仿古建筑的結(jié)構(gòu)設計要求和設計方法
本文結(jié)合長沙市開福寺大悲殿的結(jié)構(gòu)設計，探討了鋼筋混凝土仿古建筑的結(jié)構(gòu)設計要求和設計方法。
1 引言
中國古建筑雖然歷經(jīng)了數(shù)千年的演變，但其獨特的結(jié)構(gòu)方法和布置規(guī)模始終沒有改變，并且是世界上獨具風格的一門建筑學科，是世界建筑藝術(shù)寶庫中的一顆璀璨明珠。中式傳統(tǒng)古建筑以木結(jié)構(gòu)為主，在材料選用、平面處理和藝術(shù)造型等方面都有許多自己的特點，但隨著社會的發(fā)展與進步，傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)在防火與防腐方面的缺陷也日益明顯，新技術(shù)、新材料的運用使仿古建筑設計和建造成為可能，這也是對中國古建筑文化的繼承與發(fā)展。現(xiàn)代仿古建筑以鋼筋混凝土為主體結(jié)構(gòu)，改變了傳統(tǒng)中國古建筑以木結(jié)構(gòu)組合為主的受力系統(tǒng)，吸收了傳統(tǒng)中國古建筑風格的精華，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)古建筑的造型、部件等，作為裝飾效果，從而達到建筑上的仿古目的。以下本文將就某工程實例對此種建筑的結(jié)構(gòu)設計談幾點體會，能為同行在設計工作中提供一些參考。
2 中國古代建筑的特點
中國古代建筑是以木構(gòu)架為主的一種結(jié)構(gòu)方式，平面布局內(nèi)向含蓄，層次豐富，均衡對稱，空間布局靈活，承重與圍護結(jié)構(gòu)分工明確；在建筑的設計和施工中很早就實行了模數(shù)制和構(gòu)件的定型化，對于建筑整體到局部的形式、尺度和做法都有相當詳細的規(guī)定。中國古代建筑還獨創(chuàng)了斗拱的結(jié)構(gòu)形式，并充分運用色彩的裝飾手段，使建筑物顯得莊重而華麗。
中國古代建筑的結(jié)構(gòu)方式有“疊梁式”、“穿斗式”、“井干式”三種，屋頂形式有硬山頂、懸山頂、廡殿頂、歇山頂、攢尖頂和復合頂。
3 仿古建筑的結(jié)構(gòu)設計要求
現(xiàn)階段的仿古建筑多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)代替木結(jié)構(gòu)，為了達到油漆彩繪之后與木構(gòu)架相同的外觀效果，與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，仿古建筑的結(jié)構(gòu)設計具有以下特殊要求：
3．1模數(shù)要求和構(gòu)件定型化
各受力構(gòu)件的規(guī)格需滿足古典建筑的模數(shù)要求，傳力體系的構(gòu)成極其各構(gòu)件的尺度和形體完全仿照古代木結(jié)構(gòu)中柱、梁、枋、檁的相應做法。
3．2屋面造型要求
屋面變化顯著，造型要求高，構(gòu)架體系采用了步架和舉架的處理方法，使屋面坡度越往上越陡峻，越往下越平緩，形成了曲線優(yōu)美、出檐深遠的特征，體現(xiàn)了我國古代建筑的造型特點。
3．3建筑中有大量的具有獨特裝飾作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其中最具有代表性的是斗拱和雀替。
斗拱：斗拱中方型的底座叫做斗，上面錯落搭建的船形木塊叫做拱。斗拱是中國傳統(tǒng)古建筑特有的型制，它位于木結(jié)構(gòu)梁和柱子之間，具有傳導屋面荷載、加大屋檐挑出長度、縮短梁枋跨度、吸收地震能量等結(jié)構(gòu)作用和裝飾作用，是中國古代建筑中最具特色的部分之一。對于仿古建筑而言，因主體結(jié)構(gòu)為鋼筋；昆凝土，裝飾常常成為斗拱的主要作用。
雀替：用于額枋(檐枋)與檐柱相交處，近似于三角形，表面有雕刻裝飾的構(gòu)件。可以縮短梁枋的凈跨距離，具有輔助拉結(jié)和裝飾雙重功能。
4 工程實例
4．1工程概況
