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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，并将其用于某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
某市石门水库位于陕西省汉中市北18 km，修建于20世纪70年代初，大坝为钢筋混凝土双曲拱坝，高88 m，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。依托某水库建成的某栈道风景区是国家AAAA级风景区某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k W。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。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
某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。某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727 m2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31 m、宽11．7 m、高8．5 m;西电站厂房长15．2 m、宽11 m、高8．5 m，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10 t。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18．8 m、宽10．5 m、高14 m，桁车标准10 t。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。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。
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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3 mm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SL 266—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GB 5009—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=0．5 k Pa，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300 mm×400 mm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1．2 m～1．5 m，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4 m～5 m。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1．5 k Pa。屋面设计依据屋面压花钢板经济跨度确定钢檩条间距700 mm，钢檩条设计为C200×60×20×2．5，通过檩托与钢屋架螺栓连接。
结束语：
某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。
参考文献：
[1]马炳坚.中国古建筑木作营造技术.科学出版社,1995.223-456
[2]刘锡良,周学军,柳峰等.门式刚架轻钢结构设计与施工.山东科学技术出版社,2002.112
[3]李和华.钢结构连接节点设计手册.中国建筑工业出版社,1992.12-32
论文作者:王,金
论文发表刊物:《防护工程》2017年第29期
论文发表时间:2018/2/27
标签：屋架论文; 厂房论文; 屋面论文; 建筑论文; 荷载论文; 钢结构论文; 水电站论文; 《防护工程》2017年第29期论文;