从中国双曲砖拱技术的演进再论同济大学电工馆
Technological Embodiment
Re-Discussing Tongji University's MEE Building Based on the Technological Evolution of Double-Curvature Brick Vault in China
董斯静 彭怒 DONG Sijing, PENG Nu
Abstract
文章对照20世纪50年代初中国引进的苏联双曲砖拱的技术规程和应用指导，以及同期建造的双曲砖拱建筑大量出现的开裂和倒塌问题，分析了同济大学电工馆的设计和建造过程，旨在对电工馆的技术特征、技术价值，以及技术作为设计的主导要素所引发的建筑形式处理进行深度挖掘。文章指出：首先，电工馆是尝试调和苏联建筑技术规范和实际建造条件的一次审慎实践，这集中体现在1/2砖厚砌筑和由此引发的一系列加大结构冗余的构造做法，以及根据上海地区抗震条件对苏联规程中双曲砖拱极限跨度的调整；其次，电工馆是中国少有的以无肋拱形式建造，带有点式采光天窗的双曲砖拱顶建筑的早期实例和珍贵遗存；此外，它也是一件建筑立面形式和空间处理暗合双曲砖拱顶房屋建造逻辑的精美良作。
引文格式：董斯静，彭怒．技术赋形——从中国双曲砖拱技术的演进再论同济大学电工馆[J]．时代建筑，2024（3）：118-127.
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1 研究缘起和研究问题
在中国建筑学界，有关双曲砖拱技术的历史文献集中出现在20世纪50年代。当代学者对双曲砖拱的深入研究并不多见，朱晓明和夏珩可谓翘楚。20世纪50年代，中央纺织工业部设计公司翻译组翻译的《砖石双曲拱型砌体设计及施工规程》（1953年）、张有恒翻译的《砖石双曲拱顶设计及施工规程》（1954年）、施嘉干编译的《双向拱顶应用概要》（1954年），作为当年从苏联引进的技术规程和应用概要，是今天我们研究双曲砖拱顶历史的重要基础文献。电工馆的设计与施工主要参考了纺织工业部设计公司翻译组的译本，该译本对本研究尤为重要。
朱晓明、祝东海在双曲砖拱从苏联到中国的规范转移视角和技术传播脉络中，对同济大学电工馆展开过研究。他们的文章不仅溯源了苏联专家拉宾诺维奇（А. И. Рабинович）对砖砌双曲拱顶技术的发明（1942年）及获得专利（1946年），梳理了纺织工业部对砖石双曲拱顶俄文版技术指导规程的引进，以及纺织企业对双曲砖拱技术的应用和推广，还实地寻访了与电工馆同期建设的上海锅炉厂、上海电缆厂的双曲砖拱厂房。[1]94-102夏珩等从建构角度[2]研究了合肥柴油机厂 ②（1972年）的3个砖拱壳建筑，其中铸造车间与模具车间为广义的双曲砖拱顶。建于20世纪50年代的电工馆和建于70年代的合肥柴油机厂两个车间，虽然拥有相同的屋顶结构形式，却采用了不同的砖材和不同的砌筑工艺。电工馆采用了当时中国的标准红砖，合肥柴油机厂的两个厂房则采用了1969年由中国砖瓦工人创制的、带沟槽的拱壳砖。③除了多种类型的建筑曾应用双曲砖拱屋盖，1964年开始，这一舶来的结构形式被创造性地运用于农用双曲砖拱桥，并在六七十年代推广至双曲拱桥及渡槽，其中最有代表性的是常熟洞港泾老街全砖砌、无肋的胜利桥。 ⑤这说明，双曲砖拱技术在中国的发展并非对苏联技术的一种简单应用，在砖材开发、建造类型等方面都有所拓展。
对电工馆的研究，已前有珠玉。朱晓明的文章不仅梳理了双曲砖拱的技术源头以及在中国建筑中的技术传播，而且对电工馆的设计价值和遗产价值做出了评价：“在勤俭建国、节约‘三材’的方针下，苏联建筑规范在中国转移的实证。……一件兼具‘苏联式’结构与江南传统建筑特征的工业遗产精品。”[1]94
本文为什么还要从双曲砖拱的技术出发，对电工馆展开研究？
笔者的研究尝试回答以下问题：首先，在20世纪50年代中国建造的一批双曲砖拱建筑中，同济电工馆所采用的1/2砖厚的双曲砖拱有何普遍性和典型性，其独特的技术价值又是什么？其次，与电工馆同期建造的双曲砖拱建筑，大量出现了开裂和倒塌问题。电工馆采取了什么设计和建造措施，能够在建成后屹立近70年不倒，且墙体、拱顶完好无损？在结构技术成为整个建筑的设计主导要素情况下，结构和建造的要求是否引发了建筑形式和空间等方面积极的回应？
2 双曲砖拱技术及电工馆设计概况
双曲砖拱顶是由多组砖砌的双曲小拱壳纵向连续排列形成的屋盖形式（图1）。双曲砖拱沿跨度方向和拱波方向的断面皆为曲线拱。曲线拱可以是抛物线拱、悬链线拱或圆弧形拱。
1. 双曲砖拱结构组成部分
如果分析双曲砖拱的受力，以一个拱波段为例，由于大拱圈的横截面为拱形曲面，与单曲拱的平截面相比，其截面惯性矩 ⑤大为增加，截面应力大为减少，刚度和强度相应增加很多。由于拱结构以轴心受压为主，可以采用砖材这类抗压性能好、抗剪抗拉性能差的砌体材料代替钢筋混凝土，来砌筑较大跨度的双曲砖拱屋盖。
1942年，双曲砖拱由苏联中央工业建筑科学研究院砖石结构研究室副博士拉宾诺维奇发明，曾广泛用于厂房、仓库、剧院等建筑类型。苏联的双曲砖拱通常采用1/4砖厚砌筑，跨度可达18 m，仅在个别大跨度、大荷载情况下，才采用1/2砖厚度。
