談鋼結(jié)構(gòu)在仿古建筑中的運用

馬 建 新

(陜西省漢中市石門水庫管理局，陜西 漢中 723000)

談鋼結(jié)構(gòu)在仿古建筑中的運用

馬 建 新

(陜西省漢中市石門水庫管理局，陜西 漢中 723000)

鋼結(jié)構(gòu)用于仿古建筑因其難以體現(xiàn)中國古建筑飛檐翹角、質(zhì)樸厚重的風(fēng)格而在當(dāng)今很少采用，提出將現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)與仿古建筑相結(jié)合的觀點，并將其用于石門水電站廠房改造設(shè)計，收到了較好的建筑藝術(shù)效果和造價經(jīng)濟(jì)效果。

鋼結(jié)構(gòu)，仿古建筑，建筑風(fēng)格，造價經(jīng)濟(jì)

1 工程概況

漢中市石門水庫位于陜西省漢中市北18 km，修建于20世紀(jì)70年代初，大壩為鋼筋混凝土雙曲拱壩，高88 m，總庫容1.08億m3，是一座以灌溉為主，兼顧發(fā)電、防洪功能的大(2)型水庫。依托石門水庫建成的石門棧道風(fēng)景區(qū)是國家AAAA級風(fēng)景區(qū)。石門水電站根據(jù)灌溉渠道布置修建，分東干渠首的東電站、西干渠首的西電站、河床主電站及后來續(xù)建的河床8號機電站共4處，8臺機組總裝機4.2萬kW。石門水電站已運行四十多年，發(fā)電設(shè)備落后、廠房陳舊，2012年被列入陜西省農(nóng)村小水電增效擴容試點項目，主要包括水輪發(fā)電機組更新、電氣設(shè)備更新、電站房屋建筑改造部分。筆者完成了水電站廠房改造工程的設(shè)計工作，現(xiàn)就該工程改造設(shè)計談?wù)勛约旱慕?jīng)驗與體會，僅供同類工程參考。

2 設(shè)計要求、理念、方案

石門水電站位于石門風(fēng)景區(qū)內(nèi)，景區(qū)總體規(guī)劃所有建筑的造型、色調(diào)為“兩漢三國”建筑風(fēng)格。石門水電站業(yè)主基于自身發(fā)電生產(chǎn)的需要和風(fēng)景區(qū)總體規(guī)劃，要求對東、西、8號機水電站廠房、辦公樓、4個車間結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固改造以保證發(fā)電生產(chǎn)需要，并且對建筑外觀進(jìn)行仿古改造，達(dá)到景區(qū)總體規(guī)劃的“兩漢三國”建筑風(fēng)格要求。筆者所在團(tuán)隊承擔(dān)了上述房屋建筑改造設(shè)計任務(wù)，其中東、西、8號機這3座水電站廠房、建筑面積共727 m2的改造設(shè)計任務(wù)由筆者完成。

通過查閱3座水電站廠房竣工圖紙，筆者有了初步認(rèn)識。東、西電站廠房修建于20世紀(jì)70年代初，為地上式單層結(jié)構(gòu)，東電站廠房長31 m、寬11.7 m、高8.5 m；西電站廠房長15.2 m、寬11 m、高8.5 m，兩個廠房構(gòu)造均為帶牛腿變截面鋼筋混凝土排架柱、薄腹屋面梁、預(yù)制槽型板平屋頂結(jié)構(gòu)，廠房桁車標(biāo)準(zhǔn)10 t。8號機廠房修建于2010年，屬于后期續(xù)建電站，廠房為地上式3層框架結(jié)構(gòu)，長18.8 m、寬10.5 m、高14 m，桁車標(biāo)準(zhǔn)10 t。

建筑設(shè)計方案選擇上，筆者以廠房實際長、寬、高尺寸為基礎(chǔ)，結(jié)合“兩漢三國”仿古建筑構(gòu)造特點,以達(dá)到建筑與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)為設(shè)計理念，認(rèn)真構(gòu)思每一個廠房建筑造型。經(jīng)分析比較確定建筑設(shè)計方案為：長、寬尺寸比例大的東、西廠房仿古屋蓋為歇山造型，長、寬尺寸比例小的8號機廠房仿古屋蓋確定為廡殿造型(以下舉例插圖為西電站設(shè)計方案，見圖1，圖2)。

