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钢结构对仿古建筑的运用

 论文栏目:古建筑论文     更新时间:2017/11/27 15:15:43   

摘要:钢结构用于仿古建筑因其难以体现中国古建筑飞檐翘角、质朴厚重的风格而在当今很少采用,提出将现代钢结构与仿古建筑相结合的观点,并将其用于石门水电站厂房改造设计,收到了较好的建筑艺术效果和造价经济效果。

关键词:钢结构,仿古建筑,建筑风格,造价经济

1工程概况

汉中市石门水库位于陕西省汉中市北18km,修建于20世纪70年代初,大坝为钢筋混凝土双曲拱坝,高88m,总库容1.08亿m3,是一座以灌溉为主,兼顾发电、防洪功能的大(2)型水库。依托石门水库建成的石门栈道风景区是国家AAAA级风景区。石门水电站根据灌溉渠道布置修建,分东干渠首的东电站、西干渠首的西电站、河床主电站及后来续建的河床8号机电站共4处,8台机组总装机4.2万kW。石门水电站已运行四十多年,发电设备落后、厂房陈旧,2012年被列入陕西省农村小水电增效扩容试点项目,主要包括水轮发电机组更新、电气设备更新、电站房屋建筑改造部分。笔者完成了水电站厂房改造工程的设计工作,现就该工程改造设计谈谈自己的经验与体会,仅供同类工程参考。

2设计要求、理念、方案

石门水电站位于石门风景区内,景区总体规划所有建筑的造型、色调为“两汉三国”建筑风格。石门水电站业主基于自身发电生产的需要和风景区总体规划,要求对东、西、8号机水电站厂房、办公楼、4个车间结构进行加固改造以保证发电生产需要,并且对建筑外观进行仿古改造,达到景区总体规划的“两汉三国”建筑风格要求。笔者所在团队承担了上述房屋建筑改造设计任务,其中东、西、8号机这3座水电站厂房、建筑面积共727m2的改造设计任务由笔者完成。通过查阅3座水电站厂房竣工图纸,笔者有了初步认识。东、西电站厂房修建于20世纪70年代初,为地上式单层结构,东电站厂房长31m、宽11.7m、高8.5m;西电站厂房长15.2m、宽11m、高8.5m,两个厂房构造均为带牛腿变截面钢筋混凝土排架柱、薄腹屋面梁、预制槽型板平屋顶结构,厂房桁车标准10t。8号机厂房修建于2010年,属于后期续建电站,厂房为地上式3层框架结构,长18.8m、宽10.5m、高14m,桁车标准10t。建筑设计方案选择上,笔者以厂房实际长、宽、高尺寸为基础,结合“两汉三国”仿古建筑构造特点,以达到建筑与周围环境相协调为设计理念,认真构思每一个厂房建筑造型。经分析比较确定建筑设计方案为:长、宽尺寸比例大的东、西厂房仿古屋盖为歇山造型,长、宽尺寸比例小的8号机厂房仿古屋盖确定为庑殿造型(以下举例插图为西电站设计方案,见图1,图2)。在仿古结构设计方案上,笔者考虑如果采用当今流行的钢筋混凝土结构,针对此次厂房跨度大、层高大的实际情况,就有屋顶自重大、抗震性能差、造价高的缺点;而采用钢结构虽可减轻屋盖自重,节省投资,但在展现中国古建筑飞檐翘角、质朴厚重方面,又显得比较现代、单薄,在细节处理上也有一定的难度。当今将钢结构和仿古建筑有机结合在一起的实例较为罕见,笔者在查阅大量资料的基础上,结合本人对古建设计的实际经验,决定将厂房仿古屋盖设计为钢结构,成功地解决了这一问题。

3建筑设计

在建筑细节上体现出中国古建筑的历史文化特色,是仿古建筑设计的一个重要环节。根据中国建筑史,汉代建筑屋面为灰陶瓦作,建筑色调以朱红、灰白为主。设计屋面为灰陶2号筒板瓦,滴水、勾头、挡沟等瓦饰配件按2号灰陶型号选用。屋脊设计尺寸突出主脊、垂脊、戗脊、围脊主次比例;屋脊造型选用仿汉灰陶脊成品,要求正脊无吻、垂脊无兽,脊高大平直,棱角分明,尾部翘起,与平直屋面结合,呈现出雄浑粗犷的汉代建筑风格。檐口、搏风板、山花设计用3mm钢板为面板,L40×4角钢包边,制作不易变形,显得有厚重感。屋檐下部用薄钢板吊顶,掩饰了悬挑屋檐下现代钢结构的缺点。建筑色调以朱红和灰白为主,檐口、搏风板、山花刷朱红色磁漆,墙体刷灰白色仿石漆,墙裙勒脚贴青灰色文化石。

