无梁殿是指结构上使用砖砌筑墙体、拱券、穹顶和叠涩等，而外观上采用仿木构样式的建筑类型，是中国现存建筑遗产中的独特类型之一。砖早在周朝就已出现，而始终没有成为中国传统建筑的主要材料，这与中国古代讲究地上用木建房，地下用砖砌墓的传统观念有关。尽管如此，中国古代的砖石拱券技术也取得了很高的成就。明代以来，鉴于木材的易燃性，随着砖石结构技术的发展，佛寺藏经阁、皇室档案库等防火要求高的建筑开始采用砖砌。明代砖砌无梁殿建筑全部采用青砖和石灰灰浆砌筑，整体结构中没有木梁和木柱，故称无梁殿，又称无量殿，为其蒙上了一层宗教色彩。由于砖砌体的抗压强度较高而抗拉强度较低，故无梁殿建筑多采用砖砌拱券或穹顶结构承受楼面或屋面荷载，尽量避免受弯构件和受拉构件的出现，该类型建筑遗产的结构做法和构造做法都较为特殊，具有重要的历史、艺术和科学价值。

目前，已有一些学者对砖砌无梁殿建筑遗产开展了不同视角的研究：刘敦桢在《苏州古建筑调查记》[1]中记录了对开元寺无梁殿的考察情况；龚恺[2]对明代无梁殿的建筑形制和营造技术等进行了系统性研究，为明代砖砌无梁殿的发展梳理出了一条较为明确的线索；常青[3]讨论了中国砖石拱顶建筑的历史演变及其与外国砖石砌体建筑的关系；钱澄宇[4]总结了包括开元寺无梁殿在内的江苏五座无梁殿的建筑形式；过云灵[5]通过对北京地区的无梁殿建筑的考察和测绘，归纳出了其建筑特征和分类特点；朱馥艺[6]调研了隆昌寺无梁殿的砖雕石雕装饰，并由此探讨了明代佛教寺院的装饰艺术；朱馥艺[7]对明万历年间的几座官造无梁殿及其营造者妙峰法师进行了考察和研究；淳庆等[8]采用精细测绘和有限元模拟的方法研究了永祚寺无梁殿的建筑形制和结构静力性能。综上，目前学界关于无梁殿的研究主要偏重于建筑历史、建筑美学和建筑构造层面，而对于该类型建筑遗产的形制和结构方面，尤其是基于实测材料强度和现状残损勘察的结构性能研究却鲜有报道。本文以明代砖砌无梁殿的典型代表——苏州开元寺无梁殿为例，对该类型建筑遗产的建筑形制及结构静力性能进行研究。

建筑概况

开元寺无梁殿（图1）建成于明万历四十六年（1618年），清道光九年重修。此无梁殿原名藏经阁，二层明间的正背立面拱窗上方分别有匾刻有“敕赐藏经阁”和“显密法藏”字样，可见明万历年间佛教活动具有国家意志。无梁殿是开元寺中轴线上的最后一进大殿，说明该殿地位之高及当时佛寺建筑对藏经的重视。开元寺的其他建筑目前均已损毁，只有砖石砌筑的该无梁殿被保存了下来。该殿体量较大，是江苏省现存五座无梁殿中建造最迟、制作最精美的一座。开元寺无梁殿于1956年被列为江苏省文物保护单位，2013年被列为全国重点文物保护单位。

图1：开元寺无梁殿

为了得到开元寺无梁殿的真实尺寸信息并分析其建筑形制，对该建筑进行了精细测绘，该建筑的精确测绘图如图2所示。基于测绘图建立了开元寺无梁殿的精细三维模型如图3所示。该无梁殿坐北朝南，平面呈长方形，外立面面阔七间，实际内部面阔五间，一层进深四间，二层进深三间，平面为18米×9.4米，高为15.57米。下层正立面设三门二窗，均为拱形，背立面设五窗。上层明间设一拱窗，次间和梢间的拱窗均未贯通。

图2：开元寺无梁殿测绘图

图3：开元寺无梁殿的精细三维建模图

开元寺无梁殿外观体现了中国传统木构建筑的形式做法，而实际为砖砌体建筑结构。砖、木材料特性的不同又让它具备了区别于传统木构建筑的特色。仿木构的形式是出于人观念的被动选择，而材料特性的不同就需要从空间、形制和结构三方面做出变化、适应和发展。

