仿古建筑結(jié)構(gòu)模型生成研究

劉連民 姜 立 任燕翔 趙景學(xué)

(中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件所,北京 100013)

1 前言

我國(guó)的古代建筑一直延承著木構(gòu)架為主要結(jié)構(gòu)的支撐體系[1],依據(jù)《營(yíng)造法式》、《工程做法則例》以及傳承的經(jīng)驗(yàn)法則進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。近幾十年來(lái),以鋼筋混凝土為材料的仿古建筑得到了大量發(fā)展應(yīng)用。建筑材料的變化,必然導(dǎo)致設(shè)計(jì)生產(chǎn)工藝的變化,由此,仿古建筑除了要遵守古建的造型與尺寸比例規(guī)則,還必須按照鋼筋混凝土、抗震等現(xiàn)代規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)施工,這提高了對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的要求。

沒(méi)有熟稔的古建基礎(chǔ)知識(shí)直接設(shè)計(jì)仿古結(jié)構(gòu),后期無(wú)論如何作古建深化設(shè)計(jì)施工,也難以達(dá)到純正自然的效果。仿古建筑設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)構(gòu)造準(zhǔn)確是關(guān)鍵。

圖1 仿古建筑實(shí)例

在仿古建筑的設(shè)計(jì)之初,設(shè)計(jì)人員腦袋里已經(jīng)有了要仿取的古建筑形式,是歇山還是硬山,是正脊還是卷棚,要幾間幾檁,有沒(méi)有外廊,屋面坡度情況等等,構(gòu)想出要仿取的純正古建筑具體情況,然后再計(jì)算各種尺寸數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)仿古結(jié)構(gòu)。由此,本文提出一套先設(shè)計(jì)生成仿取對(duì)象,然后由仿取對(duì)象轉(zhuǎn)化生成仿古結(jié)構(gòu)的方法流程,并在軟件中實(shí)現(xiàn)。這樣,首先生成古建筑可使用戶先看到仿古建筑的最終效果,然后轉(zhuǎn)化生成仿古結(jié)構(gòu)。應(yīng)用表明采用此種方法生成模型迅速高效,省卻了用戶大量的尺寸位置計(jì)算,并保證了模型準(zhǔn)確合理。

2 古建筑關(guān)鍵特征及轉(zhuǎn)化規(guī)則

2.1 臺(tái)基部分

在形式上,臺(tái)基有普通形式、高級(jí)(須彌座)形式兩類。在平面形式上,臺(tái)基以矩形狀態(tài)居多,也有正多邊形與圓形。臺(tái)基的主要附屬部分為欄桿、踏跺(臺(tái)階)。在設(shè)計(jì)中,應(yīng)根據(jù)上部的建筑選擇適當(dāng)?shù)呐_(tái)基形式、平面形式以及配套的附屬部分。臺(tái)基設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的是控制臺(tái)基的高度、欄桿的高度、臺(tái)基的下檐出與山出,這些尺寸與上部建筑檐柱高等取值有關(guān)。正確設(shè)置這些尺寸比例是取得良好視覺效果的根本保障。

常見的古建筑一般較低,相對(duì)土地資源利用率低,可以對(duì)建筑物地下空間加以利用。當(dāng)需要生成建筑的附屬地下室時(shí),在臺(tái)基頂面設(shè)置地下室頂板,在上部建筑的柱下布置地下室柱,使建筑所有結(jié)構(gòu)性柱下有柱,如圖2所示。

圖2 臺(tái)基轉(zhuǎn)化的地下室

2.2 屋身部分

屋身部分為臺(tái)基頂面至正心桁(無(wú)斗拱的小式建筑為檐檁)部分。包含的主要內(nèi)容有:柱、枋、板、門、窗、墻等。各種構(gòu)件的截面尺寸應(yīng)按建筑的木作模數(shù)來(lái)控制,如帶斗拱建筑以斗口為模數(shù),無(wú)斗拱小式建筑以柱徑為模數(shù),同時(shí)還要參考模數(shù)與檐柱高的比例關(guān)系,把握面寬與進(jìn)深尺度、面寬與柱高比例關(guān)系[2]。在現(xiàn)代的仿古建筑設(shè)計(jì)中,一種是希望盡可能仿到惟妙惟肖,一種以仿取古建筑的基本特征即可。但無(wú)論如何設(shè)計(jì)者都應(yīng)該清楚,這些尺寸比例的控制都是達(dá)到古建筑尺度感的關(guān)鍵。