1953年，中国纺织工业部在纺织企业中率先应用并推广双曲砖拱顶建筑，北京国棉一厂建成了中国第一座双曲砖拱顶建筑。双曲砖拱成为当时低技建造大跨度建筑的“权宜之计”。与20世纪50年代常用的钢筋混凝土屋架、钢木屋架、木屋架相较，双曲砖拱以砖材代替钢筋、混凝土和木材，移动木模板消耗木材也较少，节省“三材”（钢材、水泥、木材）且造价较低。双曲砖拱顶被用作某些跨度在4~24 m之间的工业、仓库、农业、公用等类型建筑物的屋盖。
同济大学电工馆（1954年设计，1955年建成）是中国在20世纪50年学习苏联双曲砖拱结构技术的早期实例。电工馆建成时，由南北两组“三联拱”和中间较为低矮的连接体组成（图2）。每组“三联拱”包含两个13.43 m跨度的边拱和一个13.49 m跨度的中拱。北面的“三联拱”，主要功能为电路实验室、电机实验室、模型室、设备间、汽车修理和修配场；南面的“三联拱”，主要功能为砖石实验室、木工工坊、建筑机械保养坊和模型室；中间连接体为小院、门廊和卫生间等。2006年，电工馆中间的连接体和南面一组“三联拱”被拆除，只余北面一组“三联拱”。
2. 同济大学电工馆平面图
绘制于1954年的电工馆结构施工图，注明了设计与施工主要参考的两份资料：一是1953年纺织工业部设计公司翻译组翻译的《砖石双曲拱型砌体设计及施工规程》（以下简称《规程》）（图3），俄文版规程由苏联重工业企业建设部1950年正式颁布（И-133-50）；二是倪继淼结合济南市交通大楼礼堂双曲砖拱屋顶实例，在1954年第8期的《工程建设》中发表的《双曲砖拱的设计和施工》一文（图4）。这两份参考资料为电工馆提供了技术标准、设计步骤、施工方法和参考实例。在结构施工图上，还出现了对双曲砖拱概念、主要组成部分、施工脚手架组件（模架、支架、准模）的名词解释，以及双曲砖拱的剖轴测图（图5）。施工图上出现这样的信息比较罕见，说明双曲砖拱的设计和施工在电工馆设计时是一种新技术。
3. 1953年《砖石双曲拱型砌体设计及施工规程》译本封面
4. 发表在第53期《工程建设》上的《双曲砖拱的设计和施工》一文
5. 双曲砖拱的名词解释和剖轴测示意图，电工馆施工图，1954年
3 技术与形式：电工馆双曲砖拱的设计与建造
3.1结构处理与建筑平面布置结合
《规程》指出承受拱型砌体水平推力的三种结构处理方式：1）金属横拉杆；2）墙垛或与建筑物跨度相连接的侧屋之横墙；3）基础（图6）。《规程》还指出，当拱的水平推力由拉杆或横墙所承受时，对建筑地基的土壤无须特别要求。水平推力如为墙垛所支承或分布于基础墩座，只可砌筑于许可耐压力不小于1.5 kg/cm2的土壤上。建于20世纪60年代的青铜峡双曲砖拱粮仓和70年代的合肥柴油机厂铸造车间，分别采用了墙垛和侧屋横墙来承受砖拱的水平推力。电工馆的主要功能为实验室等大空间，只有少数辅助功能小空间。由于没有足够多均质单元的辅助小空间，且拱体长轴方向为78.9 m，电工馆无法采用横墙方式来平衡侧推力。
6. 承受拱顶水平推力的三种方式
在无碍室内功能使用并考虑上海软土地基的情况下，电工馆采用金属拉杆抵抗水平侧推力，无疑是简单有效的方式。用拉杆抵抗拱的水平侧推力的做法，同样出现在1959年设计的同济大学学生礼堂兼餐厅的联方网架筒拱结构里。与电工馆不同的是，学生礼堂兼餐厅因观演功能要求，拉杆无法设置在筒拱拱脚处，而位于支撑筒拱屋盖两侧三角形支架的底部，埋于地下（图7）。电工馆的钢拉杆从拱脚下砌体所预留的孔洞中通过，沿相邻拱波的衔接线，以间隔2.5 m的拱波宽度设置（图8）。
7. 同济大学礼堂的钢拉杆设置
8. 电工馆钢拉杆设置
3.2 中国普遍采用1/2砖厚做法及电工馆1/2砖厚做法的特殊考虑
3.2.1 双曲砖拱顶的两种砌筑方法：1/4砖厚和1/2砖厚
电工馆的实践并非对苏联双曲砖拱技术规范的简单应用，而是一次尝试调和苏联技术规范和实际建造条件的审慎实践。这集中体现在电工馆选择1/2砖厚砌筑拱顶，并形成较大的结构安全冗余。从结构受力来看，双曲砖拱是一种刚度很大的波浪形薄壳，可以用较小厚度（1/4砖厚）形成较大的跨度。在20世纪50年代引入中国时，苏联双曲砖拱的技术做法正发生一些改变。苏联1950年正式推行《规程》（И-133-50）前，当跨度很大（大于15~18 m）、拱升度小或雪荷载很大时，双曲砖拱横断面曾采用过加强两波相接处凸肋的做法（图9）。
9. 带肋双曲砖拱
后经过实际建造和验算，结果表明用肋加强双曲砖拱效果不佳。一方面，肋使砖拱的构造更为复杂；另一方面，当温度形变较大时，肋会与拱脱开，破坏结构的整体性。至1950年，苏联中央工业建筑科学研究院砖石结构实验所的实验已证明，每一个拱波与邻接的拱波之间即使不设肋，也有足够的负载能力，同时可在一整个波宽范围内设置采光孔洞和横向天窗。此时，开设采光洞口的拱波所受荷载可被传至邻接的、未设窗洞因而强度不减的拱波上。因此，《规程》建议只采用无肋拱，也仅涉及无肋拱型砌体。《规程》指出，在跨度大及荷重大，1/4砖厚拱的承载力不足时，可把拱厚加至1/2砖厚。[3]
