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教堂结构

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来源丨iStructure公众号

ID丨iStructure2017


一提到教堂,我们立马想到高大、神圣、威严,早在公元10世纪至11世纪,欧洲各封建领主便热心于在自己的领地上修建规模壮观的修道院和教堂,教堂也成了教皇统一思想的重要场所。那时教堂建筑采用典型的罗曼式(Romanesque)拱券结构。


▲ Romanesque


罗曼式教堂平面大多为“拉丁十字”,典型的特点为厚墙、圆拱顶、长走廊以及大墩柱。为平衡拱顶的推力,两侧的墙体十分厚重,也就导致无法开很大的窗户,内部幽暗高大,显得浑厚而庄重。

 

 拉丁十字

 

▲ 施派尔主教座堂(Speyer Dom)


到了中世纪,天主教会统治西罗马帝国,这一时期兴起了封建社会下壮丽发展的产物哥特式艺术。哥特式教堂由罗曼式的交叉圆拱变成了交叉尖拱,受力模式由侧墙承受推力演变为沿着拱交线(肋)经过柱传力的“框架模式”。

 

▲ 罗曼式到哥特式


同时通过两侧的“飞扶壁”与端部厚实的拱壁形成一个“有侧移框架”来抵抗水平推力。

▲ 飞扶壁


如此操作的好处就在于可以在内堂侧壁开大窗了,在窗间的彩色玻璃上勾勒宗教故事,让很多不识字的信徒们明白圣经的故事。

 

▲ 哥特教堂彩窗壁画


高矢高的尖拱相较于半圆拱推力减少很多,在建造过程中,首先准确设置交线肋,并以此为脚手架进行施工,形成拱面,给施工带来了方便。

 

▲ 结构图解


亚眠大教堂被称为法国最华丽、完美的哥特式教堂。此建筑的形态,使上述哥特式建筑的特征都得到了最完美的展示。


▲ 亚眠大教堂


同时期在东欧拜占庭帝国,东正教一统天下,与天主教常年相互diss,自称正统。自然建筑形式不能一样,典型的东正教堂平面大多为“希腊十字”(比拉丁十字稍短一些),以一个中央穹顶向四周辐射。

 

▲ 希腊十字


说到穹顶,大约公元128年建于意大利的万神庙算是起点,直径43.3m,矢高也是43.3m,穹顶1.6m厚,其维持了1700多年世界最大穹顶的记录,直到19世纪钢结构的使用。


▲ 万神庙


其建造方式是先用木模板做临时支撑,砌筑砖拱做主体结构,然后在砖拱之间浇筑“混凝土”(火山灰+碎石块),内侧经纬交错的肋格减小了穹顶的厚度和重量,并形成了内凹的纹格,为平衡巨大的推力,侧壁接近6m厚。

 

▲ 万神庙建造


由于万神庙的平面就是圆形,穹顶可以平滑的过渡到侧墙上,但一般的平面为矩形,工匠们采用“穹隅”的手法(也叫帆拱)来解决这一问题,穹顶的力通过4个球面三角形平缓传递。

 

▲ 穹隅(帆拱)


圣索菲亚大教堂的中央穹顶就是一个经典的例子,为平衡推力,东西侧分别搭建了一个小穹顶以及通长的筒拱,南北侧则在根部建造了厚实的外墙。 


▲ 圣索菲亚大教堂


文艺复兴时期,随着马丁路德的宗教改革,哥特式教堂不再受到建筑师的亲睐,但是由于当时的力学水平和建筑材料不够先进,真正能成功建成并保留至今的穹顶教堂为数不多。


▲ 圣母百花大教堂


留存的经典当属圣母百花大教堂(St.Maria del Fiore),穹顶为八角形,由于下部墙体壁厚需求4.2m,建筑师选择建造双层穹顶中间镂空来减轻重量,建造时,除了8根交线肋,每边还有2根竖向肋,在穹顶底部,工匠用了木质的环箍想要形成拉力环来平衡侧推力,但由于节点构造以及刚度差别太大,小i觉得似乎起不到太大的作用。


