仿古建筑結構模型生成研究

劉連民 姜 立 任燕翔 趙景學

(中國建筑科學研究院建筑工程軟件所,北京 100013)

1 前言

我國的古代建筑一直延承著木構架為主要結構的支撐體系[1],依據《營造法式》、《工程做法則例》以及傳承的經驗法則進行設計施工。近幾十年來,以鋼筋混凝土為材料的仿古建筑得到了大量發展應用。建筑材料的變化,必然導致設計生產工藝的變化,由此,仿古建筑除了要遵守古建的造型與尺寸比例規則,還必須按照鋼筋混凝土、抗震等現代規范進行設計施工,這提高了對結構設計人員的要求。

沒有熟稔的古建基礎知識直接設計仿古結構,后期無論如何作古建深化設計施工,也難以達到純正自然的效果。仿古建筑設計中結構構造準確是關鍵。

圖1 仿古建筑實例

在仿古建筑的設計之初,設計人員腦袋里已經有了要仿取的古建筑形式,是歇山還是硬山,是正脊還是卷棚,要幾間幾檁,有沒有外廊,屋面坡度情況等等,構想出要仿取的純正古建筑具體情況,然后再計算各種尺寸數據設計仿古結構。由此,本文提出一套先設計生成仿取對象,然后由仿取對象轉化生成仿古結構的方法流程,并在軟件中實現。這樣,首先生成古建筑可使用戶先看到仿古建筑的最終效果,然后轉化生成仿古結構。應用表明采用此種方法生成模型迅速高效,省卻了用戶大量的尺寸位置計算,并保證了模型準確合理。

2 古建筑關鍵特征及轉化規則

2.1 臺基部分

在形式上,臺基有普通形式、高級(須彌座)形式兩類。在平面形式上,臺基以矩形狀態居多,也有正多邊形與圓形。臺基的主要附屬部分為欄桿、踏跺(臺階)。在設計中,應根據上部的建筑選擇適當的臺基形式、平面形式以及配套的附屬部分。臺基設計中最關鍵的是控制臺基的高度、欄桿的高度、臺基的下檐出與山出,這些尺寸與上部建筑檐柱高等取值有關。正確設置這些尺寸比例是取得良好視覺效果的根本保障。

常見的古建筑一般較低,相對土地資源利用率低,可以對建筑物地下空間加以利用。當需要生成建筑的附屬地下室時,在臺基頂面設置地下室頂板,在上部建筑的柱下布置地下室柱,使建筑所有結構性柱下有柱,如圖2所示。

圖2 臺基轉化的地下室

2.2 屋身部分

屋身部分為臺基頂面至正心桁(無斗拱的小式建筑為檐檁)部分。包含的主要內容有:柱、枋、板、門、窗、墻等。各種構件的截面尺寸應按建筑的木作模數來控制,如帶斗拱建筑以斗口為模數,無斗拱小式建筑以柱徑為模數,同時還要參考模數與檐柱高的比例關系,把握面寬與進深尺度、面寬與柱高比例關系[2]。在現代的仿古建筑設計中,一種是希望盡可能仿到惟妙惟肖,一種以仿取古建筑的基本特征即可。但無論如何設計者都應該清楚,這些尺寸比例的控制都是達到古建筑尺度感的關鍵。

屋身部分轉仿古結構規則:

檐柱間沿開間(面闊)方向的橫向聯系構件在小式建筑與大式建筑中有所不同。在小式建筑中為檁三件,包括檐檁、檐墊板、檐枋,仿古結構中保留檐檁用以形成上部屋面,保留檐枋用于檐柱間橫向拉結,略去檐墊板。在大式建筑中的柱頭部位有大額枋、由額墊板、小額枋,柱頭以上有平板枋、斗拱、正心桁,在仿古結構中延伸柱頭至正心桁,正心桁用以形成上部屋面,大額枋用于檐柱間橫向拉結,略去其它構件。對于柱間其它聯系,保留抱頭梁、桃尖梁,略去穿插枋。略去的各種構件可在裝修時作為裝飾性構件進行安裝。例如施工時可在穿插枋的安裝部位設置預埋件,利用各種板材等制作成穿插枋,在后期進行安裝,在完成各道工藝處理后,就可達到一樣的效果。門、窗、墻都是非結構性構件,不予轉化。