1/4砖厚、1/2砖厚的做法，分别对应苏联双曲砖拱技术传入中国时的两种砖砌方式：平砌砖拱和侧砌砖拱。砖砌双曲拱由1/4或1/2砖相互连接的薄壁小拱（拱波）所组成，形成刚度极大的波状面。1/4砖厚的拱形砌体，将砖平砌，砖的长边与砖拱跨度方向一致。为使相邻两个拱波连为一体，两波交接处的两行砖相互错开1/4砖以形成错缝。平砌砖拱的拱波宽度为1.0~2.5 m。1/2砖厚的拱形砌体，将砖侧砌，砖的长边与拱跨方向垂直。两波交接处，相邻两行砖块交错砌筑，使灰缝错开。侧砌砖拱的拱波宽度为2~3ｍ（图10、图11）。双曲砖拱的拱顶厚度，若单纯从受力角度考虑，主要根据跨度、荷载和其他条件来选择1/4砖或1/2砖。当跨度较小、荷载较小时，宜采用1/4砖厚。反之，当跨度较大、荷载较重时宜采用1/2砖厚。从电工馆室内屋顶的砖砌纹理可以清晰看到，其采用1/2砖厚的砌筑方式，即侧砌砖拱。电工馆双曲砖拱采用红砖砌筑，查阅建筑施工图的室内装修材料表，内粉刷仅涉及墙面和少量房间的平顶，可见双曲砖拱顶室内应为清水红砖。因功能改造和翻新，现室内砖拱顶的砖面已被涂成青灰色，砖缝勾白（图12）。
10. 1/4砖厚双曲砖拱（左）和1/2砖厚双曲砖拱（右）
11. 1/4砖厚双曲砖拱（左）和1/2砖厚双曲砖拱（右）砌筑方式轴测示意图
12. 电工馆室内双曲砖拱顶，原为清水红砖。现砖拱顶的砖面被涂成青灰色，砖缝勾白。
苏联的双曲砖拱多采用1/4砖厚，仅在个别情况下采用1/2砖厚。1952年，拉宾诺维奇在苏联建筑杂志《建筑工业》5月刊上发表《双重曲线的薄型拱屋顶》，1952年底被翻译在中国的《工程建设》杂志第11期。文章指出：“1/4砖厚的双曲拱型建筑之最大跨度，决定于最大的作用力。依照规定荷重，屋顶及嵌料的重量为200 kg/m2，并采取中部地区的积雪荷重（当拱高为f/l＝1/5时，屋顶的积雪荷重为100 kg/m2及作用的积雪荷重Pc＝50 kg/m2）。1/4砖厚的双曲砖拱的拱形建筑，跨度可以达18 m。若积雪荷重比较小，或拱高较大时，跨度尚可加大；因此1/4砖厚的双重曲线拱形建筑，遂为通常采用的型式。仅在个别情况下，当采取大跨度及大荷重时，拱型才采用1/2砖的厚度。”[4]
3.2.2 中国普遍采用1/2砖厚做法：与苏联标准砖材和建造技术的差异
与苏联普遍采用1/4砖厚砌筑不同，当时中国的双曲砖拱实例大部分采用了1/2砖厚，即使是在拱跨远未超过1/4砖拱所适用的18 m跨度时仍如此。1957年前后，电工馆的结构工程师张问清就双曲砖拱的结构稳定性问题，对北京、天津和上海地区展开过调查。他指出，在调查的33栋双曲砖拱中，单跨有11栋，其余均为两跨或三跨，跨度为9~18 m。除上海锅炉厂和电机厂两栋12m跨度和一栋9 m的双曲砖拱采用了1/4砖厚，其余30栋均采用1/2砖厚。[5]
就电工馆而言，边拱拱跨13.43 m，中拱拱跨13.49 m，拱升度3.6 m左右，拱波宽度2.5 m、高度0.6 m。电工馆的拱波高度、宽度均取自《规程》中所附的“拱顶截面的计算特征数字”表中的圆弧形拱波计算截面的一组数值（图13）。在拱型房盖中，由于拱的拉杆和支撑点的结构计算需引用拱波的横断面，故为方便结构计算，一般进行拱体设计时，拱波横截面的数值会直接参照表中数值选用。
13. 拱顶截面的计算数字表
从该表可看到，电工馆拱跨既未超过1/4砖厚、拱波宽度为2.5 m且高度为0.6 m的砖拱顶拱跨限制的18 m，更远未超过1/2砖厚、拱波宽度为2.5 m且高度为0.6 m的砖拱顶拱跨限制的21 m。从跨度来看，电工馆完全可以采用1/4砖厚，但却采用了1/2砖厚砌法（图14）。电工馆双曲砖拱所用材料标号也高于《规程》要求。电工馆的施工说明指出，拱型砌体采用100号标准机红砖（24×11.4×5.3 cm）， ⑥而在苏联规程中对跨度在18 m以内的拱跨，砖的标号要求不低于75号。虽然当时中国和苏联各自有不同的砖石材料标号等级，但二者皆采取相同的标号计量单位，即kg/cm2。
14. 电工馆拱波砌筑
事实上，20世纪50年代乃至其后相当长一段时期内，中国的双曲砖拱顶普遍采取1/2砖厚的做法，主要源于新中国成立初期标准砖材厚度（5.3 cm）小于苏联标准砖材厚度（6.5 cm）的客观现实，以及砖材质量相对较差和双曲砖拱顶建造技术尚未成熟。
在电工馆设计与施工主要参考的《双曲砖拱的设计和施工》一文里，倪继淼就平面尺寸为30.5×14.65 m的济南市交通大楼礼堂建筑实例之所以采用1/2砖厚，做出了解释，“当时苏联拱壁厚度一般是1/4砖（即6.5 cm）。当跨度超过18 m，厚度为1/2砖（即12 cm）。但考虑到我国砖尺寸较小（厚度为5.3 cm）且质量较差，另一方面技术水平较低，故拱壁厚度决定用1/2砖（即11.5cm）” [6]。需指出的是，当时苏联的标准砖尺寸规格为25×12×6.5 cm。从1951年起，中国建筑部门已经注意统一砖的尺寸，开始推行规格为25×11.5×5.3 cm的标准砖。在这之前，由东北人民政府颁布的《东北建筑材料采买验收暂行规格》中，尚规定红砖标准尺寸为25×12×6.0 cm及21×10×5.5 cm两种。这种引进外来技术规范时因地制宜的意识，在1954年由施嘉干编著的《双向拱顶应用概要》（以下简称《概要》）中也得到体现和印证。《概要》针对苏联《规程》中的“拱顶截面的计算特征数字表”指出：“必须根据适合国内材料情况的计算表来设计……第8项极限拱跨所列数字，又是根据苏联生产质量均匀之标准砖规定，对于国内目前的生产状况亦有出入。”[7]