空间分析

开元寺无梁殿底层面阔L=16.285m，进深W=8.6m,L/W=1.89。室内隔墙的设置沿用了木构建筑“间”的概念，将承重墙建在外墙的柱网轴线上。一层明间和两次间由一横向筒拱贯通，两梢间各设一纵向筒拱。二层次间和梢间分别用两横向筒拱贯通，明间由纵横拱穿插并设一八角藻井。各纵横筒拱下是主要功能的大空间。原本一层用作库房，二层用作藏经。南、北面墙上开门窗洞口，与大空间的筒拱相连，作为出入口及通风采光之用。各大空间筒拱之间也由拱道相连。

为保证承重作用，无梁殿砖墙整体来说较木构建筑的墙厚重，导致空间更加封闭，同时窗洞面积较小，导致殿内采光不足；但墙体厚度又足够挖洞形成小龛、楼梯等小型辅助空间，既减轻了墙体的自身重量，又有助于维持殿内大空间。如图4 (a)，开元寺无梁殿的楼梯布置在山墙内，构造方式与砖塔上使用的“壁内折上式”相同，既减轻了墙体的自身重量，又能够使殿内空间不被割裂开。同时楼梯间顶部采用叠涩的方法用砖砌筑与楼梯坡度相近的天花。如图4 (b)，四周门窗洞、拱道和拱龛等小空间的拱卫之势更强化了大空间的中心感。

图4：开元寺无梁殿的室内空间

对于砌体结构建筑，结构支承点越集中则空间处理越灵活。纵观西方的砖石拱顶建筑，从罗马时期的筒拱演变为十字交叉拱及哥特式的肋拱，从半球形穹窿结构发展为带帆拱的穹窿结构，都体现出平面支承点的相对集中为空间组合带来的极大灵活性，使建筑获得更大的体量和更丰富的活动空间。而明代无梁殿多用筒拱，并无结构支承点集中的趋势。正是由于结构上筒拱的穿插结合，导致了支承点的分散，造成了内部空间的封闭和采光的不足。原因是作为储藏功能的无梁殿对防火、坚固和耐久等技术上的考虑，而非谋求更大的空间。

形制分析

明代无梁殿立面构图呈现一定的传统木构建筑特点，即分为台基、屋身和屋顶三部分。明代中后期无梁殿的台基在立面构图上分量较小，开元寺无梁殿台基与地坪仅两级台阶之差，且装饰较少、十分简洁。其变化的原因主要是建造材料由木材变为砖材，砖墙本身防侵蚀性能较木梁柱优越，使台基阻挡返水、溅落等潮朽木柱底部的功能明显失效，重要性与精致程度便随之降低，而逐渐退化。

屋身部位承重主体为砖墙，两立面上下两层各五根壁柱，柱头施以垂莲样式的雕刻装饰；两山下层各五根垂莲柱，上层各四根垂莲柱。无梁殿出檐较短，檐部分暴露在外。为了与平整的墙面形成强烈的“繁”与“简”的对比，檐下和柱间外露部位由各种异形砖制成的檐椽、飞椽、挑檐桁、挑檐枋、斗栱、平板枋、额枋等构件是仿木构的重点之处（图5）。这些构件虽为仿木构的形制，但在由于砖尺寸与特性的限制，无法做到与木构件拥有完全相同的形式与比例。开元寺无梁殿的额枋于角柱处出头，具有明清官式建筑的典型特征；而其平板枋断面又大于额枋，二者截面呈“丁”字状，具有宋代遗风。挑檐桁由两块半圆形砖拼砌而成，与挑檐枋之间用燕尾榫连接，是这一砖构建筑上少数可见榫卯之处。此外二层平坐的栏杆仅为浮雕化的装饰而无实用功能。

