鋼筋混凝土仿古建筑結(jié)構(gòu)施工技術(shù)*

蔡成賓

(甘肅公航旅歷史街區(qū)建設(shè)投資有限公司 甘肅 武威 733000)

近年來我國(guó)大力扶持西部文化旅游業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略,西北、西南等絲綢之路沿線省份的歷史名城受到國(guó)家政策和資金的重點(diǎn)支持。蘭州、天水、武威、西安、成都等城市相繼出臺(tái)了本地區(qū)的文化旅游發(fā)展規(guī)劃,并投入大量資金用于古鎮(zhèn)、古街仿古風(fēng)貌建設(shè)項(xiàng)目,直接帶動(dòng)了傳統(tǒng)古鎮(zhèn)更新改造和新建仿古建筑設(shè)計(jì)施工規(guī)模的大幅增加。在仿古建筑設(shè)計(jì)理念追求風(fēng)格傳承與現(xiàn)代功能擴(kuò)展并重的新階段,建筑新材料尤其是鋼筋混凝土材料如何實(shí)現(xiàn)對(duì)仿古建筑風(fēng)格還原和擴(kuò)充功能兩個(gè)屬性的同步兼顧,是建筑行業(yè)亟待深入探索和總結(jié)的重要課題。

1 工程概況

基于武威歷史文化街區(qū)保護(hù)建設(shè)項(xiàng)目建筑面積大、預(yù)算高、涉及內(nèi)容廣,可充分反映當(dāng)前仿古建筑保護(hù)與建設(shè)的技術(shù)運(yùn)用與難點(diǎn),因此將其作為本文的分析對(duì)象。武威歷史文化街區(qū)保護(hù)建設(shè)項(xiàng)目位于武威老城區(qū),規(guī)劃保護(hù)區(qū)域包括羅什寺、古鐘樓、文廟三大歷史文化街區(qū)以及再就業(yè)市場(chǎng)片區(qū)。該項(xiàng)目總投資38.86億元,總占地面積為31.568 萬(wàn)m2,其中建筑面積24.88萬(wàn)m2。建筑面積中,保護(hù)修繕類1.27萬(wàn)m2,恢復(fù)傳統(tǒng)民居2.24萬(wàn)m2,仿古風(fēng)貌建筑19.25萬(wàn)m2,立面改造2.76萬(wàn)m2。綠化面積為6.43萬(wàn)m2。項(xiàng)目共規(guī)劃各類單體建筑125棟,古民居院落32處。功能定位以依托歷史文化街區(qū)的旅游資源,形成涼州古城“L”型金腰帶。重點(diǎn)保護(hù)三大歷史街區(qū)原有古建筑,同時(shí)恢復(fù)傳統(tǒng)居民點(diǎn),打造涼州不夜城,展現(xiàn)涼州古韻,弘揚(yáng)武威悠久的歷史文化。

2 鋼筋混凝土仿古建筑的特征

2.1 外觀古典

武威歷史文化街區(qū)保護(hù)建設(shè)項(xiàng)目中的仿古建筑以黃土民居風(fēng)格為主。古民居作為傳統(tǒng)建筑體系中最龐大的一支,具有鮮明的文化特色和地域風(fēng)格,是中國(guó)傳統(tǒng)文化的物質(zhì)表現(xiàn)。武威地區(qū)的黃土古民居就是北方民居中的典型代表,其深厚的文化底蘊(yùn),體現(xiàn)了河西地區(qū)政治、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、文化的發(fā)展?fàn)顩r。武威民居當(dāng)屬四合院行制,是漢民族自漢唐以來民居建筑發(fā)展的主流。這種建筑形式充分體現(xiàn)了儒家文化思想和風(fēng)水布局,四合院大門采用屋宇門形式,將倒座東側(cè)稍間辟作門道,并在倒座后墻上開門,門框、門扇堅(jiān)實(shí)厚重,造型簡(jiǎn)約樸素。這類仿古建筑通過材料、工藝、裝飾等綜合處理手段,實(shí)現(xiàn)了既保證功能又恢復(fù)外觀風(fēng)貌的建筑設(shè)計(jì)與施工要求。

