仿古建筑结构模型生成研究

刘连民 姜 立 任燕翔 赵景学

(中国建筑科学研究院建筑工程软件所,北京 100013)

1 前言

我国的古代建筑一直延承着木构架为主要结构的支撑体系[1],依据《营造法式》、《工程做法则例》以及传承的经验法则进行设计施工。近几十年来,以钢筋混凝土为材料的仿古建筑得到了大量发展应用。建筑材料的变化,必然导致设计生产工艺的变化,由此,仿古建筑除了要遵守古建的造型与尺寸比例规则,还必须按照钢筋混凝土、抗震等现代规范进行设计施工,这提高了对结构设计人员的要求。

没有熟稔的古建基础知识直接设计仿古结构,后期无论如何作古建深化设计施工,也难以达到纯正自然的效果。仿古建筑设计中结构构造准确是关键。

图1 仿古建筑实例

在仿古建筑的设计之初,设计人员脑袋里已经有了要仿取的古建筑形式,是歇山还是硬山,是正脊还是卷棚,要几间几檩,有没有外廊,屋面坡度情况等等,构想出要仿取的纯正古建筑具体情况,然后再计算各种尺寸数据设计仿古结构。由此,本文提出一套先设计生成仿取对象,然后由仿取对象转化生成仿古结构的方法流程,并在软件中实现。这样,首先生成古建筑可使用户先看到仿古建筑的最终效果,然后转化生成仿古结构。应用表明采用此种方法生成模型迅速高效,省却了用户大量的尺寸位置计算,并保证了模型准确合理。

2 古建筑关键特征及转化规则

2.1 台基部分

在形式上,台基有普通形式、高级(须弥座)形式两类。在平面形式上,台基以矩形状态居多,也有正多边形与圆形。台基的主要附属部分为栏杆、踏跺(台阶)。在设计中,应根据上部的建筑选择适当的台基形式、平面形式以及配套的附属部分。台基设计中最关键的是控制台基的高度、栏杆的高度、台基的下檐出与山出,这些尺寸与上部建筑檐柱高等取值有关。正确设置这些尺寸比例是取得良好视觉效果的根本保障。

常见的古建筑一般较低,相对土地资源利用率低,可以对建筑物地下空间加以利用。当需要生成建筑的附属地下室时,在台基顶面设置地下室顶板,在上部建筑的柱下布置地下室柱,使建筑所有结构性柱下有柱,如图2所示。

图2 台基转化的地下室

2.2 屋身部分

屋身部分为台基顶面至正心桁(无斗拱的小式建筑为檐檩)部分。包含的主要内容有:柱、枋、板、门、窗、墙等。各种构件的截面尺寸应按建筑的木作模数来控制,如带斗拱建筑以斗口为模数,无斗拱小式建筑以柱径为模数,同时还要参考模数与檐柱高的比例关系,把握面宽与进深尺度、面宽与柱高比例关系[2]。在现代的仿古建筑设计中,一种是希望尽可能仿到惟妙惟肖,一种以仿取古建筑的基本特征即可。但无论如何设计者都应该清楚,这些尺寸比例的控制都是达到古建筑尺度感的关键。

屋身部分转仿古结构规则:

檐柱间沿开间(面阔)方向的横向联系构件在小式建筑与大式建筑中有所不同。在小式建筑中为檩三件,包括檐檩、檐垫板、檐枋,仿古结构中保留檐檩用以形成上部屋面,保留檐枋用于檐柱间横向拉结,略去檐垫板。在大式建筑中的柱头部位有大额枋、由额垫板、小额枋,柱头以上有平板枋、斗拱、正心桁,在仿古结构中延伸柱头至正心桁,正心桁用以形成上部屋面,大额枋用于檐柱间横向拉结,略去其它构件。对于柱间其它联系,保留抱头梁、桃尖梁,略去穿插枋。略去的各种构件可在装修时作为装饰性构件进行安装。例如施工时可在穿插枋的安装部位设置预埋件,利用各种板材等制作成穿插枋,在后期进行安装,在完成各道工艺处理后,就可达到一样的效果。门、窗、墙都是非结构性构件,不予转化。

