钢结构对仿古建筑的作用

　　【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。

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