1、传统风格建筑结构材料演变及关键构件设计 吴琨 贾俊明 车顺利 中国建筑西北设计研究院有限公司 摘 要： 传统建筑是中华文明的重要组成部分, 尤其是木结构及砖石建筑, 蕴含着丰富的历史文化信息。分析了传统建筑结构材料自身性能的优缺点, 并结合近现代结构材料的发展和新结构技术在传统风格建筑中的应用, 阐述了建筑结构材料的演变过程及意义, 同时结合工程应用, 给出现代建筑材料应用于传统风格建筑时若干关键构件及节点的构造设计, 为传统风格建筑结构设计提供借鉴。关键词： 传统风格建筑; 木材; 混凝土; 钢材; 关键构件; 作者简介：吴琨, 本科, 教授级高级工程师, 一级注册结构工程师, Email:
2、。基金：中建股份科技研发课题 (CSCEC-2012-Z-16) Structural material evolution and key component design of traditional style buildingWu Kun Jia Junming Che Shunli China Northwest Architecture Design and Research Institute Co., Ltd.; Abstract： Traditional building is an important part of Chinese civilization, especi
3、ally the wood structure and brick and stone building, which contains rich historical and cultural information. The advantages and disadvantages of material performance of traditional style building were analyzed. Combined with the development of modern structural materials and application of new tec
4、hnology in the traditional style building, the evolution process and significance of building structural materials were expounded. Combined with engineering application, the structural designs of some key components and nodes were given when adopting the modern building materials in the traditional
5、style building, which provided a reference for the structural design of traditional style building.Keyword： traditional style building; wood; concrete; steel; key component; 0 前言中国古代建筑是一种土生土长的构筑系统, 以寺庙建筑中的大殿为例进行结构体系的介绍。山西省五台山佛光寺大殿 (图 1) 约建于公元 857 年1, 是中国现存最早的唐代木构建筑。大殿以立在砖石基座上的木柱、斗栱系统、梁枋及檩条组成的木骨架即木框架
6、作为承载体系, 上面铺设木椽及木望板并出檐形成坡屋顶, 屋面覆以草泥座瓦, 墙体则仅具围护或平面分割功能, 不承受屋顶重量, 因此有“墙倒而屋不塌”之说。斗栱系统则是一套置于柱顶或梁枋上的木制构件, 交错重叠形成伸臂, 内托木梁, 外支屋檐使之悬挑深远。山西应县木塔 (图 2) 1建于公元 1056 年, 塔高 67.13m, 平面为八角形, 通身木构外观, 5 层 6 檐, 平座有斗栱支承, 斗栱体系由底撑悬挑栱翘构成, 其内端由结构柱连接固定。法门寺1始建于东汉, 唐太宗在此寺重修了一座四级木塔, 下有地宫, 用于供奉佛指舍利, 该木塔在公元 1569 年关中大地震时崩毁, 明代万历年间又
7、重修了一座 8 棱 13 层的砖塔, 经多次地震后于 1981 年塔身塌掉一半成为危塔 (图 3 (a) ) , 1982 年拆除重建时发现唐代塔基和地宫, 地宫内珍藏着大量珍贵文物。图 1 佛光寺大殿 下载原图随着时代的发展, 中国建筑呈现出多样化的特点, 但中国传统建筑的基因从未中断, 并随着建筑功能和材料的演变得到传承与发展。从 20 世纪 80 年代起, 我院设计了一大批中国传统风格建筑, 涵盖了寺庙建筑、纪念性建筑、博物馆建筑、遗址保护类建筑、园林景观建筑及塔式建筑等领域。建筑结构材料与体系从砖木结构逐渐发展到钢筋混凝土结构和钢结构。虽然传统风格建筑在工程实践中得到了一定的应用, 但