2.2 材料現(xiàn)代化

武威歷史文化街區(qū)保護(hù)建設(shè)項(xiàng)目的仿古建筑外觀形式盡管參照古代,但大量運(yùn)用了現(xiàn)代建材和技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理,實(shí)現(xiàn)仿古建筑的安全性和使用壽命要求。例如,保護(hù)修繕類的磚木建筑采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)和預(yù)制裝配技術(shù),既保證抗震也便于施工;仿古風(fēng)貌建筑如文廟歷史文化街區(qū)場(chǎng)所等采用鋼結(jié)構(gòu)或混凝土框架結(jié)構(gòu),內(nèi)部增設(shè)電力、供暖、通風(fēng)等現(xiàn)代機(jī)電設(shè)施。仿古民居院落、店鋪類建筑也普遍在保持原樣風(fēng)貌的基礎(chǔ)上采取加固、改造措施,例如墻體結(jié)構(gòu)采用鋼筋網(wǎng)片、鋼板條及碳纖維工藝等。

2.3 富有現(xiàn)代功能

武威歷史文化街區(qū)保護(hù)建設(shè)項(xiàng)目中的仿古建筑在保證歷史風(fēng)貌的基礎(chǔ)上,也富有現(xiàn)代化功能設(shè)計(jì)。例如仿古商業(yè)建筑除商業(yè)運(yùn)營(yíng)區(qū)域外還設(shè)有電梯、扶梯等設(shè)施便于就餐購(gòu)物;仿古景觀建筑如戲樓、景亭類在景觀效果的同時(shí)融入音響電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化管理;仿古文化場(chǎng)所如書院、展覽館兼具文化傳播功能的同時(shí)設(shè)置多功能廳等適應(yīng)集會(huì)演出需求。這些功能擴(kuò)展豐富了仿古建筑的應(yīng)用范圍,既可服務(wù)日常需求,又保證傳承歷史文化,實(shí)現(xiàn)文化旅游商業(yè)綜合體功用[1]。

3 鋼筋混凝土仿古建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

3.1 仿古建筑結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜

武威歷史文化街區(qū)保護(hù)建設(shè)項(xiàng)目的許多仿古建筑參照古代木結(jié)構(gòu)建筑形式,而采用鋼筋混凝土材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工,這使得仿古建筑結(jié)構(gòu)體系較為復(fù)雜。例如,文廟內(nèi)的傳統(tǒng)民居需要在混凝土結(jié)構(gòu)上恢復(fù)木骨架和格局樣式;恢復(fù)傳統(tǒng)民居建筑中由木枋組成的承重結(jié)構(gòu),需要在混凝土預(yù)制構(gòu)件間設(shè)計(jì)精細(xì)節(jié)點(diǎn),保證整體聯(lián)結(jié)牢固;椽、栿等局部構(gòu)件需要采用仿古構(gòu)造達(dá)到仿古效果。這類結(jié)構(gòu)既需要保證整體堅(jiān)固穩(wěn)定,也需要滿足局部樣式精確模擬的需求,對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算和施工配合提出了更高要求。

3.2 考究建筑樣式和構(gòu)造

武威歷史文化街區(qū)保護(hù)建設(shè)項(xiàng)目的仿古建筑深入考究了古代建筑樣式和構(gòu)造細(xì)節(jié)。例如文廟仿古建筑嚴(yán)格按照古代木結(jié)構(gòu)四合院樣式設(shè)計(jì),通過混凝土結(jié)構(gòu)恢復(fù)步口、斗拱、飛檐翹角等特征;古鐘樓恢復(fù)傳統(tǒng)民居仿古建筑按傳統(tǒng)武威黃土民居組合形式布置中門廳堂及東西廂房,并使用預(yù)制構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)處理恢復(fù)格柵式門窗。這類復(fù)雜仿古建筑需要在新材料技術(shù)條件下解決樣式逐一恢復(fù)的難題,既保證整體效果,又兼顧精細(xì)部位的還原,考究難度較大。