屋身部分轉(zhuǎn)仿古結(jié)構(gòu)規(guī)則:

檐柱間沿開間(面闊)方向的橫向聯(lián)系構(gòu)件在小式建筑與大式建筑中有所不同。在小式建筑中為檁三件,包括檐檁、檐墊板、檐枋,仿古結(jié)構(gòu)中保留檐檁用以形成上部屋面,保留檐枋用于檐柱間橫向拉結(jié),略去檐墊板。在大式建筑中的柱頭部位有大額枋、由額墊板、小額枋,柱頭以上有平板枋、斗拱、正心桁,在仿古結(jié)構(gòu)中延伸柱頭至正心桁,正心桁用以形成上部屋面,大額枋用于檐柱間橫向拉結(jié),略去其它構(gòu)件。對(duì)于柱間其它聯(lián)系,保留抱頭梁、桃尖梁,略去穿插枋。略去的各種構(gòu)件可在裝修時(shí)作為裝飾性構(gòu)件進(jìn)行安裝。例如施工時(shí)可在穿插枋的安裝部位設(shè)置預(yù)埋件,利用各種板材等制作成穿插枋,在后期進(jìn)行安裝,在完成各道工藝處理后,就可達(dá)到一樣的效果。門、窗、墻都是非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件,不予轉(zhuǎn)化。

2.3 屋頂部分

屋頂是古建筑最具有特色的部分,包括屋檐、內(nèi)部梁架、桁檁三件,以及角梁、由戧等。

屋檐部分的關(guān)鍵控制有檐舉架、上檐出,帶翼角建筑翼角的沖出值與翹起值以及翼角的曲線。翼角是中國(guó)古建筑屋頂?shù)娘@著特點(diǎn)之一,常見翼角轉(zhuǎn)角有 90°、120°、135°,翼角的設(shè)計(jì)中以“沖三翹四”原則為參考,即沖出值為三椽徑,翹起值為四椽徑,在實(shí)際的應(yīng)用中,當(dāng)確定上檐出、檐步架、翼角角度后,當(dāng)沖出三椽徑時(shí)可推算出翹起的高度。然后再根據(jù)實(shí)際的沖出翹起值求解翼角的曲線,分析出翼角椽的數(shù)量,計(jì)算出翼角椽飛的鋪設(shè)點(diǎn)位。

屋檐部分轉(zhuǎn)化仿古結(jié)構(gòu)規(guī)則:

老角梁與仔角梁合并形成一個(gè)角梁構(gòu)件,在老角梁頭分段變截面,保持仔角梁頭位置。在柱頭位置沿屋面向外設(shè)斜梁,有挑檐桁時(shí),生成挑檐桁,在挑檐桁以內(nèi)用梁向外挑出屋面,在挑檐桁以外用板挑出屋面。當(dāng)檐平出大于 1.5米時(shí),可將斜梁延伸至椽頭,在椽頭上部設(shè)橫向桁梁加強(qiáng)屋檐的挑出能力。從屋檐下部看,由椽頭到飛椽處形成臺(tái)階,上部適于設(shè)置橫向桁梁且不影響檐口的造型。椽飛作為裝飾性構(gòu)件,既可用木料制作在后期掛設(shè),也可采用鋼筋混凝土材料預(yù)制,椽上預(yù)留拉錨鋼筋,在施工時(shí)將椽參于澆注完成掛接。