图 5：开元寺无梁殿的檐下仿木构构件

开元寺无梁殿的斗栱（图6）直接由砖烧制而成，外部出跳由砖直接烧制打磨而成，从墙体与斗栱的接缝处可以看出，斗栱的零部件根据其形制构造要求特殊烧制。该殿上下层正背立面各有五根檐柱，施柱头科五攒。各转角处施垂莲柱，角科为抹角栱。平身科布置方法两层不同。一层明间施平身科三攒，次间、梢间和尽间各施平身科二攒。二层明间施平身科三攒，次间、梢间和尽间各施平身科一攒。除明间正中斜栱外，各柱头科和平身科均为五踩重翘品字斗栱。明间正心平身科用斜栱，两侧45°出踩。尽间开间较小，因此各斗栱交接处做鸳鸯交首栱的形式。一层明间、次间和梢间的平身科交接处也做鸳鸯交首栱。每层次间、梢间和尽间平身科攒数相同而攒挡尺寸不尽相同，因而开间尺寸不同，说明在此类砖砌建筑中斗栱已经失去了作为建筑尺度和模数的意义。两山一层各有三根垂莲柱，施柱头科三攒；三进间各施平身科两攒。二层各有两根垂莲柱，施柱头科两攒；第一、三进间各施平身科一攒，第二进间施平身科三攒。斗栱制作时，较木构来讲出跳变小；为了制作方便和降低拼接难度，斗栱中各瓜栱和厢栱等长，各万栱等长。由于砖砌建筑中，斗栱只是作为木构建筑风格的展示品，并不像木构建筑中一样具有相当的承载作用，因此做法较官式木构而言更加灵活而不受力学性能限制。如耍头的云形雕饰、明间正心平身科两侧出踩的斜栱、各角科施抹角栱，以及柱头丁头栱上另施翼形栱并雕有龙头，体现了北方非官式做法的特点，而非江南地区所有[9,10,11]。

图6：开元寺无梁殿的砖砌斗栱

二层明间的八角藻井（图7）复杂精美，其构造先于室隅施叠涩之砖数层，上置一攒五踩斗栱构成藻井底边。在其上于各隅施垂莲柱，柱间联以横枋及华版，极似山西一带惯用之手法。再上一层，各以偷心翘二跳向内跳出，下层每面施翘二攒，转角一攒；上层则每面减为一攒，且略去转角之栱。这种顶层穹窿结构及藻井手法亦与江南建筑不同。

图7：开元寺无梁殿二层明间藻井

明代砖砌无梁殿的屋面大多为官式建筑中的歇山顶形式，开元寺无梁殿的屋面亦为两层的单檐歇山顶，翼角起翘较平缓。无梁殿建筑屋顶与传统木构建筑屋顶最显著的不同之处就是无梁殿屋顶出檐较小，这是由于建造材料的限制——无梁殿采用的是砖叠涩出挑。根据实测结果，开元寺无梁殿的腰檐出檐为1230 mm，屋檐出檐为930 mm。

郭华瑜[12]指出明代后期官式建筑大木构架屋顶剖面的不同之处包括举高加大、进深各步架深不等及折屋曲线特点的改变。在举高方面，明代官式建筑大木构架与宋《营造法式》[13]中的规定大致相符，而举高普遍大于或等于三分举一。根据现场测量，开元寺无梁殿的总举高为H=3528mm，前后挑檐枋心间长度B=9249mm,H/B=3528/9249=1/2.62比较接近宋《营造法式》[13]中“大木作制作图样二十六举折之制”的规定：总举高H/前后撩檐枋心间长度B=1/3，而又较之略有增大。因此，开元寺无梁殿的H/B值符合明代建筑官式大木作的举高特点。

在各步架深取值方面，明代建筑檐步大大超过金步和脊步。如果按照明代后期的步架取法推算，如图8所示，开元寺无梁殿斗口长为68 mm，约为清营造尺2寸。把屋面分为三步架，每步架约为22斗口长即1496mm。那么金步和脊步为22斗口时，檐步长为1796 mm即约26斗口，符合明代殿阁建筑檐步架深取值多合22～30斗口取值的特点。

图8：开元寺无梁殿屋面举架示意

在折屋特点方面，明代折屋脊步陡峻，举高多在十举上下；明代后期各步架在坡度取值上趋近整数比值，而整个屋面的高跨比却并非整数比值。开元寺无梁殿进深各步架举高如图8所示，各步架举高与架深的比值如表1所示。由表1中数据可以看出该无梁殿檐步和金步的举高较接近清《工程做法则例》[14]中七檩大木的檐步五举和金步七五举的规定，符合明代大木构架各步架在坡度取值上趋近整数比值，而整个屋面的高跨比1/2.62却并非整数比值的特点。脊步陡峻，符合明代大木构架脊步举高在十举上下的特点。

