教堂的結構構成,不只是拱頂而已

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一提到教堂,我們立刻想到高大、神聖、威嚴,早在公元10世紀至11世紀,歐洲各封建領主便熱心於在自己的領地上修建規模壯觀的修道院和教堂教堂也成了教皇統一思想的重要場所。那時教堂建築採用典型的「仿羅馬式樣」(Romanesque,亦稱「羅曼式」)拱券結構。

「仿羅馬式樣」(Romanesque,亦稱「羅曼式」)教堂
「仿羅馬式樣」(Romanesque,亦稱「羅曼式」)教堂

仿羅馬式教堂平面大多為「拉丁十字」,典型的特點為厚牆、圓拱頂、長走廊以及大墩柱。為平衡拱頂的推力,兩側的牆體十分厚重,也就導致無法開很大的窗戶,內部幽暗高大,顯得渾厚而莊重。

仿羅馬式教堂平面大多為拉丁十字平面
仿羅馬式教堂平面大多為拉丁十字平面
施派爾主教座堂(Speyer Dom)
施派爾主教座堂(Speyer Dom)

到了中世紀,天主教會統治西羅馬帝國,此一時期興起了封建社會下壯麗發展的產物──哥德式藝術。哥德式教堂由羅曼式的交叉圓拱變成了交叉尖拱,受力模式由側牆承受推力演變為沿著拱交線(肋)經過柱傳力的「框架模式」。

羅曼式到哥德式,同時藉由兩側的「飛扶壁」與端部厚實的拱壁形成一個「有側移框架」來抵抗水平推力。
羅曼式到哥德式,同時藉由兩側的「飛扶壁」與端部厚實的拱壁形成一個「有側移框架」來抵抗水平推力。
飛扶壁
飛扶壁

如此操作的好處就在於可以在內堂側壁開大窗了,在窗間的彩色玻璃上勾勒宗教故事,讓很多不識字的信徒們明白聖經的故事。

哥德教堂彩窗壁畫
哥德教堂彩窗壁畫

高矢高的尖拱相較於半圓拱推力減少很多,在建造過程中,首先準確設置交線肋,並以此為鷹架進行施工,形成拱面,給施工帶來了方便。

結構圖解
結構圖解

亞眠大教堂(Cathédrale Notre-Dame d’Amiens)被稱為法國最華麗、完美的哥德式教堂。此建築的形態,使上述哥德式建築的特色都得到了最完美的展示。

亞眠大教堂(Cathédrale Notre-Dame d'Amiens)
亞眠大教堂(Cathédrale Notre-Dame d’Amiens)

同時期在東歐拜占庭帝國,東正教一統天下,與天主教常年相互diss,自稱正統。自然建築形式不能一樣,典型的東正教堂平面大多為「希臘十字」(比拉丁十字稍短一些),以一個中央穹頂向四周輻射。

希臘十字
希臘十字

說到穹頂,大約公元128年建於義大利的萬神殿算是起點,直徑43.3m,矢高也是43.3m,穹頂1.6m厚,其維持了1700多年世界最大穹頂的記錄,直到19世紀鋼結構的使用。

羅馬萬神殿
羅馬萬神殿

其營造方法是先用木模板做臨時支撐,砌築磚拱做主體結構,然後在磚拱之間澆灌「混凝土」(火山灰+碎石塊),內側經緯交錯的肋格減小了穹頂的厚度和重量,並形成了內凹的紋格,為平衡巨大的推力,側壁接近6公尺厚。

建造萬神殿
建造萬神殿

由於萬神殿的平面就是圓形,穹頂可以平滑的過渡到側牆上,但一般的平面為矩形,工匠們採用「穹隅」的手法(也叫帆拱)來解決此一問題,穹頂的力藉由四個球面三角形平緩傳遞。

穹隅(帆拱)
穹隅(帆拱)

聖索菲亞大教堂的中央穹頂就是一個經典的例子,為平衡推力,東西側分別搭建了一個小穹頂以及通長的桶形拱頂,南北側則在根部建造了厚實的外牆。

聖索菲亞大教堂
聖索菲亞大教堂

文藝復興時期,隨著馬丁‧路德的宗教改革,哥德式教堂不再受到建築師的親睞,但是由於當時的力學水平和建築材料不夠先進,真正能成功完成並保留至今的穹頂教堂為數不多。

聖母百花大教堂(St.Maria del Fiore)
聖母百花大教堂(St.Maria del Fiore)

留存的經典當屬聖母百花大教堂(St.Maria del Fiore),穹頂為八角形,由於下部牆體壁厚需求4.2公尺,建築師選擇建造雙層穹頂中間鏤空來減輕重量,建造時,除了8根交線肋,每邊還有2根豎向肋,在穹頂底部,工匠用了木構造環箍想要形成拉力環來平衡側推力,但由於節點構造以及剛度差別太大,小i覺得似乎起不到太大的作用。

