仿古建筑的結構設計要求和設計方法

本文結合長沙市開福寺大悲殿的結構設計，探討了鋼筋混凝土仿古建筑的結構設計要求和設計方法。

　　1 引言
　　
　　中國古建筑雖然歷經了數千年的演變，但其獨特的結構方法和布置規模始終沒有改變，并且是世界上獨具風格的一門建筑學科，是世界建筑藝術寶庫中的一顆璀璨明珠。中式傳統古建筑以木結構為主，在材料選用、平面處理和藝術造型等方面都有許多自己的特點，但隨著社會的發展與進步，傳統木結構在防火與防腐方面的缺陷也日益明顯，新技術、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展。現代仿古建筑以鋼筋混凝土為主體結構，改變了傳統中國古建筑以木結構組合為主的受力系統，吸收了傳統中國古建筑風格的精華，在鋼筋混凝土結構的基礎上，將傳統古建筑的造型、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構設計談幾點體會，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架為主的一種結構方式，平面布局內向含蓄，層次豐富，均衡對稱，空間布局靈活，承重與圍護結構分工明確；在建筑的設計和施工中很早就實行了模數制和構件的定型化，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定。中國古代建筑還獨創了斗拱的結構形式，并充分運用色彩的裝飾手段，使建筑物顯得莊重而華麗。
　　中國古代建筑的結構方式有“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 仿古建筑的結構設計要求
　　
　　現階段的仿古建筑多采用鋼筋混凝土結構代替木結構，為了達到油漆彩繪之后與木構架相同的外觀效果，與傳統的鋼筋混凝土結構相比，仿古建筑的結構設計具有以下特殊要求：
　　
　　3．1模數要求和構件定型化
　　各受力構件的規格需滿足古典建筑的模數要求，傳力體系的構成極其各構件的尺度和形體完全仿照古代木結構中柱、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，形成了曲線優美、出檐深遠的特征，體現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構構件，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。斗拱是中國傳統古建筑特有的型制，它位于木結構梁和柱子之間，具有傳導屋面荷載、加大屋檐挑出長度、縮短梁枋跨度、吸收地震能量等結構作用和裝飾作用，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，因主體結構為鋼筋；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件。可以縮短梁枋的凈跨距離，具有輔助拉結和裝飾雙重功能。
　　
　　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，現有的寺院規模已不能滿足佛教事業的發展需要，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；昆凝土仿木結構。
　　
　　4．2大悲殿的結構體系
　　
　　采用現澆鋼筋混凝土仿木框架結構，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。結構方式按照古建筑中的“疊梁式”，構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古建筑中是罕見的，而為了保持室內“露明造”的完整性，在15．5m標高處設3根斷面為400x1200的交叉轉換梁(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
　　木結構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，屋面一次性全現澆施工難度很大，支模困難，混凝土澆注質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，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
　　在主體結構為鋼筋混凝土的仿古建筑中，斗拱是作為受力構件還是純裝飾構件?采用木結構還是鋼筋；昆凝土結構?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)，斗拱在結構中為受力構件。這種做法的主要缺點是做工較粗糙、不美觀，而且前者由于構件數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構，且僅作為裝飾構件，不考慮其受力。屋檐荷載通過斗拱上方的現澆；昆凝土桃尖梁以及斗拱中間的現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件，用定型模板在施工現場制作。主體結構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構的額枋(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件，與主體結構不是一起現澆成型，但采取了上述方式與受力構件連接后，再經過油漆彩繪處理，整個建筑物渾然一體，完全達到了傳統木結構的藝術效果。建成后的大悲殿入口屋檐照片圖4。
　　
　　5　結束語
　　
　　鋼筋混凝土結構的仿木仿古建筑，因組合形式變化大，構件形狀復雜，其空間梁板的形狀定型和模板、鋼筋施工是最大的難題，給傳統的鋼筋混凝土結構設計帶來了許多挑戰，本文探討了一些新的思路，力求用現代的構造和裝飾處理，還原其傳統古代建筑的風格。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。