2.3 屋頂部分

屋頂是古建筑最具有特色的部分,包括屋檐、內部梁架、桁檁三件,以及角梁、由戧等。

屋檐部分的關鍵控制有檐舉架、上檐出,帶翼角建筑翼角的沖出值與翹起值以及翼角的曲線。翼角是中國古建筑屋頂的顯著特點之一,常見翼角轉角有 90°、120°、135°,翼角的設計中以“沖三翹四”原則為參考,即沖出值為三椽徑,翹起值為四椽徑,在實際的應用中,當確定上檐出、檐步架、翼角角度后,當沖出三椽徑時可推算出翹起的高度。然后再根據實際的沖出翹起值求解翼角的曲線,分析出翼角椽的數量,計算出翼角椽飛的鋪設點位。

屋檐部分轉化仿古結構規則:

老角梁與仔角梁合并形成一個角梁構件,在老角梁頭分段變截面,保持仔角梁頭位置。在柱頭位置沿屋面向外設斜梁,有挑檐桁時,生成挑檐桁,在挑檐桁以內用梁向外挑出屋面,在挑檐桁以外用板挑出屋面。當檐平出大于 1.5米時,可將斜梁延伸至椽頭,在椽頭上部設橫向桁梁加強屋檐的挑出能力。從屋檐下部看,由椽頭到飛椽處形成臺階,上部適于設置橫向桁梁且不影響檐口的造型。椽飛作為裝飾性構件,既可用木料制作在后期掛設,也可采用鋼筋混凝土材料預制,椽上預留拉錨鋼筋,在施工時將椽參于澆注完成掛接。

屋檐以上部分需控制的關鍵數據有步架、舉架,歇山建筑的收山,廡殿建筑的推山等。步架值可用于控制廊寬以及建筑的進深,一般廊(檐)步架與模數間有明確的計算關系,如小式廊步架常為 4柱徑 ～5柱徑,大式廊步架為整數攢選定斗拱。舉架用于控制屋面的坡度,屋面的坡度由下向上為逐步增大趨勢,如 0.5、0.65、0.75、0.9等,一般檐舉架取五舉,脊舉架最大為十舉。小式時檐舉架也可取四五舉或五五舉,脊舉架一般不超過八五舉[1]。歇山收山位置的確定對屋頂的視覺效果有一定的影響,由于規則簡單較易于控制,廡殿的推山不僅是正脊變長垂脊向外彎曲的主要控制因素,還決定了山面支撐的位置。

柱排數、檁數與梁架形式之間的關系:

古建筑柱排數常為 2至 6排,基本形式常前后對稱,中跨梁架形式有三架梁、四架梁、五架梁、六架梁、七架梁五種形式,當有中柱時還有單步梁、雙步梁、三步梁三種形式,側邊跨僅有單步架、雙步梁、三步梁三種形式。當結構形式、檁數、間數確定后,就可以通過柱排數、梁架形式的特點列舉所有可能形式,經過分析可得出所有可能的柱形式、梁架形式。

例如大式的歇山建筑,當結構形式為單檐,廊形式為無廊,檁數為九檁時,會有如下多種情況存在:

·A.2排柱時,不存在九架梁形式

·B.3排柱時,不存在四步梁形式

·C.4排柱時,五架梁(前后雙步梁)

·D.4排柱時,三架梁(前后三步梁)——不合理(中部支撐能力冗余)

·E.4排柱時,七架梁(前后單步梁)

·F.5排柱時,中柱單步梁(前后三步梁)——不合理(中部支撐能力冗余)

·G.5排柱時,中柱雙步梁(前后雙步)

·H.5排柱時,中柱三步梁(前后單步梁)

·I.6排柱時,——不合理(柱過多支撐能力冗余)

由此可得,在柱形式有:4柱、5柱兩種形式,梁架形式有:五架梁、七架梁、中柱雙步梁、中柱三步梁四種形式。當采用 4柱時,梁架形式有五架梁、七架梁兩種合理選擇;當采用 5柱時,梁架形式有中柱雙步梁、中柱三步梁兩種合理選擇,如圖3所示。