2.3 屋顶部分

屋顶是古建筑最具有特色的部分,包括屋檐、内部梁架、桁檩三件,以及角梁、由戗等。

屋檐部分的关键控制有檐举架、上檐出,带翼角建筑翼角的冲出值与翘起值以及翼角的曲线。翼角是中国古建筑屋顶的显著特点之一,常见翼角转角有 90°、120°、135°,翼角的设计中以“冲三翘四”原则为参考,即冲出值为三椽径,翘起值为四椽径,在实际的应用中,当确定上檐出、檐步架、翼角角度后,当冲出三椽径时可推算出翘起的高度。然后再根据实际的冲出翘起值求解翼角的曲线,分析出翼角椽的数量,计算出翼角椽飞的铺设点位。

屋檐部分转化仿古结构规则:

老角梁与仔角梁合并形成一个角梁构件,在老角梁头分段变截面,保持仔角梁头位置。在柱头位置沿屋面向外设斜梁,有挑檐桁时,生成挑檐桁,在挑檐桁以内用梁向外挑出屋面,在挑檐桁以外用板挑出屋面。当檐平出大于 1.5米时,可将斜梁延伸至椽头,在椽头上部设横向桁梁加强屋檐的挑出能力。从屋檐下部看,由椽头到飞椽处形成台阶,上部适于设置横向桁梁且不影响檐口的造型。椽飞作为装饰性构件,既可用木料制作在后期挂设,也可采用钢筋混凝土材料预制,椽上预留拉锚钢筋,在施工时将椽参于浇注完成挂接。

屋檐以上部分需控制的关键数据有步架、举架,歇山建筑的收山,庑殿建筑的推山等。步架值可用于控制廊宽以及建筑的进深,一般廊(檐)步架与模数间有明确的计算关系,如小式廊步架常为 4柱径 ～5柱径,大式廊步架为整数攒选定斗拱。举架用于控制屋面的坡度,屋面的坡度由下向上为逐步增大趋势,如 0.5、0.65、0.75、0.9等,一般檐举架取五举,脊举架最大为十举。小式时檐举架也可取四五举或五五举,脊举架一般不超过八五举[1]。歇山收山位置的确定对屋顶的视觉效果有一定的影响,由于规则简单较易于控制,庑殿的推山不仅是正脊变长垂脊向外弯曲的主要控制因素,还决定了山面支撑的位置。

柱排数、檩数与梁架形式之间的关系:

古建筑柱排数常为 2至 6排,基本形式常前后对称,中跨梁架形式有三架梁、四架梁、五架梁、六架梁、七架梁五种形式,当有中柱时还有单步梁、双步梁、三步梁三种形式,侧边跨仅有单步架、双步梁、三步梁三种形式。当结构形式、檩数、间数确定后,就可以通过柱排数、梁架形式的特点列举所有可能形式,经过分析可得出所有可能的柱形式、梁架形式。

例如大式的歇山建筑,当结构形式为单檐,廊形式为无廊,檩数为九檩时,会有如下多种情况存在:

·A.2排柱时,不存在九架梁形式

·B.3排柱时,不存在四步梁形式

·C.4排柱时,五架梁(前后双步梁)

·D.4排柱时,三架梁(前后三步梁)——不合理(中部支撑能力冗余)

·E.4排柱时,七架梁(前后单步梁)

·F.5排柱时,中柱单步梁(前后三步梁)——不合理(中部支撑能力冗余)

·G.5排柱时,中柱双步梁(前后双步)

·H.5排柱时,中柱三步梁(前后单步梁)

·I.6排柱时,——不合理(柱过多支撑能力冗余)

由此可得,在柱形式有:4柱、5柱两种形式,梁架形式有:五架梁、七架梁、中柱双步梁、中柱三步梁四种形式。当采用 4柱时,梁架形式有五架梁、七架梁两种合理选择;当采用 5柱时,梁架形式有中柱双步梁、中柱三步梁两种合理选择,如图3所示。

