鋼結(jié)構(gòu)對(duì)仿古建筑的作用

　　【摘要】:鋼結(jié)構(gòu)用于仿古建筑因其難以體現(xiàn)中國(guó)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(diǎn)，并將其用于石門(mén)水電站廠房改造設(shè)計(jì)，收到了較好的建筑藝術(shù)效果和造價(jià)經(jīng)濟(jì)效果。

　　關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu)，仿古建筑，建筑風(fēng)格，造價(jià)經(jīng)濟(jì)

　　1工程概況

　　漢中市石門(mén)水庫(kù)位于陜西省漢中市北18km，修建于20世紀(jì)70年代初，大壩為鋼筋混凝土雙曲拱壩，高88m，總庫(kù)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(kù)。依托石門(mén)水庫(kù)建成的石門(mén)棧道風(fēng)景區(qū)是國(guó)家AAAA級(jí)風(fēng)景區(qū)。石門(mén)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(lái)續(xù)建的河床8號(hào)機(jī)電站共4處，8臺(tái)機(jī)組總裝機(jī)4.2萬(wàn)kW。石門(mén)水電站已運(yùn)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(kuò)容試點(diǎn)項(xiàng)目，主要包括水輪發(fā)電機(jī)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(jì)工作，現(xiàn)就該工程改造設(shè)計(jì)談?wù)勛约旱慕?jīng)驗(yàn)與體會(huì)，僅供同類工程參考。

　　2設(shè)計(jì)要求、理念、方案

　　石門(mén)水電站位于石門(mén)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(guó)”建筑風(fēng)格。石門(mén)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(duì)東、西、8號(hào)機(jī)水電站廠房、辦公樓、4個(gè)車(chē)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(duì)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(guó)”建筑風(fēng)格要求。筆者所在團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了上述房屋建筑改造設(shè)計(jì)任務(wù)，其中東、西、8號(hào)機(jī)這3座水電站廠房、建筑面積共727m2的改造設(shè)計(jì)任務(wù)由筆者完成。通過(guò)查閱3座水電站廠房竣工圖紙，筆者有了初步認(rèn)識(shí)。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(zhǎng)31m、寬11.7m、高8.5m;西電站廠房長(zhǎng)15.2m、寬11m、高8.5m，兩個(gè)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(chē)標(biāo)準(zhǔn)10t。8號(hào)機(jī)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(zhǎng)18.8m、寬10.5m、高14m，桁車(chē)標(biāo)準(zhǔn)10t。建筑設(shè)計(jì)方案選擇上，筆者以廠房實(shí)際長(zhǎng)、寬、高尺寸為基礎(chǔ)，結(jié)合“兩漢三國(guó)”仿古建筑構(gòu)造特點(diǎn)，以達(dá)到建筑與周?chē)h(huán)境相協(xié)調(diào)為設(shè)計(jì)理念，認(rèn)真構(gòu)思每一個(gè)廠房建筑造型。經(jīng)分析比較確定建筑設(shè)計(jì)方案為:長(zhǎng)、寬尺寸比例大的東、西廠房仿古屋蓋為歇山造型，長(zhǎng)、寬尺寸比例小的8號(hào)機(jī)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(jì)方案，見(jiàn)圖1，圖2)。在仿古結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)此次廠房跨度大、層高大的實(shí)際情況，就有屋頂自重大、抗震性能差、造價(jià)高的缺點(diǎn);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(guó)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(jī)結(jié)合在一起的實(shí)例較為罕見(jiàn)，筆者在查閱大量資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合本人對(duì)古建設(shè)計(jì)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，決定將廠房仿古屋蓋設(shè)計(jì)為鋼結(jié)構(gòu)，成功地解決了這一問(wèn)題。

　　3建筑設(shè)計(jì)