3.3 保證結(jié)構(gòu)安全性能

武威歷史文化街區(qū)保護(hù)建設(shè)項(xiàng)目的仿古建筑項(xiàng)目需要在參照古建筑樣式的同時(shí),通過現(xiàn)代結(jié)構(gòu)體系和材料實(shí)現(xiàn)建筑安全性能。例如,文廟仿古建筑采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),在保證整體抗震的基礎(chǔ)上使用隔震技術(shù)減小地震動(dòng)載;恢復(fù)傳統(tǒng)民居仿古建筑在傳統(tǒng)木石構(gòu)件與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,通過混凝土和鋼材加固提高墻體強(qiáng)度與穩(wěn)定性,防止倒塌事故;對(duì)于懸挑部位也需采取支撐,原木樓蓋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)或框架結(jié)構(gòu)置換,增加耐久性。這類結(jié)構(gòu)改造方案綜合現(xiàn)代工程手段實(shí)現(xiàn)仿古建筑的安全性能需求,難度較大[2]。

4 鋼筋混凝土仿古建筑結(jié)構(gòu)施工技術(shù)要點(diǎn)

4.1 材料選擇和配比

武威歷史文化街區(qū)建設(shè)保護(hù)項(xiàng)目的仿古建筑施工對(duì)混凝土材料的選擇和配比提出較高要求。文廟仿古建筑使用的混凝土需滿足C30及以上強(qiáng)度級(jí)別,確?？?jié)B性能,配合使用直徑8～20 mm 熱軋HRB400鋼筋;恢復(fù)傳統(tǒng)民居仿古建筑使用的混凝土強(qiáng)度級(jí)別不低于C30,采用普通硅酸鹽水泥,允許使用磷酸鹽緩凝劑,受力墻使用C20等級(jí)以上的混凝土砌筑。

4.2 鋼筋骨架設(shè)計(jì)

武威歷史文化街區(qū)保護(hù)建設(shè)項(xiàng)目仿古建筑的鋼筋設(shè)置需要兼顧承載功能與構(gòu)造風(fēng)格恢復(fù)。鋪裝石板路面及亭臺(tái)水榭類景觀建筑普遍采用網(wǎng)片狀鋼筋,單根直徑較細(xì),塊狀間距較密;墻體結(jié)構(gòu)中,內(nèi)外兩面鋼筋布置采用雙層加密模式,如文廟及古鐘樓仿古民居,內(nèi)外層鋼筋直徑細(xì)粗交替,層間距離較密,二者錯(cuò)開安放;承重柱構(gòu)件采用較粗的HRB400鋼筋,埋入混凝土內(nèi)部,有效保證整體強(qiáng)度。

4.3 藝術(shù)裝飾施工

武威歷史文化街區(qū)保護(hù)建設(shè)項(xiàng)目仿古建筑中運(yùn)用了多種藝術(shù)裝飾施工技術(shù)。例如文廟古建筑中,混凝土輕質(zhì)墻體采用較薄的預(yù)制塊拼裝而成,表面涂料層較厚;色彩豐富的磚雕裝飾通過包漿埋件等技術(shù)靈活設(shè)置于檐部及墻身;民居仿古建筑中,木質(zhì)門窗框采用仿木工藝,仿真的木紋細(xì)致自然。這些藝術(shù)裝飾在恢復(fù)建筑風(fēng)貌的同時(shí),也提高了觀賞性。施工過程需嚴(yán)格控制裝飾材料的配比與表面處理技術(shù),精心呵護(hù)每一個(gè)工藝細(xì)節(jié),否則會(huì)影響仿古效果。