当时已有文章对1/2砖厚的普遍性做法提出了结构经济合理性的质疑。王建申发表在1955年第8期《建设工程》上的《有关双曲砖石拱顶建筑的一些问题》一文，专门对“拱顶采用1/4砖厚的问题”展开讨论。他就某双曲砖拱仓库拱顶采用1/2砖厚，并因其建于地震区内而加粗拉杆的做法指出，“我们可以试加核算，所用拉杆，还是未免失之过粗。因之该仓库每平方公尺造价高达110余万元（旧币）也就难怪了。”[8]15文章还指出：“各地所建双曲拱顶，不论拱跨与荷重大小，大都采用1/2砖厚的拱顶，很少采用1/4砖厚……在已建成的双曲拱顶建筑中，亦有原设计为1/4砖厚的，可是施工前临时改成了1/2砖厚……理由呢，或许有认为是施工赶不上设计要求的。”[8]15文章认为，1/4砖厚拱顶本身有着净重较轻的有利条件，即便中国的砖相较苏联薄了一点，但还是可以通过仔细计算后推广。文章还特意选用某工程1/4砖厚双曲拱顶的施工建造实例进行说明。
3.2.3 屋盖敞口天窗：电工馆选择1/2砖厚做法的特殊考虑
从荷载及双曲砖拱的结构刚度来看，电工馆有采用1/2砖拱厚度的需要。按《规程》规定的拱形砌体结构计算来看，在电工馆屋盖荷载中，恒荷载包括拱形砌体自重、保温防水层、屋顶天窗等；活荷载则主要计算雪荷载，在多数情况下并不考虑风荷载。⑦从电工馆图纸可看出，屋面防水卷材铺设、保温处理等构造做法均未超出苏联技术规程的常规做法。从1954年建筑工程部编制的《荷载规范试行草案1-54》初步划定的“全国最大雪深分区图”来看，上海当时属于III区，积雪深度在5~10 cm，计算雪载为10~20 kg/m2。以常识就能判断，电工馆的计算雪载，远小于苏联雪载取值以及《双曲砖拱的设计和施工》一文中济南市交通大楼礼堂屋顶的雪载取值。此外，电工馆双曲砖拱荷载计算中也没有类似吊车之类的集中荷载。
电工馆拱形屋盖上开设的若干采光通风敞口值得关注。这些敞口连同其上部天窗，对拱形屋盖荷载和刚度的计算都有影响。电工馆双曲砖拱顶的两个边跨，在第4、6、8、10拱波段上，开设3个底部约为40×40 cm的敞口。中间跨的敞口位置和数量，实际建成后同图纸不同。建成后，中间跨的敞口开设在第4、5、7、8、9、11、12共计7个拱波段上，且中间3个（第7至9）拱波段的敞口各有5个，两端的4个（第4、5、11、12）拱波段的敞口仍为3个（图15）。从1954年的电工馆屋面排水及下水道图纸可看到，中间跨原本从第4至10拱波段均布3个敞口。也就是说，实际建造的中间跨的敞口天窗数量增多了，从原设计的21个增加到26个。中间跨比两个边跨设计的敞口天窗要多，实际建造中又增加了中间跨的天窗数量。这与采光方式有关，中跨只能依靠天窗采光，边跨空间还可以通过纵墙开窗来采光。
15. 实际建造的电工馆采光天窗
有趣的是，电工馆图纸中有一张绘制于1954年9月的天窗详图，显示屋盖曾设计了沿拱跨方向布置的，长度约为11 m，宽度占满整个拱波的横向天窗（图16）。
16. 沿着拱跨方向布置的，未被建造的电工馆横向天窗
不过，这个横向天窗既未出现在其他图纸中，现存电工馆拱顶也未见这个横向天窗。《规程》规定，双曲砖拱中，当横向天窗的宽度相当于拱波宽度时，不论拱跨多少，拱厚都应采取1/2砖厚、拱波宽度为2.5~3.0 m。即便不考虑这个占满整个2.5 m拱波跨度的横向长窗，这些尺寸虽小但数量较多的敞口，势必将对拱形砌体刚度有影响，电工馆采用1/2砖拱厚就有必要。
从现存双曲砖拱建筑实例和相关资料来看，电工馆的特殊性在于：它是20世纪50—70年代，上海乃至中国的双曲砖拱顶建筑中少有的屋盖设通风采光敞口的实例。此外，它更是中国少有的、用无肋拱形式建造的带采光通风屋面敞口的双曲砖拱实例。1961年出版的中国高等学校试用教科书《工业建筑设计原理》同苏联施工规程一样，认为双曲砖拱屋盖结构只能在非地震区（或7级以下）建造。教材还指出，“跨度不大的无天窗的仓库或辅助建筑，并且地质良好以及施工技术水平和材料质量等符合设计要求时，才可以采用双曲砖拱。”[9]再如，在70年代，河北保定在建造6 000 m2带有拱顶开窗的毛纺车间时，选择的却是因《规程》的印发而逐渐被取代的1/4砖厚、带肋双曲砖拱屋盖。[10]
3.2.4 电工馆加大结构冗余的构造做法
从结构受力来看，由于1/2砖厚侧砌砖拱的自重约为1/4砖厚平砌砖拱的一倍，其产生的侧推力及引起的地震作用均比平砌砖拱大。出于抗震考虑，电工馆采用了高于《规程》要求的结构和构造做法。