4结构设计

按照SL266—2001水电站厂房设计规范,笔者确定该工程水工建筑物级别为3级,抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度0.1g,按GB5009—2012建筑结构荷载规范确定标准荷载。其中风荷载标准值取w0=0.5kPa,是根据封闭式双屋面、屋面高度、风荷载体型系数计算确定。笔者现场检查这3座水电站厂房,厂房经多年运行墙体局部有裂缝,屋顶有几处渗水的现象,但结构未见有贯穿性裂缝,主体结构尚好。笔者按仿古改造后荷载工况进行了厂房结构抗震验算,验算满足抗震要求,表明厂房结构是安全的,针对于墙体局部裂缝,可采用钢板网水泥砂浆抹面进行修补。厂房仿古改造结构设计分为钢筋混凝土结构和屋面钢结构两部分。4.1钢筋混凝土结构设计拆除原厂房屋檐、女儿墙,沿厂房外墙顶设计一道300mm×400mm钢筋混凝土连系梁,该连系梁和原排架柱顶植筋连接,以承载仿古屋面钢屋架荷载并提高厂房结构的整体性,并在钢屋架支座位置设计预埋地脚螺栓及预埋支座钢板。4.2屋面钢结构设计设计屋面坡度为0.5∶1(与水平夹角26.6°),出檐1.2m~1.5m,灰陶瓦屋面。其结构设计包括钢屋架、C型钢檩条、屋面结构三部分。1)钢屋架:主屋架设计为双坡水芬克式三角形钢屋架,轴线间距4m~5m。单坡水次屋架为直角三角形钢屋架,通过节点板与主屋架连接。屋架结构设计采用PKPM—STS软件。屋架采用在原厂房顶现场焊接,设计钢材用Q235,上下弦杆、腹杆构件采用双角钢夹填板组合焊接成T型截面。为便于钢檩安装,屋架上弦构件与填板焊接须用塞焊缝。节点设计是钢屋架设计的重点,节点位置、构造根据屋架受力特点灵活确定。设计钢屋架上弦节点位置和檩条位置间隔对应,比较符合铰接桁架节点受力要求,减小钢屋架上弦次生弯矩;歇山屋面的戗脊次屋架和横向主屋架斜交且节点集中荷载比较大,设计节点布置要均匀,避免受力过于集中;庑殿屋脊交点处有五个方向的屋架交汇,设计采用焊接钢筒节点———首先按杆件焊接构造要求确定钢筒的高度和直径,再根据节点荷载计算钢筒壁厚。设计钢屋架通过预埋地脚螺栓与钢筋混凝土结构铰接固定。2)屋架支撑:为保证钢屋架受力稳定以及屋盖整体刚度,按钢结构单层厂房设计规范要求,厂房两侧钢屋架间上弦设交叉支撑四道、所有钢屋架间跨中设垂直支撑一道;设前后檐口、下弦中间共三道通长刚性角钢系杆。钢屋架和支撑、系杆间设计采用螺栓连接,便于安装调整。3)屋面结构:包括C型钢檩条、压花钢板屋面、钢板网、水泥砂浆粘背瓦屋面共四部分。仿古屋面荷载较大,自重荷载达1.5kPa。屋面设计依据屋面压花钢板经济跨度确定钢檩条间距700mm,钢檩条设计为C200×60×20×2.5,通过檩托与钢屋架螺栓连接。屋面板设计选用3mm厚扁豆形花纹钢板(纹高2.5mm),截面抗弯模量大、抗滑性能好。钢板长边顺屋面坡水方向铺设,钢板纵向拼缝下设L40×4角钢加劲肋,钢板横向拼缝位置设计在钢檩条上。屋面板采用平缝焊接,为防止焊缝漏水,焊缝刷防锈漆两遍,再刷聚氨酯防水涂料两遍。钢板与檩条、加劲肋用断续焊连接,焊脚长60mm,间距200mm。瓦屋面设计为2号灰陶板、筒瓦,M7.5水泥砂浆粘背,为防止瓦屋面粘背砂浆空鼓、开裂,设计在瓦屋面和压花钢板屋面间铺设1.5mm×15mm×40mm钢板网一层,用点焊在钢板屋面上长30mm的Φ10钢筋固定,钢筋固定点纵横间距500mm。

5结语

石门水电站厂房改造工程竣工后,工程决算造价820元/m2,造价指标均低于钢筋混凝土仿古建筑;建筑外观效果符合石门风景区“两汉三国”的古建风格,建筑形态错落有致与周围风景融为一体,受到了游客和业内人士的一致好评。笔者通过探索与实践,深刻体会到钢结构运用于仿古建筑只要构思新颖、设计得体,就会收到较好的建筑艺术效果和造价经济效果。

作者:马建新 单位:陕西省汉中市石门水库管理局

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