8、材料性能及关键构件仍需做进一步的研究。图 2 应县木塔 下载原图图 3 法门寺塔 下载原图1 材料的演变和应用1.1 传统木结构及砖石塔式建筑中国传统建筑以木结构作为建筑的承重体系, 采用经过简单处理的原木或方木, 通过榫卯连接形成木构架。木材具有质量较轻、强度较大、弹性和韧性较好、抗冲击性较强、导热性小、易于加工、外观天然、干燥条件下耐久性较好等优点, 但作为建筑材料, 部分树种加工而成的木材也存在干缩较大、易劈裂和轮裂、防腐处理困难、未经特殊处理则耐火性能较差等缺点。例如我院于 20 世纪80 年代设计的西安青龙寺惠果-空海纪念堂, 采用中国传统建筑常用的木构架结构, 室内设有吊顶, 故屋
9、架采用豪式木屋架, 柱、屋架、斗栱及椽、望板均采用原木制作, 使用多年后, 部分外露梁柱因干缩出现不同程度的开裂情况。又如, 2003 年我院设计的大唐芙蓉园陆羽茶舍建筑群采用木结构, 因工期紧张, 木材处理仓促, 竣工半年后部分廊柱出现不同程度开裂, 个别廊柱柱根有腐朽现象, 随后进行了维修更换处理。其中一座唐风木结构建筑, 原设计有外围护砖墙, 因消防验收问题, 被迫取消围护墙成为开敞式建筑, 严重影响了建筑使用功能。砖石塔的耐久性能和防火性能优于木塔, 这也是砖石塔现存较多的一个主要原因, 如西安大雁塔、小雁塔等, 但受材料自身性能和建造技术限制, 砖石塔在高烈度震区抗震性能较差, 除法
10、门寺塔被多次震毁外, 建于唐中宗景龙年间的小雁塔, 同为砖石结构, 原有 15 层, 公元 1487 年塔身因地震出现竖向裂缝, 公元 1556 年华县大地震时塔顶 2 层被震毁, 现存 13 层, 1965 年整修时修复了塔身裂缝。1.2 钢筋混凝土传统风格建筑随着科学技术的进步和生产力的提高, 加之钢筋混凝土具有可塑性强、整体性好、防腐及防火性能较好等优点, 钢筋混凝土材料也在传统风格建筑中得到广泛应用, 促进了传统风格建筑的发展。如陕西历史博物馆、法门寺大雄宝殿及玄奘法师纪念院等建筑, 采用了钢筋混凝土框架结构, 并采用钢筋混凝土预制斗栱系统及预制椽。普陀山佛学院总建筑面积约 4 万 m
11、, 大部分建筑单体采用了钢筋混凝土结构, 其中大雄宝殿、大悲殿、法堂则采用了更为安全可靠的钢筋混凝土框架-剪力墙结构, 斗栱系统及椽采用轻骨料混凝土预制后安装 (图 4) 。图 4 佛学院大雄宝殿 下载原图于 1987 年建成的法门寺新塔总高度 71.679m, 由台基、塔身和塔刹三部分组成。塔身内壁为沿塔高变截面的钢筋混凝土筒体结构, 具有良好的抗震性能及耐久性, 外观包砌青砖, 保持了原砖塔完美的风貌, 塔下设钢筋混凝土地下室以保护原地宫并增加展示功能。1.3 钢结构传统风格建筑钢材与混凝土材料相比, 具有材性均匀、力学指标好、易于工厂化加工和现场拼装、建筑总重轻、施工速度快、可回收利用等
12、优点, 也符合产业化和可持续发展的要求。西安大明宫丹凤门遗址博物馆 (图 5) , 严格遵循国家有关文化遗产遗址保护要求, 即在遗址上设置保护与展示设施, 必须保护遗址的原真性与完整性, 因此采用大跨度钢结构体系及可逆的工程技术手段, 在“保护第一”的前提下, 很好地满足了现代遗址博物馆的功能需求, 同时也向世人展示了遗址的历史价值、文化价值2-3。图 5 丹凤门遗址博物馆 下载原图西安世界园艺博览会天人长安塔建成于 2011 年 (图 6) , 塔高 95m, 地下 1 层, 层高 8m, 地上为 7 层明层、6 层暗层, 共 13 层, 塔身平面为正方形, 且塔身立面随着高度的增加而缩进,
13、 各暗层设有长悬挑坡屋面, 挑出长度最大 4.1m。塔内部空间开敞, 功能齐全, 并设有楼、电梯各 2 部, 便于参观游览。主体结构采用了钢框架-钢支撑体系, 各暗层塔檐均采用钢椽出挑, 明层外墙及挑檐、塔顶屋面均采用玻璃材质, 整个塔身结构轻盈, 晶莹剔透。图 6 天人长安塔 下载原图上述这些项目采用钢结构, 能很好地满足建筑功能及结构安全要求, 便于工厂化制作和现场施工, 符合绿色环保可持续发展的理念。2 关键构件及节点设计当传统风格建筑采用钢筋混凝土结构及钢结构体系时, 其结构构件及节点在满足结构安全的前提下还需满足建筑造型要求, 这使得传统风格建筑的结构构件、节点尺寸与构造方法受到很大