首先，这体现在拱脚钢筋混凝土圈梁的设置上。《规程》规定，当拱的跨度大于15 m或矢跨比f/l＜1/5（其中f为拱升度，l为拱跨跨度）时，挑出的拱脚才须配以钢筋混凝土带。电工馆的矢跨比为1/4，最大的中间拱跨度未超过15 m，且无吊车设备。按当时苏联双曲砖拱技术规范来说，拱座处设钢筋混凝土带并非必须。从拱脚处的节点详图可见，这道钢筋混凝土带截面呈倒“T”形，长方形凸起部分可以避免拱脚在钢筋混凝土带上部移动（图17）。
17. 拱脚倒“T”形截面钢筋混凝土带
这种加大结构冗余的构造做法，在20世纪50年代并不少见。张问清的调研显示，当时他考察的33栋双曲砖拱建筑，跨度为9~18 m，其中只有上海电机厂12 m跨度的双曲砖拱建筑两跨均设3 t吊车。除北京国棉一厂、二厂14.44 m跨度的双曲砖拱没有设置钢筋混凝土圈梁外，其余建筑的拱座都设有钢筋混凝土圈梁。1955年，广东湛江建筑工程公司在新桥糖厂的仓库中应用双曲砖拱屋盖，仅10余米的跨度也使用了钢筋混凝土圈梁。[11]
不难推测，这一方面同当时双曲砖拱建造技术不成熟有关，另一方面也同当时对双曲砖拱结构的抗震性能认识不足，缺乏一套适应中国本土的建筑抗震设防规范有关。事实上，中国建筑抗震设防在20世纪60年代中期以前，都处于初步探索阶段。中国的第一代地震区划图——《中国地震烈度区划图（1957年）》，1957年由李善邦 ⑧ 等在苏联专家帮助下编制完成。从1974年的《工业与民用建筑抗震设计规范（TJ11-74）》，到1989年的《建筑抗震设计规范》（GBJ11-89），中国逐步完善了双曲砖拱屋盖在不同地震设计烈度下的跨度限制，以及诸如钢拉杆设置、山墙抗震构造措施等方面的规定（表1）。
表1. 中国建筑抗震设防规范中对双曲砖拱屋盖的技术规定
其次，加大结构冗余的构造做法也体现在电工馆的拉杆添加吊筋上。《规程》规定，拱跨如超过15 m，须以直径8~12 mm的圆钢制成的两根吊杆来固定拉杆。当拉杆为预防高温影响而外包混凝土或采取其他方法时，拉杆自重大为增加，也必须添加吊杆数量。从砖拱剖面图可见，电工馆虽跨度未超过15 m，但每根拉杆在拱跨1/3处各设置一根吊杆（图18）。吊杆的设置，无疑可平衡拉杆的自重并减少拉杆中部的弯矩，从而更好地平衡拱圈的侧推力。
18. 吊筋设置
3.2.5 双曲砖拱的开裂和倒塌问题：电工馆的应对措施
新中国早期建造的双曲砖拱建筑频频出现开裂和倒塌问题。因1955年中国医药公司北京分公司的双曲砖拱仓库发生倒塌，国家建设委员会根据北京市双曲砖拱的调查，提出在当时的技术条件和地震烈度尚未确定的情祝下，不宜推广采用这种结构。中国土木工程学会上海分会为了研究这一问题，委托张问清调查北京、天津和上海的双曲砖拱建筑。
张问清调查发现，北京的双曲砖拱建筑开裂比较普遍。除了倒塌的中国医药公司双曲砖拱仓库，比较严重的还有器材供应公司仓库。该仓库完工3个月就开裂，后来有窗有洞就有裂缝，钢筋混凝土圈梁也裂成12段。天津情况总体良好。上海的5栋双曲砖拱建筑里，仅电机厂有吊车的厂房的拱波和外墙有裂缝。
张问清把损毁情况分为三类：不太严重的裂缝、比较严重的裂缝，以及因设计错误和施工大意发生的倒塌事故。他还细分了三类问题的具体表现和发生原因，比如，在第一类里，纵向外墙出现横向裂缝，是因为拉杆拉得太松或太紧，导致拉杆的拉力不等于拱的推力，而使墙体产生横向裂缝。裂缝往往沿窗台或者防潮层处分布，因为这些地方断面小或灰浆粘结力差且弯矩应力较大，这些裂缝勾缝后往往不再发展。[5]27
与同期出现问题的双曲砖拱建筑相较，同济大学电工馆在设计和施工上采取了什么措施，能够建成后屹立近70年不倒，且墙体、拱顶完好无损？除了上节提到的加大结构冗余，设置钢筋混凝土圈梁、拉杆添加吊筋之外，电工馆还在设计和建造两方面采取了多种应对措施。
在设计方面，电工馆对建筑长度、内纵墙开口、基础都有相应的考虑，减少开裂和损毁的可能。1）张问清认为双曲砖拱房屋不宜过长，变形缝设置间距应小于砖石结构规范的规定，宜缩短为40 m；基础较差时，间距可缩短至30 m。电工馆长67.28 m，并没有设置变形缝，而是巧妙地把建筑分为两段，每段长度为33.64 m，中间增加了长度为12 m的平顶房屋。北京国棉一、 二厂的双曲砖拱仓库长度60 m，却没有设置变形缝，建成后裂缝很多。2）电工馆的内墙仅开小门，没有裂缝现象，而北京国棉一、 二厂仓库内墙开口太大，裂缝较多。3）在基础方面，电工馆的施工图上并没有相关信息，但可从同一时期张问清参与设计的同济大学南北楼对地基的处理加以推测。在南北楼里，设计师曾通过现场载荷试验，将地基承载力从上海地区软土地基的“老八吨” 提高到12 t/m2，为此采取了相应的地基变形控制措施。其中，包括在工程施工和运营过程中采用沉降观测措施，有效观察和检验设计方案的效果。[14]张问清曾指出，基础较差并有振动力作用时，不宜采用双曲砖拱。
在施工方面，电工馆也采取了相应措施防止开裂。1）拉杆如果松紧程度不一致，墙座和砖拱受到不同的应力，墙身和砖拱会开裂。即使所有拉杆松紧一致，如果拉得太松或太紧，也有可能导致墙身水平灰缝和拱波横向灰缝的开裂。电工馆在施工时，边拱的拉杆分3次拧紧，中拱的拉杆分2次拧紧。对拉杆松紧，每次拧紧时用变形仪对规定应拉长度进行测量。[5]32 2）通常连接山墙的拱波砌好并移走模架后，再砌筑拱波上面的山墙。当移走模架，拱波下沉时，垂直方向是有推力的，轴线方向完全承压后，垂直方向的横推力消失（图19）。电工馆曾在施工空地上，试砌一段拱波，两边脱空，证明没有横向推力（图20）。如果山墙一砌到顶，则会像国棉一、二厂双曲砖拱仓库那样，山墙和拱波连接处出现裂缝。