在仿古結(jié)構(gòu)設(shè)計方案上，筆者考慮如果采用當(dāng)今流行的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，針對此次廠房跨度大、層高大的實際情況，就有屋頂自重大、抗震性能差、造價高的缺點；而采用鋼結(jié)構(gòu)雖可減輕屋蓋自重，節(jié)省投資，但在展現(xiàn)中國古建筑飛檐翹角、質(zhì)樸厚重方面，又顯得比較現(xiàn)代、單薄，在細(xì)節(jié)處理上也有一定的難度。當(dāng)今將鋼結(jié)構(gòu)和仿古建筑有機結(jié)合在一起的實例較為罕見，筆者在查閱大量資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合本人對古建設(shè)計的實際經(jīng)驗，決定將廠房仿古屋蓋設(shè)計為鋼結(jié)構(gòu)，成功地解決了這一問題。

3 建筑設(shè)計

在建筑細(xì)節(jié)上體現(xiàn)出中國古建筑的歷史文化特色，是仿古建筑設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)。根據(jù)中國建筑史，漢代建筑屋面為灰陶瓦作，建筑色調(diào)以朱紅、灰白為主。設(shè)計屋面為灰陶2號筒板瓦，滴水、勾頭、擋溝等瓦飾配件按2號灰陶型號選用。屋脊設(shè)計尺寸突出主脊、垂脊、戧脊、圍脊主次比例；屋脊造型選用仿漢灰陶脊成品，要求正脊無吻、垂脊無獸，脊高大平直，棱角分明，尾部翹起，與平直屋面結(jié)合，呈現(xiàn)出雄渾粗獷的漢代建筑風(fēng)格。檐口、搏風(fēng)板、山花設(shè)計用3 mm鋼板為面板，L40×4角鋼包邊，制作不易變形，顯得有厚重感。屋檐下部用薄鋼板吊頂，掩飾了懸挑屋檐下現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)的缺點。建筑色調(diào)以朱紅和灰白為主，檐口、搏風(fēng)板、山花刷朱紅色磁漆，墻體刷灰白色仿石漆，墻裙勒腳貼青灰色文化石。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照SL 266—2001水電站廠房設(shè)計規(guī)范，筆者確定該工程水工建筑物級別為3級，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度0.1g，按GB 5009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范確定標(biāo)準(zhǔn)荷載。其中風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值取w0=0.5 kPa，是根據(jù)封閉式雙屋面、屋面高度、風(fēng)荷載體型系數(shù)計算確定。

筆者現(xiàn)場檢查這3座水電站廠房，廠房經(jīng)多年運行墻體局部有裂縫，屋頂有幾處滲水的現(xiàn)象，但結(jié)構(gòu)未見有貫穿性裂縫，主體結(jié)構(gòu)尚好。筆者按仿古改造后荷載工況進(jìn)行了廠房結(jié)構(gòu)抗震驗算，驗算滿足抗震要求，表明廠房結(jié)構(gòu)是安全的，針對于墻體局部裂縫，可采用鋼板網(wǎng)水泥砂漿抹面進(jìn)行修補。廠房仿古改造結(jié)構(gòu)設(shè)計分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和屋面鋼結(jié)構(gòu)兩部分。

4.1鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計

拆除原廠房屋檐、女兒墻，沿廠房外墻頂設(shè)計一道300 mm×400 mm鋼筋混凝土連系梁，該連系梁和原排架柱頂植筋連接，以承載仿古屋面鋼屋架荷載并提高廠房結(jié)構(gòu)的整體性，并在鋼屋架支座位置設(shè)計預(yù)埋地腳螺栓及預(yù)埋支座鋼板。

4.2屋面鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計屋面坡度為0.5∶1(與水平夾角26.6°)，出檐1.2 m～1.5 m，灰陶瓦屋面。其結(jié)構(gòu)設(shè)計包括鋼屋架、C型鋼檁條、屋面結(jié)構(gòu)三部分。