屋頂部分轉化仿古結構規則:

簡化所有桁檁三件,僅在桁檁位置生成桁梁。在柱列位置上沿屋面布置斜梁,使桁梁與斜梁縱橫交錯劃分屋面區域形成現澆屋面。

對帶翼角屋頂劃可分為上、下兩段。如圖4所示,從檐柱頭至下金桁檁為下段,下金桁檁以上為上段。下段單獨形成結構的一層,下段的劃分保證了屋檐與翼角的形狀特征。上段從金桁檁至屋面頂部之間以柱特征進行結構層劃分,每一個結構層分別簡化中部桁檁與梁架,簡化后結構如圖5所示。

對于尖山式屋頂,當中跨跨度不大于 8米時,簡化形式如圖6(a)所示,當中跨跨度大于 8米時,簡化形式如圖6(b)所示。對于卷棚式屋頂,中跨簡化形式如圖6(c)所示。

圖3 九檁梁歇山木結構

圖4 帶翼角屋頂結構分層示意圖(簡化前)

圖5 帶翼角屋頂結構分層示意圖(簡化后)

圖6 中跨簡化形式

圖7 側邊跨簡化形式

對于側邊跨部分,當跨度不大于6米時,簡化形式如圖7(a)所示,當跨度大于 6米時,程序自動在中部增加豎向支撐如圖7(b)所示。

形成仿古結構后,結構屋面的坡度變的生硬,特別對于廡殿式建筑,由戧線段數減少,在瓦作施工時,需要在結構屋面上找出古建要求的坡度,按既定的廡殿推山做出垂脊的彎曲度。在當前的開發中,實現了古建結構向仿古結構的轉化,在屋面坡度多,簡化后坡度過少時,可能會出現不能按最初要求找出屋面坡度的情況,這會在進一步的開發中解決。

2.4 構件截面預設

生成仿古結構的各種構件截面尺寸是直接取自對應的木結構構件截面尺寸的。以后根據場地情況、抗震等級等條件可進行交互修改。

3 實現流程

仿古建筑的設計包括建模設計以及結構分析、配筋、施工圖設計等內容,其中古建軟件 GuCAD負責結構的建模,PKPM系列軟件負責后繼的各項分析設計。在 GuCAD中按本文提出的方法實現了古建筑模型向仿古結構模型的轉化,即提取古建筑結構信息,將木結構轉化為對應的仿古結構,同時生成可在 PKPM系列軟件中打開的 PMCAD文件,從而完成了由古建筑模型轉成仿古結構模型,流程見圖8。以仿古歇山建筑結構建模為例,選擇歇山建筑設計功能模塊,選擇與輸入各項參數后可生成歇山的建筑模型[3],如圖9為重檐七間十三檁六排柱五架梁歇山模型。使用“古建結構轉仿古結構”功能,可將歇山建筑模型轉化為仿古結構模型,如圖10,同時可生成 PMCAD工程文件。

圖8 基本流程圖

圖9 重檐歇山

圖10 重檐歇山對應仿古結構

在整個過程中僅有柱高、開間、步架、舉架等基礎數據的輸入,在古建結構轉化仿古結構的過程中只有簡單的控制選擇,古建模型的生成與仿古結構的轉化由軟件自行分析計算完成,實現了準確高效的建筑建模,省卻了大量數據計算工作。

4 結束語

本文提出的方法,已經在中國古典建筑設計軟件(GuCAD)中實現了廡殿、歇山等大型建筑木結構的仿古建筑結構模型的轉化生成。支持直接生成 PKPM結構數據文件,可在 PKPM結構軟件中進行仿古建筑的結構分析設計。應用表明,這套方法降低了對用戶的專業要求,保證了結構的準確適當,顯著地提高了仿古結構設計效率。

[1] 馬炳堅.中國古建筑木作營造技術(第二版)[M].北京:科學出版社.2003

[2] 梁思成.清式營造則例[M].北京:清華大學出版社.2006

[3] 劉連民.趙景學.任燕翔.中國古代建筑計算機設計方法[M].北京:中國建筑工業出版社.2009