19. 电工馆双曲砖拱施工顺序。2个拱波为一组，砌筑完成之后，移动木模架砌下一组。
20. 电工馆施工现场的空地上，拱波样板段的建造现场
3.3 技术赋形：电工馆双曲砖拱的技术逻辑和形式处理
电工馆的形式处理同双曲砖拱结构的技术逻辑关系密切，这不但体现在立面的形式处理上，也体现在室内拉杆与内外纵墙的连接节点处理上。
立面的形式处理与结构和建造的技术逻辑有关。一方面，这体现为南北两端的山墙作为独立片墙的形式表达（图21）。按照《规程》所定的施工顺序，双曲砖拱房屋的山墙只需砌筑到拱座标高处即停止，靠近山墙的边缘拱波砌好且移开模板后，再砌山墙上部。因此，山墙实则与双曲砖拱屋盖并无连接。也正因如此，设计者在电工馆山墙的形式处理上，结合徽州马头墙做法，让山墙顶部高于双曲砖拱屋盖。山墙高起的部分随双曲砖拱顶的曲线起伏，使人在低处即使无法看到屋盖全貌，也可感知其整体特征。此外，山墙两端各有一段突出于东西纵墙的小段墙体。这种处理不仅有传统民居中封火山墙的意味，也加强了山墙作为完整片墙的意象。正因为这一小段墙体的存在，使得在端部深入山墙里的拱脚腰箍梁及倒“T”字形的钢筋混凝土带，在视觉上干干净净结束于东西墙面端部，并不显露于山墙侧面上（图22）。与此同时，山墙立面的形式处理也非常整体：它与双曲砖拱屋盖“交接”位置的构造处理、山墙三个门洞上方贯通的过梁均不作任何形式表达和交待。从山墙节点详图可以看到，与屋盖“交接处”设置的一道为加强山墙稳定性的圈梁和其下的垫头藏于山墙内侧，不在立面上显露自身。山墙过梁也隐于山墙内侧（图23）。这同东西立面在构造层面上显露自身的做法恰恰相反。
21. 北立面
22. 山墙端部处理
23. 山墙节点详图
另一方面，立面形式同建造逻辑的紧密结合还体现在东西外纵墙的设计上（图24）。与南北山墙“隐匿”构造的处理方式不同，东西立面的形式表达极其坦率。电工馆的东西立面是相同的。以现存北面部分的东立面为例，其主要由上部双曲砖拱顶、中部机红砖砌筑的墙面和底部水泥勒脚组成。在红砖墙面上，均匀开有11个窗洞。这些窗洞的位置在立面上各自对应一个拱波，窗洞的垂直中轴线同拱波的中轴线重合（图25）。从受力上来说，这种布置方式使得每个拱波的荷载被均衡地传至相应窗洞两侧的窗间墙上。
24. 现存东立面
25. 窗洞和拱波的对位关系
窗洞上的过梁、纵墙尽端与山墙交接处上部的枕梁以及双曲砖拱拱脚处设置的钢筋混凝土带，均坦率地显露在外墙上。在外露的钢筋混凝土带上，均匀布置有14个菊花图案的生铁罩。这些生铁菊花罩用来遮挡钢筋混凝混凝土带外侧固定14根金属拉杆的螺帽和垫板，也有装饰效果。均匀分布的53个由红砖砌筑而成的“斗拱”位于部分悬挑的钢筋混凝土带下（图26）。每4个间距为625 mm的“斗拱”刚好占满2个生铁菊花罩子之间的距离。
26. 砖砌斗拱大样图
若我们对比图纸中的立面信息与实际建成的砖砌斗拱和生铁罩的位置关系，可以发现，这里存在着形式秩序完美性和建造逻辑之间的矛盾。朱晓明在电工馆的研究中指出，由于相邻两节拱波的拉杆穿过同一堵内纵墙时要相互错开，导致了生铁菊花罩和圈梁下的“斗拱”无法准确对位（图27）。这也进一步导致东西立面上14个生铁菊花罩和53个砖砌斗拱并不能形成精确的对位关系，无法获得形式秩序的完美性。这种形式秩序与建造逻辑的矛盾也同样体现在了图纸表达中。或许正是因为意识到这样的困境，无论在立面图抑或斗拱细部大样图中，绘制者似乎都刻意略去生铁菊花罩的位置信息。
27. 从室外看砖砌“斗拱”和生铁菊花罩子的错位
电工馆室内坦率地显露着双曲砖拱建筑的各个部件及其连接方式，空间形式为技术逻辑所赋予。清水红砖（现刷为青灰色）的一道道拱波、刷白的墙身，以砌体的重量感对比着黑色的钢拉杆、吊筋的轻盈。倒“T”形混凝土带底部的侧面和3层砖的叠涩，形成一组四层线脚，以丰富的细节完成拱脚和墙身过渡。由于电工馆是三联拱，相邻两跨的钢拉杆需要同时固定在内纵墙上，所以固定点必然对称地分列于拱波沟线的两侧（图28~图31）。东西两个边跨的钢拉杆固定点位置是相同的，位于拱波沟线南侧；中跨的钢拉杆固定点位于拱波沟线北侧（图32）。拱波沟线两侧的固定点分别以垫板、螺母、螺栓的形式与另一侧拉杆的直接穿墙而过形成对比，增加了细节的趣味。这种细节的趣味性无疑首先是由技术的需要所触发而形成。
28. 内纵墙上错开的钢拉杆连接节点
29. 内纵墙上错开的钢拉杆连接节点
30. 内纵墙上错开的钢拉杆连接节点
31. 内纵墙上错开的钢拉杆连接节点
32. 电工馆三联拱的拱波沟线、拉杆、吊杆和外墙上生铁菊花罩位置关系的示意图
4 研究、试验和实践的结合：电工馆的技术价值和设计价值