屋顶部分转化仿古结构规则:

简化所有桁檩三件,仅在桁檩位置生成桁梁。在柱列位置上沿屋面布置斜梁,使桁梁与斜梁纵横交错划分屋面区域形成现浇屋面。

对带翼角屋顶划可分为上、下两段。如图4所示,从檐柱头至下金桁檩为下段,下金桁檩以上为上段。下段单独形成结构的一层,下段的划分保证了屋檐与翼角的形状特征。上段从金桁檩至屋面顶部之间以柱特征进行结构层划分,每一个结构层分别简化中部桁檩与梁架,简化后结构如图5所示。

对于尖山式屋顶,当中跨跨度不大于 8米时,简化形式如图6(a)所示,当中跨跨度大于 8米时,简化形式如图6(b)所示。对于卷棚式屋顶,中跨简化形式如图6(c)所示。

图3 九檩梁歇山木结构

图4 带翼角屋顶结构分层示意图(简化前)

图5 带翼角屋顶结构分层示意图(简化后)

图6 中跨简化形式

图7 侧边跨简化形式

对于侧边跨部分,当跨度不大于6米时,简化形式如图7(a)所示,当跨度大于 6米时,程序自动在中部增加竖向支撑如图7(b)所示。

形成仿古结构后,结构屋面的坡度变的生硬,特别对于庑殿式建筑,由戗线段数减少,在瓦作施工时,需要在结构屋面上找出古建要求的坡度,按既定的庑殿推山做出垂脊的弯曲度。在当前的开发中,实现了古建结构向仿古结构的转化,在屋面坡度多,简化后坡度过少时,可能会出现不能按最初要求找出屋面坡度的情况,这会在进一步的开发中解决。

2.4 构件截面预设

生成仿古结构的各种构件截面尺寸是直接取自对应的木结构构件截面尺寸的。以后根据场地情况、抗震等级等条件可进行交互修改。

3 实现流程

仿古建筑的设计包括建模设计以及结构分析、配筋、施工图设计等内容,其中古建软件 GuCAD负责结构的建模,PKPM系列软件负责后继的各项分析设计。在 GuCAD中按本文提出的方法实现了古建筑模型向仿古结构模型的转化,即提取古建筑结构信息,将木结构转化为对应的仿古结构,同时生成可在 PKPM系列软件中打开的 PMCAD文件,从而完成了由古建筑模型转成仿古结构模型,流程见图8。以仿古歇山建筑结构建模为例,选择歇山建筑设计功能模块,选择与输入各项参数后可生成歇山的建筑模型[3],如图9为重檐七间十三檩六排柱五架梁歇山模型。使用“古建结构转仿古结构”功能,可将歇山建筑模型转化为仿古结构模型,如图10,同时可生成 PMCAD工程文件。

图8 基本流程图

图9 重檐歇山

图10 重檐歇山对应仿古结构

在整个过程中仅有柱高、开间、步架、举架等基础数据的输入,在古建结构转化仿古结构的过程中只有简单的控制选择,古建模型的生成与仿古结构的转化由软件自行分析计算完成,实现了准确高效的建筑建模,省却了大量数据计算工作。

4 结束语

本文提出的方法,已经在中国古典建筑设计软件(GuCAD)中实现了庑殿、歇山等大型建筑木结构的仿古建筑结构模型的转化生成。支持直接生成 PKPM结构数据文件,可在 PKPM结构软件中进行仿古建筑的结构分析设计。应用表明,这套方法降低了对用户的专业要求,保证了结构的准确适当,显著地提高了仿古结构设计效率。

[1] 马炳坚.中国古建筑木作营造技术(第二版)[M].北京:科学出版社.2003

[2] 梁思成.清式营造则例[M].北京:清华大学出版社.2006

[3] 刘连民.赵景学.任燕翔.中国古代建筑计算机设计方法[M].北京:中国建筑工业出版社.2009