屋檐以上部分需控制的關(guān)鍵數(shù)據(jù)有步架、舉架,歇山建筑的收山,廡殿建筑的推山等。步架值可用于控制廊寬以及建筑的進(jìn)深,一般廊(檐)步架與模數(shù)間有明確的計(jì)算關(guān)系,如小式廊步架常為 4柱徑 ～5柱徑,大式廊步架為整數(shù)攢選定斗拱。舉架用于控制屋面的坡度,屋面的坡度由下向上為逐步增大趨勢(shì),如 0.5、0.65、0.75、0.9等,一般檐舉架取五舉,脊舉架最大為十舉。小式時(shí)檐舉架也可取四五舉或五五舉,脊舉架一般不超過(guò)八五舉[1]。歇山收山位置的確定對(duì)屋頂?shù)囊曈X效果有一定的影響,由于規(guī)則簡(jiǎn)單較易于控制,廡殿的推山不僅是正脊變長(zhǎng)垂脊向外彎曲的主要控制因素,還決定了山面支撐的位置。

柱排數(shù)、檁數(shù)與梁架形式之間的關(guān)系:

古建筑柱排數(shù)常為 2至 6排,基本形式常前后對(duì)稱,中跨梁架形式有三架梁、四架梁、五架梁、六架梁、七架梁五種形式,當(dāng)有中柱時(shí)還有單步梁、雙步梁、三步梁三種形式,側(cè)邊跨僅有單步架、雙步梁、三步梁三種形式。當(dāng)結(jié)構(gòu)形式、檁數(shù)、間數(shù)確定后,就可以通過(guò)柱排數(shù)、梁架形式的特點(diǎn)列舉所有可能形式,經(jīng)過(guò)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,當(dāng)結(jié)構(gòu)形式為單檐,廊形式為無(wú)廊,檁數(shù)為九檁時(shí),會(huì)有如下多種情況存在:

·A.2排柱時(shí),不存在九架梁形式

·B.3排柱時(shí),不存在四步梁形式

·C.4排柱時(shí),五架梁(前后雙步梁)

·D.4排柱時(shí),三架梁(前后三步梁)——不合理(中部支撐能力冗余)

·E.4排柱時(shí),七架梁(前后單步梁)

·F.5排柱時(shí),中柱單步梁(前后三步梁)——不合理(中部支撐能力冗余)

·G.5排柱時(shí),中柱雙步梁(前后雙步)

·H.5排柱時(shí),中柱三步梁(前后單步梁)

·I.6排柱時(shí),——不合理(柱過(guò)多支撐能力冗余)

由此可得,在柱形式有:4柱、5柱兩種形式,梁架形式有:五架梁、七架梁、中柱雙步梁、中柱三步梁四種形式。當(dāng)采用 4柱時(shí),梁架形式有五架梁、七架梁兩種合理選擇;當(dāng)采用 5柱時(shí),梁架形式有中柱雙步梁、中柱三步梁兩種合理選擇,如圖3所示。

屋頂部分轉(zhuǎn)化仿古結(jié)構(gòu)規(guī)則:

簡(jiǎn)化所有桁檁三件,僅在桁檁位置生成桁梁。在柱列位置上沿屋面布置斜梁,使桁梁與斜梁縱橫交錯(cuò)劃分屋面區(qū)域形成現(xiàn)澆屋面。

對(duì)帶翼角屋頂劃可分為上、下兩段。如圖4所示,從檐柱頭至下金桁檁為下段,下金桁檁以上為上段。下段單獨(dú)形成結(jié)構(gòu)的一層,下段的劃分保證了屋檐與翼角的形狀特征。上段從金桁檁至屋面頂部之間以柱特征進(jìn)行結(jié)構(gòu)層劃分,每一個(gè)結(jié)構(gòu)層分別簡(jiǎn)化中部桁檁與梁架,簡(jiǎn)化后結(jié)構(gòu)如圖5所示。

對(duì)于尖山式屋頂,當(dāng)中跨跨度不大于 8米時(shí),簡(jiǎn)化形式如圖6(a)所示,當(dāng)中跨跨度大于 8米時(shí),簡(jiǎn)化形式如圖6(b)所示。對(duì)于卷棚式屋頂,中跨簡(jiǎn)化形式如圖6(c)所示。

圖3 九檁梁歇山木結(jié)構(gòu)

圖4 帶翼角屋頂結(jié)構(gòu)分層示意圖(簡(jiǎn)化前)

圖5 帶翼角屋頂結(jié)構(gòu)分層示意圖(簡(jiǎn)化后)