表1 开元寺无梁殿屋面举架分析

结构分析

明代无梁殿并不盲目追求仿木构，其内部结构采用了最适合砖砌体材料的拱券结构。采用拱券结构来承托楼面荷载和屋面荷载，充分发挥了砖砌体的抗压强抗拉弱的特点，在满足结构安全的前提下达到了美观耐久的功效。开元寺无梁殿共有五个主要筒拱券，分别为一层横拱、两个一层梢间纵拱、两个二层横拱。其余各门窗的券洞与主拱券穿插相连，包括二十二个立面门窗拱、两个一层横向连接拱、两个二层横向连接拱。各主拱矢跨比如表2所示。各门窗均用一券一伏的拱券。起拱砖的尺寸为330 mm×150mm×85 mm，墙身砖的尺寸为410 mm×200mm×110 mm。砖的长宽厚比大致为4∶2∶1，在灰浆可调整范围内便于错缝搭接。开元寺无梁殿大体采用顺砌，常采用大小砖调整，砌法不规则。

表2 开元寺无梁殿的拱券矢跨比

由表2可以得出，开元寺无梁殿的各主要结构筒拱拱券的矢跨比基本接近0.5，可以认为是半圆拱。而其余门窗拱券和连接拱的矢跨比为0.6～0.7，可以认为是双心圆拱。为进一步定量评估开元寺无梁殿拱券、承重墙等结构的受力特性，本文采用ANSYS有限元数值模拟的方法进行该无梁殿的结构性能分析。

为定量分析开元寺无梁殿的结构性能和结构安全现状，在精确测绘和现场检测的基础上采用商业有限元软件ANSYS 2020 R2对无梁殿结构进行了有限元数值模拟计算，分析其在静力作用下的主体结构的受力特性。

材性分析与荷载取值

根据现场材性测定、测绘数据和相关文献资料等，按偏保守的原则取值。由于开元寺无梁殿是古建筑文化遗产，不可对其进行取样或者有损检测，因此采用回弹仪进行无损检测确定其砌体材料参数。

开元寺无梁殿为砌体结构，砌体材料主要包括青砖和石灰粘接剂。砖的抗压强度检测采用回弹法，依据《砌体工程现场检测技术标准》（GB/T 50315-2011)[15]，现场抽取3片墙体随机选择10块砖每块砖均匀布置5个弹击点进行回弹测试，初步判定砖的强度等级为MU10。石灰粘结剂强度检测采用回弹法，依据《砌体工程现场检测技术标准》（GB/T 50315-2011)[15]，现场抽取3片墙体均匀布置12个弹击点进行回弹测试，判定石灰粘结剂抗压强度平均值为1.0 MPa，根据《砌体结构设计规范》（GB 50003—2011)[16]计算得到如下材料参数取值：砖砌体取弹性模量为1.65 GPa，密度为1990 kg/m³，泊松比为0.15，其抗压强度平均值为2.64 MPa，抗拉强度平均值为0.141 MPa，抗剪强度平均值0.125 MPa。根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012)[17]，开元寺无梁殿屋面活荷载取0.45 k N/m²，二层楼面活荷载取3.5k N/m²，恒荷载取自砌体自重，建筑底部与地面考虑为固定约束。采用三维造型软件Rhino7建立适当简化的实体模型（图9 (a)），并采用商业有限元软件ANSYS Workbench 2020 R2划分单元建立有限元模型。模型采用64340个SOLID186六面体单元以模拟砖砌体，计算时采用线弹性分析方法，暂不考虑原有结构缺陷，有限元模型如图9 (b)所示。

图9：开元寺无梁殿几何模型和有限元模型

结构静力计算结果

利用ANSYS求解开元寺无梁殿的静力作用结果，得出其位移和应力云图。对于砖石砌体等脆性材料，其拉、压应力的最大值方向往往不沿坐标轴方向，因此宜选取第一主应力及第三主应力进行分析。认为第一主应力超过砌体材料抗拉强度即产生拉裂；第三主应力超过砌体材料抗压强度即产生压溃。