1)鋼屋架：

主屋架設(shè)計為雙坡水芬克式三角形鋼屋架，軸線間距4 m～5 m。單坡水次屋架為直角三角形鋼屋架，通過節(jié)點板與主屋架連接。屋架結(jié)構(gòu)設(shè)計采用PKPM—STS軟件。屋架采用在原廠房頂現(xiàn)場焊接，設(shè)計鋼材用Q235，上下弦桿、腹桿構(gòu)件采用雙角鋼夾填板組合焊接成T型截面。為便于鋼檁安裝，屋架上弦構(gòu)件與填板焊接須用塞焊縫。節(jié)點設(shè)計是鋼屋架設(shè)計的重點，節(jié)點位置、構(gòu)造根據(jù)屋架受力特點靈活確定。設(shè)計鋼屋架上弦節(jié)點位置和檁條位置間隔對應(yīng)，比較符合鉸接桁架節(jié)點受力要求，減小鋼屋架上弦次生彎矩；歇山屋面的戧脊次屋架和橫向主屋架斜交且節(jié)點集中荷載比較大，設(shè)計節(jié)點布置要均勻，避免受力過于集中；廡殿屋脊交點處有五個方向的屋架交匯，設(shè)計采用焊接鋼筒節(jié)點——首先按桿件焊接構(gòu)造要求確定鋼筒的高度和直徑，再根據(jù)節(jié)點荷載計算鋼筒壁厚。設(shè)計鋼屋架通過預(yù)埋地腳螺栓與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鉸接固定。

2)屋架支撐：

為保證鋼屋架受力穩(wěn)定以及屋蓋整體剛度，按鋼結(jié)構(gòu)單層廠房設(shè)計規(guī)范要求，廠房兩側(cè)鋼屋架間上弦設(shè)交叉支撐四道、所有鋼屋架間跨中設(shè)垂直支撐一道；設(shè)前后檐口、下弦中間共三道通長剛性角鋼系桿。鋼屋架和支撐、系桿間設(shè)計采用螺栓連接，便于安裝調(diào)整。

3)屋面結(jié)構(gòu)：

包括C型鋼檁條、壓花鋼板屋面、鋼板網(wǎng)、水泥砂漿粘背瓦屋面共四部分。仿古屋面荷載較大，自重荷載達(dá)1.5 kPa。屋面設(shè)計依據(jù)屋面壓花鋼板經(jīng)濟(jì)跨度確定鋼檁條間距700 mm，鋼檁條設(shè)計為C200×60×20×2.5，通過檁托與鋼屋架螺栓連接。屋面板設(shè)計選用3 mm厚扁豆形花紋鋼板(紋高2.5 mm)，截面抗彎模量大、抗滑性能好。鋼板長邊順屋面坡水方向鋪設(shè)，鋼板縱向拼縫下設(shè)L40×4角鋼加勁肋，鋼板橫向拼縫位置設(shè)計在鋼檁條上。屋面板采用平縫焊接，為防止焊縫漏水，焊縫刷防銹漆兩遍，再刷聚氨酯防水涂料兩遍。鋼板與檁條、加勁肋用斷續(xù)焊連接，焊腳長60 mm，間距200 mm。瓦屋面設(shè)計為2號灰陶板、筒瓦，M7.5水泥砂漿粘背，為防止瓦屋面粘背砂漿空鼓、開裂，設(shè)計在瓦屋面和壓花鋼板屋面間鋪設(shè)1.5 mm×15 mm×40 mm鋼板網(wǎng)一層，用點焊在鋼板屋面上長30 mm的Φ10鋼筋固定，鋼筋固定點縱橫間距500 mm。

5 結(jié)語

石門水電站廠房改造工程竣工后，工程決算造價820元/m2，造價指標(biāo)均低于鋼筋混凝土仿古建筑；建筑外觀效果符合石門風(fēng)景區(qū)“兩漢三國”的古建風(fēng)格，建筑形態(tài)錯落有致與周圍風(fēng)景融為一體，受到了游客和業(yè)內(nèi)人士的一致好評。筆者通過探索與實踐，深刻體會到鋼結(jié)構(gòu)運用于仿古建筑只要構(gòu)思新穎、設(shè)計得體，就會收到較好的建筑藝術(shù)效果和造價經(jīng)濟(jì)效果。

Onapplicationofsteelstructureinpseudo-classicarchitecture

MaJianxin

(AdministrationofShimenReservoirinHanzhongofShannxiProvince,Hanzhong723000,China)

The paper indicates the steel structure can be seldom adopted in the pseudo-classic architecture for it can not reflect the style of Chinese ancient building with cornices, rusticity and messiness, points out the integration of the modern steel structure and pseudo-classic architecture, and has the reconstruction design for the workshop reconstruction of Shimen Hydropower Station, so it achieves better architectural art and cost-saving effect.

steel structure, pseudo-classic architecture, architectural style, cost-saving

1009-6825(2017)30-0056-02

2017-08-15

馬建新(1969- )，男，工程師

TU391

A