聖母百花大教堂建造年限
聖母百花大教堂建造年限

之後的教堂百花齊放,又衍生了許多新風格,巴洛克風、洛可可風…隨著建造技術的發展、材料的創新以及力學的發展,現代的教堂不再侷限於教堂的傳統形式,而是藉由空間、人的體驗來製造神聖的氛圍。

廊香教堂
廊香教堂
光之教堂
光之教堂

 

砼/混凝土

Bosjes Chapel
Bosjes Chapel

這座新教堂位於南非的一個葡萄園內,由Steyn Studio設計。混凝土薄殼形態模仿了周圍山脈的輪廓, 在屋頂結構的波峰處,藉由木造十字架和玻璃窗裝飾外立面。

感謝現場澆灌混凝土,讓這個小教堂有了優雅別緻的形態。

Bosjes Chapel木模版搭建
Bosjes Chapel木模版搭建
Bosjes Chapel木模版搭建
Bosjes Chapel木模版搭建

 

空軍士官學院教堂
空軍士官學院教堂

美國科羅拉多州空軍士官學院教堂由SOM設計,設計之初因獨特的外形飽受爭議,但隨著時間的推移,已經成為現代主義建築的經典。

設計圖紙
設計圖紙

建築高46公尺,長85公尺,寬26公尺。最初設計由1九個方尖塔組成,後期因為預算原因減少到1七個。為了降低施工難度同時控製造價,結構由100個相同完全相同的四面體組成,每個四面體長23公尺,重5噸。

教堂建造
教堂建造

四面體單元採用鋼管桁架,鋁板覆面。四面體單元間彼此空開0.3cm,在構架中形成窄縫,填充25mm厚的彩色馬賽克玻璃,以增加其宗教元素。

馬賽克玻璃
馬賽克玻璃

木材

Agri Chapel 結婚教堂是一間位於日本長崎市的木結構教堂,由Yu Momoeda百枝優建築師事務所設計
Agri Chapel 結婚教堂是一間位於日本長崎市的木結構教堂,由Yu Momoeda百枝優建築師事務所設計

Agri Chapel 結婚教堂是一間位於日本長崎市的木結構教堂,由日本建築師百枝優(Yu Momoeda)設計。教堂被環抱在一個大型的國家公園,可以直接眺望大海,景觀十分優美。

分層圖解
分層圖解

Agri Chapel 結婚教堂的抗側力體係為四角的L型牆體,內部三層樹形柱僅承受屋頂豎向荷載(25t),地面層為四個120mm見方的柱體單元,中間層則由八個90mm見方的柱體單元組成,頂層由1六個60mm見方的柱體單元組成,每層藉由鋼套管實現45度轉向。

Agri Chapel 結婚教堂
Agri Chapel 結婚教堂
托柱轉換節點
托柱轉換節點

由於節點均為鉸接,樹枝之間藉由12mm和16mm的拉桿確保結構體系成立,結構的冗餘度較低,所以保持絕大部分桿件應力比在0.5以下。

桿件應力比
桿件應力比

樹枝之間形成正交的拱形,打造出新時代獨特的和風哥德主義。

 

紐西蘭Cardboard Cathedral
紐西蘭Cardboard Cathedral
Cardboard Cathedral
紐西蘭Cardboard Cathedral

基督城(Christchurch)是紐西蘭南島最大的城市,St. John the Baptist教堂是島上第一座教堂,可惜在2011年裡氏6.3級的大地震後被拆除。當地政府決定建造一座臨時建堂以等待新教堂完成。

紙板教堂搭建
紙板教堂搭建

紙板教堂應運而生,高21m,由96根直徑60cm紙筒的紙紙筒構成三鉸拱。由於當地無法生產足夠厚的管子又不接受進口,所以管中採用壓層木板進行加固。紙管外有防火和防水塗料,外側屋頂覆蓋碳纖維板。

紙管力學性能試驗
紙管力學性能試驗

日本建築師坂茂在TEDxTokyo演講中曾提到,「地震不會殺死人,殺死人的其實是建築,我們一直都為權勢和金錢建造房子,自古以來都是,永久的混凝土可以很快傾倒,臨時的紙板或許可以永久屹立。」

1995年阪神大地震後,阪茂與上百位志工花費5周搭建了第一個紙板教堂—高取紙教堂(Takatori Catholic Church)
1995年阪神大地震後,阪茂與上百位志工花費5周搭建了第一個紙板教堂—高取紙教堂(Takatori Catholic Church)

早在1995年阪神大地震後,阪茂與上百位志工花費5周在大阪搭建了第一個紙板教堂—高取紙教堂(Takatori Catholic Church),2006年,紙板教堂拆卸後捐給了受921大地震摧毀的台灣南投埔里災區,命名為「Paper Dome」。

紙教堂新故鄉見學園區Paper Dome
教堂新故鄉見學園區Paper Dome

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