　　在建筑細(xì)節(jié)上體現(xiàn)出中國(guó)古建筑的歷史文化特色，是仿古建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。根據(jù)中國(guó)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(jì)屋面為灰陶2號(hào)筒板瓦，滴水、勾頭、擋溝等瓦飾配件按2號(hào)灰陶型號(hào)選用。屋脊設(shè)計(jì)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(wú)吻、垂脊無(wú)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(jì)用3mm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(diǎn)。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(jì)

　　按照SL266—2001水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范，筆者確定該工程水工建筑物級(jí)別為3級(jí)，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.1g，按GB5009—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=0.5kPa，是根據(jù)封閉式雙屋面、屋面高度、風(fēng)荷載體型系數(shù)計(jì)算確定。筆者現(xiàn)場(chǎng)檢查這3座水電站廠房，廠房經(jīng)多年運(yùn)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(jiàn)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(yàn)算，驗(yàn)算滿足抗震要求，表明廠房結(jié)構(gòu)是安全的，針對(duì)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(bǔ)。廠房仿古改造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)拆除原廠房屋檐、女兒墻，沿廠房外墻頂設(shè)計(jì)一道300mm×400mm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(jì)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(jì)設(shè)計(jì)屋面坡度為0.5∶1(與水平夾角26.6°)，出檐1.2m～1.5m，灰陶瓦屋面。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)為雙坡水芬克式三角形鋼屋架，軸線間距4m～5m。單坡水次屋架為直角三角形鋼屋架，通過(guò)節(jié)點(diǎn)板與主屋架連接。屋架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用PKPM—STS軟件。屋架采用在原廠房頂現(xiàn)場(chǎng)焊接，設(shè)計(jì)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(diǎn)設(shè)計(jì)是鋼屋架設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置、構(gòu)造根據(jù)屋架受力特點(diǎn)靈活確定。設(shè)計(jì)鋼屋架上弦節(jié)點(diǎn)位置和檁條位置間隔對(duì)應(yīng)，比較符合鉸接桁架節(jié)點(diǎn)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(diǎn)集中荷載比較大，設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)布置要均勻，避免受力過(guò)于集中;廡殿屋脊交點(diǎn)處有五個(gè)方向的屋架交匯，設(shè)計(jì)采用焊接鋼筒節(jié)點(diǎn)———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(diǎn)荷載計(jì)算鋼筒壁厚。設(shè)計(jì)鋼屋架通過(guò)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(jì)規(guī)范要求，廠房?jī)蓚?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(zhǎng)剛性角鋼系桿。鋼屋架和支撐、系桿間設(shè)計(jì)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)1.5kPa。屋面設(shè)計(jì)依據(jù)屋面壓花鋼板經(jīng)濟(jì)跨度確定鋼檁條間距700mm，鋼檁條設(shè)計(jì)為C200×60×20×2.5，通過(guò)檁托與鋼屋架螺栓連接。屋面板設(shè)計(jì)選用3mm厚扁豆形花紋鋼板(紋高2.5mm)，截面抗彎模量大、抗滑性能好。鋼板長(zhǎng)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(jì)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(zhǎng)60mm，間距200mm。瓦屋面設(shè)計(jì)為2號(hào)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(kāi)裂，設(shè)計(jì)在瓦屋面和壓花鋼板屋面間鋪設(shè)1.5mm×15mm×40mm鋼板網(wǎng)一層，用點(diǎn)焊在鋼板屋面上長(zhǎng)30mm的Φ10鋼筋固定，鋼筋固定點(diǎn)縱橫間距500mm。

　　5結(jié)語(yǔ)

　　石門(mén)水電站廠房改造工程竣工后，工程決算造價(jià)820元/m2，造價(jià)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(mén)風(fēng)景區(qū)“兩漢三國(guó)”的古建風(fēng)格，建筑形態(tài)錯(cuò)落有致與周?chē)L(fēng)景融為一體，受到了游客和業(yè)內(nèi)人士的一致好評(píng)。

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