关于电工馆研究，朱晓明在与笔者的交流中，问了两个问题：1）苏联的双曲砖拱普遍采用1/4砖厚做法，电工馆是1/2砖厚，目前的解释是苏联的砖和中国的砖规格不同。电工馆研究要解释为什么用1/2砖厚做法更好？2）电工馆双曲砖拱的跨度接近15 m，只能算中等跨度，似乎技术并不突出，其技术价值到底体现在什么地方？
这两个问题，其实都指向电工馆双曲砖拱的技术价值和技术贡献何在。本文对照中国引进的苏联《规程》和应用指导，梳理20世纪50—70年代双曲砖拱技术在中国的演进，结合电工馆同期建造的双曲砖拱建筑出现的开裂和倒塌问题，分析了同济大学电工馆的设计和建造过程，来回答朱晓明的这两个重要问题。
第一个问题其实可分为两个相关的小问题：中国的双曲砖拱建筑为何普遍采用1/2砖厚做法？电工馆的1/2砖厚做法有何特殊考虑？自20世纪50年代新中国引进苏联双曲砖拱技术以后，在相当长一段时间里，特别是50年代，双曲砖拱顶普遍采用1/2砖厚做法，电工馆是其中之一。在50年代，学界常见的解释是，新中国成立初期的标准砖材厚度（5.3 cm）小于苏联标准砖材厚度（6.5 cm），砖材质量相对较差，建造技术不成熟。现在来看，除了砖材差异和施工经验不够，更多是当时对双曲砖拱的受力性能和抗震性能认识不足，而且缺乏全国的地震烈度区划和建筑抗震设防规范。设计师摸着石头过河，相对保守地选用了1/2砖厚做法，不敢采用苏联1/4砖厚的做法。这也可以理解为一种对新技术的慎重态度。当70年代的工业与民用建筑抗震设计规范明确了双曲砖拱的抗震设防要求，建筑界也积累了十多年的设计施工经验，70年代反而出现了一批采用苏联1/4砖厚做法的双曲砖拱建筑。对于电工馆采用1/2砖厚做法有何特殊考虑，则与电工馆的采光天窗的设置有关。电工馆曾设计过沿拱跨方向长11 m、宽度占整个拱波的横向天窗，后改为多组数量较多的点式屋盖敞口天窗，按苏联《规程》，有这两种天窗的双曲砖拱顶都需要采用1/2砖厚做法。
第二个问题，按照苏联《规程》，电工馆拱波宽2.5 m且高度为0.6 m，当选择1/2砖厚做法时，极限跨度可达18 m。然而，电工馆三跨拱的跨度均未超14 m（两个边拱跨度13.43 m，中间拱跨度13.49 m），故朱晓明认为其跨度仅属中等。苏联是非地震区，中国则是多地震国家。尽管当时上海还没确定抗震设防烈度，电工馆的设计师应该考虑了抗震条件的差异，预留了一定结构冗余。1974年的建筑抗震设防规范发布，由于上海的地震设计烈度为7度，按规范双曲砖拱跨度不宜超过15m。如此来看，根据上海地区的实际情况，电工馆双曲砖拱的跨度其实非常接近抗震安全性的极限！
对朱晓明两个问题的回答，实际上也总结了电工馆技术特点和技术贡献的第一点：电工馆是一次尝试调和苏联建筑技术规范和中国实际建造条件的审慎实践，这集中体现在1/2砖厚做法的采用，以及根据上海地质条件对苏联规程中双曲砖拱极限跨度的调整。
电工馆的技术特点和技术贡献还体现为另外两点。第二点，电工馆是中国少有的以无肋拱形式建造的、带有点式采光天窗的双曲砖拱建筑的早期实例和珍贵遗存。从现有文献和实例来看，大致从20世纪70年代开始，中国才在一些较大跨度的、有采光需求的工业厂房里出现带天窗的有肋双曲砖拱的探索，合肥柴油机厂即为代表。电工馆带点式采光天窗的无肋双曲砖拱顶，可谓50年代的探索先锋。
第三点，相较同期中国建造的一批双曲砖拱建筑大量出现开裂和倒塌问题，同济大学电工馆之所以能在建成后近70年不倒、完好无损，与设计和施工上采取的应对措施有关。电工馆的1/2砖厚做法保证了更大的结构刚度，同时通过一系列构造处理解决了因屋盖重量加大，继而侧推力变大带来的抗震不利影响。这一系列加大结构冗余的构造做法，包括为加强抵抗侧推力的拱脚倒“T”型钢筋混凝土梁带的设置，每根水平拉杆上分别设置两根吊杆，山墙同端部拱波交接处的曲型圈梁设置，节制且均匀的敞口天窗开设和洞口周边加固措施等。此外，电工馆在设计上对建筑长度、内纵墙开口、基础承载力的控制；在施工方面分步骤拧紧拱的拉杆并用变形仪测量规定应拉长度，山墙后砌并现场试砌一段拱波，证明其没有对山墙的横向推力。这些措施有效防止了电工馆在山墙、纵墙和拱波上开裂。
电工馆建筑质量的上乘，同具有砖石结构理论基础的结构负责人张问清的严格把关有关。20世纪50年代，张问清在同济大学结构工程系开设钢筋混凝土结构、砖石结构两门主课，受命领衔双曲拱砖薄壳结构的研发。正是这种研究、试验和实践的结合，让电工馆在50年代引进苏联双曲砖拱技术的早期实践试错中脱颖而出。1957年他提出的“基础较差并有振动力作用时，不宜采用双曲砖拱”的论断，在70年代的建筑抗震设计规范中才正式出现。
对于电工馆的设计价值，朱晓明有着非常敏锐的判断。她认为电工馆是一个兼具苏联式结构与江南传统建筑特征的工业遗产精品。对于电工馆的“江南传统建筑特征”，她从山墙的马头墙形式，以及电工馆中间连接体的院落设置、空间的明暗对比进行了深入分析，[1]100-101在此不再赘述。本文的研究，可以从技术的层面为她的论断提供有力的支持。电工馆平屋顶的中间连接体的设置，与双曲砖拱建筑的长度不宜过长有关。电工馆没有采用设变形缝的方式解决长度问题，而是巧妙地把建筑分为南北两段，中间以带院落的平屋顶部分加以连接。电工馆山墙采用马头墙形式，与双曲砖拱建筑上部山墙后砌的施工方式有关，不然山墙容易开裂。也就是说，山墙实则与相邻拱波并无连接，可以采用相对自由的片墙形式。