圖6 中跨簡(jiǎn)化形式

圖7 側(cè)邊跨簡(jiǎn)化形式

對(duì)于側(cè)邊跨部分,當(dāng)跨度不大于6米時(shí),簡(jiǎn)化形式如圖7(a)所示,當(dāng)跨度大于 6米時(shí),程序自動(dòng)在中部增加豎向支撐如圖7(b)所示。

形成仿古結(jié)構(gòu)后,結(jié)構(gòu)屋面的坡度變的生硬,特別對(duì)于廡殿式建筑,由戧線段數(shù)減少,在瓦作施工時(shí),需要在結(jié)構(gòu)屋面上找出古建要求的坡度,按既定的廡殿推山做出垂脊的彎曲度。在當(dāng)前的開發(fā)中,實(shí)現(xiàn)了古建結(jié)構(gòu)向仿古結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化,在屋面坡度多,簡(jiǎn)化后坡度過(guò)少時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)不能按最初要求找出屋面坡度的情況,這會(huì)在進(jìn)一步的開發(fā)中解決。

2.4 構(gòu)件截面預(yù)設(shè)

生成仿古結(jié)構(gòu)的各種構(gòu)件截面尺寸是直接取自對(duì)應(yīng)的木結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸的。以后根據(jù)場(chǎng)地情況、抗震等級(jí)等條件可進(jìn)行交互修改。

3 實(shí)現(xiàn)流程

仿古建筑的設(shè)計(jì)包括建模設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)分析、配筋、施工圖設(shè)計(jì)等內(nèi)容,其中古建軟件 GuCAD負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)的建模,PKPM系列軟件負(fù)責(zé)后繼的各項(xiàng)分析設(shè)計(jì)。在 GuCAD中按本文提出的方法實(shí)現(xiàn)了古建筑模型向仿古結(jié)構(gòu)模型的轉(zhuǎn)化,即提取古建筑結(jié)構(gòu)信息,將木結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的仿古結(jié)構(gòu),同時(shí)生成可在 PKPM系列軟件中打開的 PMCAD文件,從而完成了由古建筑模型轉(zhuǎn)成仿古結(jié)構(gòu)模型,流程見圖8。以仿古歇山建筑結(jié)構(gòu)建模為例,選擇歇山建筑設(shè)計(jì)功能模塊,選擇與輸入各項(xiàng)參數(shù)后可生成歇山的建筑模型[3],如圖9為重檐七間十三檁六排柱五架梁歇山模型。使用“古建結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)仿古結(jié)構(gòu)”功能,可將歇山建筑模型轉(zhuǎn)化為仿古結(jié)構(gòu)模型,如圖10,同時(shí)可生成 PMCAD工程文件。

圖8 基本流程圖

圖9 重檐歇山

圖10 重檐歇山對(duì)應(yīng)仿古結(jié)構(gòu)

在整個(gè)過(guò)程中僅有柱高、開間、步架、舉架等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的輸入,在古建結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化仿古結(jié)構(gòu)的過(guò)程中只有簡(jiǎn)單的控制選擇,古建模型的生成與仿古結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化由軟件自行分析計(jì)算完成,實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確高效的建筑建模,省卻了大量數(shù)據(jù)計(jì)算工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的方法,已經(jīng)在中國(guó)古典建筑設(shè)計(jì)軟件(GuCAD)中實(shí)現(xiàn)了廡殿、歇山等大型建筑木結(jié)構(gòu)的仿古建筑結(jié)構(gòu)模型的轉(zhuǎn)化生成。支持直接生成 PKPM結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件,可在 PKPM結(jié)構(gòu)軟件中進(jìn)行仿古建筑的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)。應(yīng)用表明,這套方法降低了對(duì)用戶的專業(yè)要求,保證了結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確適當(dāng),顯著地提高了仿古結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率。

[1] 馬炳堅(jiān).中國(guó)古建筑木作營(yíng)造技術(shù)(第二版)[M].北京:科學(xué)出版社.2003

[2] 梁思成.清式營(yíng)造則例[M].北京:清華大學(xué)出版社.2006

[3] 劉連民.趙景學(xué).任燕翔.中國(guó)古代建筑計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2009