淺談建筑中的老虎窗

□□ 楊 曉 (山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

老虎窗又稱為老虎天窗，是指一種開在屋頂上的天窗。也就是在斜屋面上凸出的窗，用作房屋頂部的采光和通風(fēng)。

在建筑設(shè)計中，豐富建筑外立面的方式有很多，例如飄窗、陽臺、穿插手法等，而對于坡屋面的處理，現(xiàn)代建筑中老虎窗越來越多地被采用。尤其是住宅、辦公樓、賓館等，可在坡屋面上設(shè)置老虎窗來豐富建筑的外立面。那么，在建筑設(shè)計以及結(jié)構(gòu)設(shè)計中如何處理老虎窗的尺寸及荷載傳遞，才能得到更好的建筑立面效果和合理的傳力途徑呢?本文以山西襄汾正大電力有限公司辦公樓為例，對建筑中的老虎窗進行簡單分析。

1 建筑設(shè)計中的老虎窗

1.1 中國古建筑的屋頂

我國建筑的屋頂尤其是古代建筑的屋頂，在世界建筑歷史的長河中就像一顆光彩奪目的明珠，散發(fā)出璀璨的光芒。

我國古代建筑的屋面在建筑的外立面效果中，起到了特別重要的作用。層層挑出的屋檐，優(yōu)美的檐口弧度以及屋面在舉架作用下形成的略顯反曲的效果，俏皮的屋角輕輕地上挑，這些細節(jié)都顯示出我國古代建筑屋頂?shù)募毮伜拓S富。我國古建屋頂?shù)男问截S富多彩，如硬山、歇山、懸山、攢尖、廡殿、十字脊、重檐、盝頂?shù)?，加之屋面上閃耀的琉璃瓦飾面，使得我國古建有一種很獨特的藝術(shù)效果。在我國古代建筑的發(fā)展過程中，建筑師們對屋頂進行各種組合，使得建筑物的線條更加流暢，鳥瞰效果更是令人驚嘆。因此，我國古代建筑的“第五立面”不止一次被喻為世界建筑中最具有魅力的屋面。

1.2 屋頂所開窗戶的發(fā)展

在我國古代建筑中，坡屋面占了很大比例，其中，屋面的開窗形式對屋面效果的影響非常大。我國古代建筑坡屋頂上開窗形式的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下3個階段。

第一個階段，天井(構(gòu)造最為簡單)，采光面積大約為0.2 m2，這種做法常用于有外墻、較容易在外墻上開窗戶，以便起到通風(fēng)作用的房間，而位于中間的房間通常開設(shè)通氣窗，既可起到采光的作用，又可在開窗后起到通風(fēng)的作用。

第二個階段，將悶頂?shù)奶齑俺叽缭龃螅瑫r在窗的兩邊砌墻。這種做法最早出現(xiàn)在上海，隨著其工業(yè)人口的增加，居住情況日漸擁擠，于是將悶頂用于居住，隨之就出現(xiàn)了將原來的天井改造成與傳統(tǒng)的窗戶一樣，即窗面與地面垂直的狀態(tài)，以此來得到更大的居住面積。

第三個階段，現(xiàn)在所用的老虎窗。事實上，老虎窗是音譯而來的，是英語ROOF的滬語諧音讀法。1843年上海開埠后，很多英國人來到了上海，同時引進了英國式的建筑。由于，位于北歐的英國為嚴寒地區(qū)，出于減少建筑物上的雪荷載，那里的建筑屋頂一般設(shè)計成坡屋頂或者尖頂形式。

設(shè)置老虎窗最初的作用是避免悶頂中潮濕的熱氣滯留，防止內(nèi)部堆放的糧食發(fā)霉變質(zhì)，同時也可以防止坡屋面所采用的木質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件腐爛變質(zhì)，而降低結(jié)構(gòu)的承載能力。這種做法現(xiàn)階段在農(nóng)村還大量被采用。

2 工程概況

襄汾正大電力有限公司辦公樓工程，層高為3層，采用磚混結(jié)構(gòu)，無地下室，基礎(chǔ)采用的是磚砌條形基礎(chǔ)，砌體施工質(zhì)量等級要求達到B級。建筑物設(shè)計標高±0.000 m，相對于絕對標高401.753 m。該工程地下部分的環(huán)境為二b類，其余為一類。

該辦公樓結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計使用年限為50年。建筑抗震設(shè)防類別為丙類，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為丙級。場地地震基本烈度為8度，抗震設(shè)防烈度為8度(0.20g)，設(shè)計地震分組第一組，場地類別為Ⅲ類。該工程場地標準凍結(jié)深度為0.58 m。

3 建筑圖中的老虎窗

3.1 老虎窗的窗扇

圖1所示為襄汾正大電力有限公司辦公樓局部屋面平面圖，屋面采用坡屋面，悶頂上部的老虎窗一個位于C軸－F軸與3軸－4軸處，一個位于C軸－F軸與5軸－6軸處。從圖1可以看出，3軸、4軸及5軸上的承重構(gòu)件為黏土磚墻，此處墻上部均設(shè)有圈梁。

圖1 辦公樓局部屋面平面圖

現(xiàn)代建筑中的老虎窗除了采光和通風(fēng)的作用外，還有很強的立面裝飾效果。甚至于有一部分坡屋頂建筑的老虎窗前面的窗扇是固定的，不能開啟，只起到裝飾作用。當然，這樣的建筑悶頂通常是不住人的，只是作為儲藏室。該工程中所設(shè)的3個老虎窗，兩個在建筑的背立面，前面的窗扇是1塊不可開啟的鋼筋混凝土板。另一個在建筑外立面居中的位置，其體量較大，在該工程中以造型的角色進行處理，前面的窗扇位置仍采用鋼筋混凝土薄板進行處理(見圖2)。