本文也从建筑的纵向立面、山墙立面和室内空间，分析了立面形式表达上的构造“隐匿”与“显露”暗合了双曲砖拱房屋的技术逻辑，以及室内空间对技术逻辑坦率表达带来的细节的趣味性。在这个试验双曲砖拱新技术的设计里，结构技术无疑是设计的主导要素。所以纵向立面上，斗拱位置与固定拉杆的生铁菊花罩位置的失配，虽然留下了微微的设计瑕疵，也真实反映了电工馆设计中结构为先的事实。
综合考虑技术价值和设计价值，本文认为电工馆的贡献在于：首先，电工馆是尝试调和苏联建筑技术规范和实际建造条件的一次审慎实践，这集中体现在1/2砖厚砌筑和由此引发的一系列加大结构冗余的构造做法，以及根据上海地区抗震条件对苏联规程中双曲砖拱极限跨度的调整；其次，电工馆是中国少有的以无肋拱形式建造的、带有点式采光天窗的双曲砖拱顶建筑的早期实例和珍贵遗存；此外，它也是一件建筑立面形式和空间处理暗合双曲砖拱顶房屋建造逻辑的精美良作。
（本文由董斯静根据其博士论文《上海现代建筑历史研究：观念与实践（1949—1992年）》的有关部分改写为会议论文《再窥建国初期双曲砖拱建筑技术实践：同济大学电工馆的设计和建造研究》，收录于2024年7月在天津大学召开的“第18次中国近现代建筑史学术年会”的论文集，后经通讯作者彭怒执笔与董斯静改写而成。感谢同济大学朱晓明教授在本文写作、修改和定稿过程中提出的问题、建议，以及提供的宝贵资料。感谢清华大学刘亦师教授对文稿和图片的建议。）
注释：
① 原为电工馆，后改为机电厂，现主要用作校园内文创用品商店、健身用房和库房。电工馆由同济大学吴景祥、张问清等设计，建成于1955年。
② 合肥柴油机厂成立于1972年，2018年整厂迁走，原厂区被打造为“合柴1972”科技文化创业园区。原厂区有两座双曲砖拱顶厂房：合柴铸造车间与模具车间。两个车间的屋顶为拱壳砖砌筑的带肋双曲砖拱，拱肋部分为钢筋混凝土肋拱架。
③ 拱壳砖是砌筑拱形屋盖的一种异形空心砖。拱壳砖上面砖棱处带有钩槽，砌筑拱形屋盖结构时，在每块砖未合拢前，借助于砖与砖之间的互相咬合，对砖可以起到临时悬挂作用。合拢后，由于该块砖内产生的拱向力或环向力足以克服砌体本身的重力而不致塌落，这样在整个砌筑过程中，只要一个简单的样架控制砌筑曲线，省去了大量的支撑模板。拱壳砖屋盖虽具有自重轻、施工简便等优点，但屋盖的整体刚度较差，故不宜用在受振动的房屋上。
④ 1964年，中国将双曲砖拱技术“移植”到桥梁结构，首次在江苏无锡建成一座跨度9 m、宽1.5 m的双曲拱桥，称为“东拱桥”。发明人苏松源从民间砖砌双曲墓穴的拱圈中得到启发，采用在预制钢筋混凝土小拱肋上砌筑拱波构成桥面。双曲拱桥由于具有节省水泥与钢材、施工方便的优点，在20世纪60至70年代，不仅成为农村小跨径轻载（拖拉机）桥梁的经济合理桥型，还进一步在全国被推广，以钢筋混凝土材料代替砖石材料用于建造大跨径重载公路桥。双曲拱桥从拱圈本身的建造材料上看主要有三类，双曲石拱桥、双曲砖拱桥、双曲钢筋混凝土桥。而以双曲砖拱桥为例，其又进一步细分为两类。一种是全砖砌的、无肋或有肋的双曲砖拱桥；一种则是带钢筋混凝土肋的双曲砖拱桥，拱波主体部分仍为砖砌。
⑤ 截面惯性矩(moment of inertia of an area)是一个几何量，在材料力学里，通常被用来描述截面抵抗弯曲的性质。截面惯性矩越大，物体就越难弯曲；截面惯性矩越小，物体就越容易弯曲。截面惯性矩通常用符号I表示，国际单位为（m4），即面积二次矩。
⑥ 施工说明中指出的100号标准机红砖尺寸为24×11.4×5.3 cm，同当时推行的标准红砖尺寸（24×11.5×5.3 cm）有微小差异。
⑦ 《双曲砖石拱的设计和施工细则》（И-133-50）中指出，根据《建筑结构计算及风荷重》（OCT1664-42），在拱型砌体整个表面上将引起负压力的风荷重。因负压力而产生的向垂直方向作用之力均为屋盖的自重所抵消，因此，风荷重仅在个别情况下才计算：即在高拱之拱顶f/l大于1/3，且风计算压力的值相当大——70～100kg/m2时才计算。
⑧ 李善邦（1902—1980年），出生于广东兴宁，原中国科学院地球物理研究所地震研究室主任。他是中国地震科学事业的开创者，最早的地震地球物理学家之一。
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[14] 同济大学土木工程学院地下建筑与工程系．百龄问清[M]．上海：同济大学出版社，2008：12．
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完整深度阅读请参见《时代建筑》2024年第3期 新城新区巨型城市设计的回顾与反思 董斯静、彭怒《技术赋形：从中国双曲砖拱技术的演进再论同济大学电工馆》，未经允许，不得转载。
作者单位：温州大学建筑工程学院、同济大学建筑与城市规划学院
作者简介：董斯静，女，温州大学建筑工程学院 讲师；彭怒（通讯作者），女，同济大学建筑与城市规划学院 教授