14、的限制, 而目前国内对采用上述材料的传统风格建筑相关构件及节点的研究仍有所欠缺, 现有规范也未有相关规定, 因此课题组对此进行了设计和优化, 进行了大量的工程实践和试验研究4-7。2.1 柱收分部位设计研究传统建筑的木柱上下两端直径是不相等的, 通常根部略粗, 顶部略细, 这种作法称为“收溜”又称“收分”。该建筑构造易导致柱构件刚度消弱或突变, 引起上柱节点抗震性能降低。鉴于上述考虑, 当传统风格建筑采用钢结构时, 柱收分节点设计采用“上柱下插, 节点加强”的方法 (图 7) , 具体做法为:调整上下柱截面尺寸及壁厚, 使上下柱抗侧刚度基本相近, 在下柱内设置水平及竖向加劲板使上下柱可靠连接,
15、 满足节点应力设计要求, 连接节点经试验验证能够满足承载力及抗震设防要求, 安全可靠;上柱侧面安装预制钢斗栱、钢梁及钢屋架, 该处理方法既能满足建筑柱收分要求, 又能满足构件及节点抗震设计要求, 且便于施工。当传统风格建筑采用钢筋混凝土结构时, 考虑柱收分后该部位柱截面及刚度出现突变, 在斗栱安装部位设置钢管混凝土柱 (图 8) , 其下端锚入下部钢筋混凝土柱, 上端锚入屋面梁内, 以加强该部位柱承载能力。经过缩尺试验, 该连接节点能够很好地满足传统风格建筑在斗栱安装部位柱收分、承载力及抗震设计要求7, 简化了收分柱的施工工序, 便于斗栱系统尾端的预埋铁件与钢管混凝土柱连接。图 7 钢结构传统
16、风格建筑柱收分节点 下载原图图 8 钢筋混凝土结构传统风格建筑柱收分节点 下载原图2.2 斗栱系统及檐口椽板设计当传统风格建筑采用钢筋混凝土结构时, 预制斗栱系统一般采用普通混凝土或轻骨料混凝土预制, 内配钢筋, 栱尾端预留锚筋锚入现浇梭柱内 (图 9 (a) ) 。当传统风格建筑采用钢结构时, 斗栱系统可按照形制尺寸采用钢板工厂制作并焊接在钢柱上, 椽采用成品方钢管或圆钢管制作, 栱尾端依次焊接于钢柱上 (图 9 (b) ) , 钢椽则固定于檩条之上, 也可采用 H 型钢制作斗栱骨架或钢椽, 然后外包金属装饰板成型 (图 9 (c) ) 。斗栱系统和出挑檐口是传统风格建筑的一大特色, 通过斗
17、栱系统的层叠出挑和屋檐的出翘和起翘, 使建筑屋檐美轮美奂, 并给人以舒展深远的感觉。图 9 传统风格建筑斗栱及檐口 下载原图在钢筋混凝土结构传统风格建筑檐口设计时, 椽构件可以提前预制, 箍筋外露, 待预制椽的混凝土达到设计强度要求后安装就位, 椽预留的箍筋与挑檐板钢筋绑扎 (图 10) 。这样施工简便, 减少了支模量, 缩短了工期, 且施工质量易于保证。预制椽与屋面现浇板叠合形成单向密肋挑檐, 保证了出檐深远。图 1 0 钢筋混凝土檐口椽板设计 下载原图钢结构传统风格建筑檐椽尺度及间距需满足建筑造型要求, 若椽均采用方钢管或圆钢管做法, 会导致结构材料性能不能充分发挥, 且檐口钢椽自重较大,
18、 施工繁琐, 工程质量难以保证。基于上述考虑, 在丹凤门遗址博物馆檐口设计时, 采用“虚实结合”的方法 (图 11) , 即受力椽和装饰椽间隔布置, 并通过定位檩条固定在钢梁上。该方法既满足建筑要求, 又可减轻檐口处结构自重, 且材料性能也得到了充分发挥, 同时施工便捷, 节约材料。图 11 钢结构传统建筑檐口设计 下载原图3 结语在中国传统建筑中, 木材及砖石一直是主要的建筑材料, 随着建筑材料的发展及结构技术的进步, 钢筋混凝土及钢材也在传统风格建筑设计中得到了广泛应用, 在满足现行建筑抗震设计规范 (GB500112010) 及建筑设计防火规范 (GB 500162014) 的前提下,
19、采用合适的建筑材料及合理的结构体系, 并对关键构件及连接节点进行可靠设计及试验验证, 可以满足传统风格建筑不同功能及造型要求, 从而使传统风格建筑的使用价值和艺术价值得到继承和发展。参考文献1梁思成.谈建筑M.北京:当代世界出版社, 2006. 2张锦秋.长安沃土育古今-唐大明宫丹凤门遗址博物馆设计J.建筑学报, 2010 (11) :26-29. 3车顺利, 韦孙印, 吴琨, 等.唐大明宫丹凤门遗址博物馆结构设计J.建筑结构, 2017, 47 (3) :88-91. 4贾俊明, 车顺利, 张耀, 等.一种建筑用钢结构收分柱:CN204826406UP.2015-12-02. 5吴琨, 车顺利, 马牧, 等.一种建筑钢筋混凝土结构柱收分装置安装方法:CN104895338AP.2015-09-09. 6董凯利, 韦孙印, 侯文龙.一种建筑用单椽檐板结构:CN204826463UP.2015-12-02. 7张耀, 吴琨, 贾俊明, 等.传统风格建筑梭柱节点抗震性能试验研究J.建筑结构, 2017, 47 (22) :70-75.