▲ 圣母百花大教堂建造年限


之后的教堂百花齐放,又衍生了许多新风格,巴洛克风、洛可可风…随着建造技术的发展、材料的创新以及力学的发展,现代的教堂不再局限于教堂的传统形式,而是通过空间、人的体验来制造神圣的氛围。

 

▲ 朗乡教堂


▲ 光之教堂


   砼   

 

▲ Bosjes Chapel


这座新教堂位于南非的一个葡萄园内,由Steyn Studio设计。 混凝土薄壳形态模仿了周围山脉的轮廓, 在屋顶结构的波峰处,通过木质十字架和玻璃窗装饰外立面。



感谢现浇混凝土,让这个小教堂有了优雅别致的形态。



▲ Bosjes Chapel木模搭建


   钢   


 空军士官学院教堂


美国科罗拉多州空军士官学院教堂由SOM设计,设计之初因独特的外形饱受争议,但随着时间的推移,已经成为现代主义建筑的经典。


  

 设计图纸


建筑高46米,长85米,宽26米。最初设计由19个方尖塔组成,后期因为预算原因减少到17个。为了降低施工难度同时控制造价,结构由100个相同完全相同的四面体组成,每个四面体长23米,重5吨。


 教堂建造


四面体单元采用钢管桁架,铝板覆面。四面体单元间彼此空开0.3cm,在构架中形成窄缝,填充25mm厚的彩色马赛克玻璃,以增加其宗教元素。


 马赛克玻璃


    木   


▲ Agri chapel


Agri 教堂是一间位于日本长崎市的木结构教堂,由Yu Momoeda建筑事务所设计。教堂被环抱在一个大型的国家公园,可以直接眺望大海,景观十分优美。

 

▲ 分层图解


Agri 教堂的抗侧力体系为四角的L型墙体,内部三层树形柱仅承受屋面竖向荷载(25t),底层为4个120mm见方的柱体单元,中间层则由8个90mm见方的柱体单元组成,顶层由16个60mm见方的柱体单元组成,每层通过钢套管实现45度转向。

 


▲ 托柱转换节点


由于节点均为铰接,树枝之间通过12mm和16mm的拉杆保证结构体系成立,结构的冗余度较低,所以保持绝大部分杆件应力比在0.5以下。

 

▲ 杆件应力比


树枝之间形成正交的拱形,打造出新时代独特的和风哥特主义。



   纸   



▲ Cardboard Cathedral


基督城(Christchurch)是新西兰南岛最大的城市,St John the Baptist教堂是岛上第一座教堂,可惜在2011年里氏6.3级的大地震后被拆除。当地政府决定建造一座临时建堂以等待新教堂建成。


▲ 教堂搭建


纸板教堂应运而生,高21m,由96根直径60cm纸筒的纸纸筒构成三铰拱。由于当地无法生产足够厚的管子又不接受进口,所以管中采用压层木板进行加固。纸管外有防火和防水涂料,外侧屋面覆盖碳纤维板。


▲ 纸管力学性能试验


建筑师坂茂在TEDxTokyo演讲中曾提到,“地震不会杀死人,杀死人的其实是建筑,我们一直都为权势和金钱建造房子,自古以来都是,永久的混凝土可以很快倾倒,临时的纸板或许可以永久屹立。”

 

▲ 高取纸教堂


早在1995年阪神大地震后,坂茂与上百位志愿者花费5周搭建了第一个纸板教堂高取纸教堂(Takatori Catholic Church),2006年,纸板教堂拆卸后捐给了受921大地震摧毁的台湾南投埔里灾区,命名为“Paper Dome”。


▲ Paper Dome


作者:彭超

参考资料:

《建筑结构的奥秘》.川口卫

https://www.archdaily.com

 维基百科


本文由iStructure公众号原创整理。

本文图片均来源于网络,版权属于原作者或网站




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