图10为开元寺无梁殿在静荷载作用下的位移云图，从中可以看出，整体上位移从下到上有逐渐增大的趋势，位移最大发生在二层藻井顶部，最小发生在地面约束处。该无梁殿在静荷载作用下的位移符合实际变形情况。从位移分析可以看出该建筑较为对称，未出现明显的倾斜情况。

图1 0：开元寺无梁殿位移云图

图11为开元寺无梁殿在静荷载作用下的第一主应力云图。由图11可以看出，第一主应力最大值出现在一层楼梯间的顶部，为0.263 MPa，而该建筑砖砌体的抗拉强度平均值为0.141 MPa，砌体构件在第一主应力超过抗拉强度平均值的部位易发生拉裂。此外各拱窗下槛墙位置也是拉应力较大处。原因在于各拱拱脚会承受较大压力，在侧推力的作用下两拱脚之间的槛墙变形，产生较大拉应力。各拱顶部拉应力亦较大，各拱窗和拱门处会出现斜向45°的X形的应力增大区。拉应力较大处是易发生开裂的位置。如图12，在现场勘察时，发现一层八个拱窗下槛墙均已做过整修，两侧一层拱形过道顶裂缝已做过修补，二层次间拱顶和拱窗顶均出现裂缝。有限元分析结果中各拉应力超过砖砌体抗拉强度处与开元寺无梁殿现场各出现的裂缝和整修位置较为吻合。

图1 1：开元寺无梁殿第一主应力云图

图1 2：开元寺无梁殿现场勘察的整修和破坏情况

图13为开元寺无梁殿在静荷载作用下的第三主应力云图。由图13可以看出，第三主应力最大值出现在一层靠近楼梯一侧连接次间和梢间的拱形过道的拱脚处，为0.825MPa，而该建筑砖砌体的抗压强度平均值为2.29 MPa，可以认为在受压的区域较为安全。开元寺无梁殿的受压构件布置较为合理，在静荷载作用下暂不会发生砌体压溃破坏。一层各拱拱脚均会承受较大压力，压力较大处是后续可能发生压溃的位置。

图1 3：开元寺无梁殿第三主应力云图

综合上述静力分析结果，在竖向静力荷载作用下，开元寺无梁殿的结构安全存在一定安全隐患，一层楼梯间顶部、各拱窗下槛墙和各拱顶的拉应力较大，已经超过了砌体材料抗拉强度，容易发生受拉破坏，有限元分析结果与现场各出现裂缝处和整修位置较为吻合；而一层拱形过道底部和一层拱窗的拱脚处压应力较大，随着结构的老化此处可能发生受压破坏。建议在平时的维护和监测中，着重关注结构的这几个部位。

苏州开元寺无梁殿是明代砖砌无梁殿的典型案例，对该类型建筑遗产的建筑形制和结构性能的研究是制定其保护修缮方法的基础。通过对该无梁殿的建筑形制和结构性能研究，得出了以下有价值的结论：

(1）开元寺无梁殿是明代官造砖砌无梁殿的代表。在空间上，用不同尺寸的拱营造不同功能的大小空间。在形制上，采用仿木构的形式而又不盲目追求一致，基本符合明代官式建筑大木作的特点，而细部做法上又有北方非官式做法的体现而不似江南建筑常见做法。在结构上，采用了拱券结构，各门窗的券洞与主拱券穿插相连，充分发挥砖砌体材料抗压强度高的特点。

(2）开元寺无梁殿一层楼梯间顶部拉应力最大，各拱窗下槛墙和各拱顶的拉应力较大，第一主应力数值已超过材料抗拉强度，是易发生开裂的位置。一层拱形过道底部和一层拱窗的拱脚处压应力较大，后续在水平荷载叠加时可能会发生受压破坏。因此，建议后期在对该建筑的加固修缮中，重点对这些部分进行加固补强处理。

(3）在对该类型建筑遗产加固修缮设计前，应进行精细测绘、材料测试、残损调研以及主体结构的计算分析，找出其外在病害和结构危险处，为加固修缮设计提供科学依据。

注释和参考文献：略

作者： 马宇坤，淳庆，吴远德    

文章来源：古建园林技术，2022年05期

原题目：《明代开元寺无梁殿的建筑形制及结构性能研究》

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