上椽子的槽口深度皆維持不變，醞釀到最後靠轉角的十根椽子，槽口才開始轉淺。如此的安排，前七根椽子在上緣升高而下緣不動的情況下，自然呈現微微下壓的曲線；而後十根椽子則因上緣繼續升高，下緣開始增加傾斜度而出現向上翹起的曲線。雖然金檁與壓槽枋造成的傾斜面看似平緩，但是因為先安排曲線下壓，之後的起翹反而突顯出來，而且感覺輕盈，「如翼斯飛」！（六）中西之間——大分與大合1.糾纏處應該大分西方的邏輯思考、理性分析強而有力，他們建立起一套完整的體系，將每個局部都明確客觀地分類解析，以求理解、掌握整體。物理學其實就是最好的說明，為掌握大自然的發展、孙宙的運行，科學家根據無數的觀測、實驗、論證，統整出一套可以描述甚至掌握自然的定律，但有趣的是，這套強而有力的定律，其實是刻意忽略無數變因