開福寺位于長沙城北，它是一座殿字宏偉、氣勢非凡的千年古寺，具有“三湘名剎”之稱。開福寺始建于五代時期，距今已有一千多年的歷史，現(xiàn)有的寺院規(guī)模已不能滿足佛教事業(yè)的發(fā)展需要，自2004年開始對寺廟進行修復擴建，大悲殿的建設就是其擴建工程子項之一。大悲殿為南方單層雙重檐仿古建筑，建筑面積1200m2，總高度25m，面闊七間，共37．8m，進深六間，共30．6m。屋頂形式為歇山頂，黃色琉璃瓦鋪蓋，飛檐翹角，氣魄雄偉，檐下為七踩斗拱。室內(nèi)采用“露明造”，使空間更高大、更寬敞。該建筑采用了鋼筋；昆凝土仿木結(jié)構(gòu)。
4．2大悲殿的結(jié)構(gòu)體系
采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土仿木框架結(jié)構(gòu)，用SATWE程序進行整體計算，主受力框架用PK程序復核計算配筋。結(jié)構(gòu)方式按照古建筑中的“疊梁式”，構(gòu)架體系采用了步架和舉架的處理方法，其傳力途徑也明顯不同于傳統(tǒng)鋼筋混凝土建筑，屋面荷載通過T形屋面板傳給屋面檁條梁，再由梁架逐層往下傳遞，最終通過最底層的梁傳給框架柱。主受力框架立面詳見圖1。由于大殿建成后需供奉大尊佛像，故殿內(nèi)抽掉了兩根里金柱，使相臨柱子間跨度分別達到了19．8m和18．6m。建筑平面圖詳見圖2。這么大的跨度在傳統(tǒng)古建筑中是罕見的，而為了保持室內(nèi)“露明造”的完整性，在15．5m標高處設3根斷面為400x1200的交叉轉(zhuǎn)換梁(位于4軸、5軸、C軸上)，共同支撐其上的柱子和屋面梁架體系。
4．3屋面板的設計
木結(jié)構(gòu)的屋面木基層是由望板和椽組成的，這就使得仿古建筑的屋面板截面形式為T形，單向受力，板肋之間的距離很近、肋高較小見圖3，加上屋面陡峻圖4(大悲殿屋脊處為九五舉)、造型復雜，屋面一次性全現(xiàn)澆施工難度很大，支模困難，混凝土澆注質(zhì)量和外觀效果均難保證。故將屋面板設計成疊合板，先預制單塊的預應力混凝土T形板(或幾塊T形板組合)作為底模，再在底模上綁扎鋼筋網(wǎng)，用細石混凝土澆注疊合層，完成后二者形成整體共同受力。設計時按疊合前和疊合后分階段對T形板進行強度計算、抗裂驗算、撓度驗算。分別滿足施工階段和使用階段的受力要求。
4．4斗拱和雀替的設計
在主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土的仿古建筑中，斗拱是作為受力構(gòu)件還是純裝飾構(gòu)件?采用木結(jié)構(gòu)還是鋼筋；昆凝土結(jié)構(gòu)?這就值得探討了，筆者在考察其他仿古建筑時了解到其斗拱大多是采用鋼筋；昆凝土預制構(gòu)件，各級斗與拱之間通過預埋件焊接連接(尺度較大時)或座漿連接(尺度較小時)，斗拱在結(jié)構(gòu)中為受力構(gòu)件。這種做法的主要缺點是做工較粗糙、不美觀，而且前者由于構(gòu)件數(shù)量太多防腐和維修費用較高，后者受力不太可靠。故本工程的斗拱采用木結(jié)構(gòu)，且僅作為裝飾構(gòu)件，不考慮其受力。屋檐荷載通過斗拱上方的現(xiàn)澆；昆凝土桃尖梁以及斗拱中間的現(xiàn)澆混凝土剪力墻傳給剪力墻下方的額枋，斗和拱在桃尖梁施工前安裝就位。
雀替僅作為裝飾部分，不考慮其受力，采用鋼筋混凝土預制構(gòu)件，用定型模板在施工現(xiàn)場制作。主體結(jié)構(gòu)施工時在相應位置留設預埋件，預制的雀替通過預埋件與主體結(jié)構(gòu)的額枋(檐枋)和檐柱焊接連接。
木斗拱與混凝土的預制雀替都是作為裝飾構(gòu)件，與主體結(jié)構(gòu)不是一起現(xiàn)澆成型，但采取了上述方式與受力構(gòu)件連接后，再經(jīng)過油漆彩繪處理，整個建筑物渾然一體，完全達到了傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的藝術(shù)效果。建成后的大悲殿入口屋檐照片圖4。
5 結(jié)束語
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的仿木仿古建筑，因組合形式變化大，構(gòu)件形狀復雜，其空間梁板的形狀定型和模板、鋼筋施工是最大的難題，給傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計帶來了許多挑戰(zhàn)，本文探討了一些新的思路，力求用現(xiàn)代的構(gòu)造和裝飾處理，還原其傳統(tǒng)古代建筑的風格。大悲殿于2004年4月完成設計，同年5月開工，2005年年底建筑竣工。