圖2 A－A剖面圖

3.2 泛水做法

老虎窗與坡屋面交接處的谷線處應(yīng)做泛水，此處結(jié)構(gòu)層中的鋼筋可按折板來做。

泛水做法一:泛水可用304不銹鋼來做，其上做保護層(涂刷防銹漆)，水泥砂漿找平，上覆蓋瓦片即可。

泛水做法二:將坡屋面上的卷材防水層上翻到老虎窗側(cè)墻上，并在垂直墻體與坡屋面交接的谷線處加鋪防水卷材1道。其上做水泥砂漿找平層，再附面層(可采用瓦片)。同時，注意縫隙處的油膏嵌實(見圖3)。

圖3 老虎窗泛水

4 結(jié)構(gòu)計算

4.1 軟件中老虎窗荷載的輸入

若是采用水平投影面積較小的老虎窗，即在同一個計算單元中，可手工計算老虎窗屋面荷載及墻荷載，加到下部受力構(gòu)件上即可。若是老虎窗水平投影面積較大，跨越了計算單元，下部就需要加設(shè)梁來承受上部荷載。按實際情況手工計算荷載后，分別輸入到下部所設(shè)的梁上。

現(xiàn)階段，PMPK結(jié)構(gòu)計算軟件中的PMCAD還沒有辦法確切地模擬老虎窗的模型，所以，通常采用簡化荷載的輸入方式。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計中的老虎窗

由圖1可見，3軸、4軸以及5軸上的圈梁為QL4，圈梁可起到增加砌體結(jié)構(gòu)整體性的作用。該建筑所在地為襄汾，抗震設(shè)防烈度8度(0.20g)，根據(jù)原GB 50011—2001《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的要求，可得QL4配筋為4根Φ 12 mm(見圖4)。6軸上沒有承重墻，所以設(shè)梁來承受上部老虎窗傳來的荷載(見圖5)。此處，L2的配筋需進行計算。

4.3 荷載計算

根據(jù)建筑設(shè)計說明，屋面做法(由上到下)為:SBS改性瀝青防水層4 mm厚(帶鋁箔保護層);20 mm厚水泥砂漿找平層;1∶6水泥焦渣砂漿找2%排水坡，最薄處30 mm厚;80 mm厚聚苯泡沫塑料板保溫層。

圖4 QL4配筋

圖5 L2配筋

L2截面設(shè)計尺寸為:b×h=240 mm×550 mm，板厚110 mm，層高3.3 m，梁上有240 mm厚磚墻。

SBS改性瀝青防水層4 mm厚(帶鋁箔保護層):0.04 ×13.4=0.54(kN/m2)

20 mm厚水泥砂漿找平層:0.02×20=0.4(kN/m2)

1∶6水泥焦渣砂漿找2%排水坡，最薄處30 mm厚:14 ×(10.5 ×2%+0.03)=3.36(kN/m2)

80 mm厚聚苯泡沫塑料板保溫層:0.08×0.5=0.04(kN/m2)

合計:4.34 kN/m2(取 4.4 kN/m2)

(1)恒荷載計算:

線荷載:①墻自重:(3.3－0.05)×(0.04 ×17+0.24 ×19)=14.41(kN/m2)

②梁自重:0.24 ×0.55 ×2=3.3(kN/m2)

合計:17.71 kN/m2

面荷載:①板自重:0.11 ×25=2.75(kN/m2)

②梁自重:4.4kN/m2

合計:7.15 kN/m2

(2)活荷載:2.0 kN/m2

(3)計算范圍:3.6/2=1.8(m)

(4)線荷載:q1=17.71 ×1.2=21.26(kN/m2)

板傳來荷載:q2=7.15×1.8×1.2+2×1.8 ×1.4=20.484(kN/m2)

(5)內(nèi)力計算:

M1=ql2/8=21.26 ×6.24 ×6.24/8=103.477(kN·m)

M2=ql2(3－4a2/l2)/24=75.75(kN·m)

所以，取最大彎矩值為200.05 kN·m。

受力鋼筋配筋為4根Φ 25 mm的二級鋼筋(見圖6)。

圖6 老虎窗扇板配筋

5 結(jié)語

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展和生活水平的提高，人們已不滿足于僅僅擁有一處住所，而且對建筑周邊配套設(shè)施的完善程度，對聲環(huán)境以及建筑外立面是否別致新穎，有了越來越多的細節(jié)要求。在眾多的因素中，一個小區(qū)的周邊環(huán)境、一幢建筑的外立面會給人以最直觀的感覺。所以，建筑師們在建筑外立面設(shè)計上費盡心思，力求奪人眼球。而在建筑外立面的影響因素中，屋頂?shù)奶幚砗驮煨褪欠浅＞哂杏绊懥Φ?。近年來，建筑的仿歐風(fēng)正在盛行，很多建筑紛紛采用了坡屋頂，并通過加設(shè)老虎窗來吸引人們購買頂層建筑。老虎窗常常與露臺配用，這種做法在高層建筑中顯示出獨特的作用。很多頂層住戶回到家中，無需下樓即可在露臺上享受室外的空曠和新鮮的空氣?？梢韵嘈?，老虎窗以其特有的輕巧和空間延伸作用，會在未來的建筑中成為一個靚點。

［1］潘谷西.中國建筑史［M］.第5版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.