4.4 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造精細(xì)化

武威歷史文化街區(qū)保護(hù)建設(shè)項(xiàng)目中的仿古建筑節(jié)點(diǎn)處理要點(diǎn),要求實(shí)現(xiàn)混凝土框架結(jié)構(gòu)與預(yù)制構(gòu)件、裝飾構(gòu)件的高強(qiáng)度聯(lián)結(jié)。例如恢復(fù)傳統(tǒng)民居建筑的節(jié)點(diǎn)連接,設(shè)計(jì)采用化學(xué)漿料灌注與鋼板強(qiáng)化法。即在混凝土框架構(gòu)件與石材預(yù)制板之間開挖一定大小的坑槽,使用高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂漿料灌注,增設(shè)兩側(cè)厚度適中的Q235B板鋼抱箍固定。墻身開孔處門窗框架安裝采用螺栓法,預(yù)制框架四周預(yù)埋螺栓,螺距較密。節(jié)點(diǎn)法蘭板采用適當(dāng)厚度Q345qD 鋼板焊接,螺栓擰緊過程中控制扭矩,這樣可有效保證高強(qiáng)度節(jié)點(diǎn)效應(yīng),防止開裂[3]。

5 鋼筋混凝土仿古建筑結(jié)構(gòu)施工主要技術(shù)

5.1 模塊化預(yù)制構(gòu)件技術(shù)

5.1.1 標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制構(gòu)件加工

針對(duì)武威歷史文化街區(qū)保護(hù)建設(shè)項(xiàng)目中仿古建筑的施工,采用模塊化預(yù)制構(gòu)件技術(shù)可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)構(gòu)件。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)使預(yù)制構(gòu)件尺寸精確,接口處理規(guī)范,結(jié)合數(shù)字化信息技術(shù)與裝配式施工,可實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)安裝構(gòu)件。工廠化生產(chǎn)嚴(yán)格控制質(zhì)量,減少污染,降低安全風(fēng)險(xiǎn)。輕質(zhì)化設(shè)計(jì)可減輕建筑自重,適應(yīng)仿古建筑體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)。精確的預(yù)制構(gòu)件與規(guī)范的連接接口可實(shí)現(xiàn)快速拼裝建筑主體。信息化施工技術(shù)提高了工作效率,綠色環(huán)保的工廠化生產(chǎn)模式,減少了現(xiàn)場(chǎng)損耗。該技術(shù)可保證仿古建筑工程質(zhì)量,推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化施工,實(shí)現(xiàn)綠色施工。

5.1.2 精確對(duì)位拼裝方法

武威歷史文化街區(qū)保護(hù)建設(shè)項(xiàng)目仿古建筑采用BIM 技術(shù)指導(dǎo)預(yù)制構(gòu)件拼裝。通過BIM 軟件提前模擬建筑整體與構(gòu)件細(xì)部尺寸,精確標(biāo)注每個(gè)預(yù)制構(gòu)件的空間坐標(biāo)與連接方式。現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)數(shù)字化信息使用總站儀控制塔吊精確定位,自動(dòng)對(duì)位搭接構(gòu)件。重要部位如門窗洞口預(yù)制構(gòu)件的吊裝誤差控制在±5 mm 以內(nèi)。正常墻體構(gòu)件定位誤差≤15 mm。接縫樣式及尺寸不得變形。拼裝后首層混凝土澆筑前重新檢測(cè)拼裝質(zhì)量,確保層間位移控制在2mm 以內(nèi),避免整體構(gòu)件錯(cuò)位[4]。

5.2 仿木石結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

5.2.1 模板樣式還原技巧

武威歷史文化街區(qū)保護(hù)建設(shè)項(xiàng)目的仿古建筑恢復(fù)傳統(tǒng)木石裝飾風(fēng)格。在混凝土框架結(jié)構(gòu)墻體表面,使用聚氨酯模板還原石材樣式。根據(jù)古建筑裝飾特征,設(shè)計(jì)多種石塊、花飾圖案的模型樣板。在這些模型上面覆蓋特制硅橡膠薄膜,充分復(fù)制表面紋理。將成形的柔性模板固定在混凝土外墻,使用麻醋漿粘接。模板內(nèi)注入上漿材料,模內(nèi)平整,無(wú)氣泡。脫模后即形成仿石材層。該技術(shù)制作簡(jiǎn)便,還原效果高,可有效恢復(fù)古建筑外立面風(fēng)貌。

5.2.2 混凝土顏色調(diào)控手法

武威歷史文化街區(qū)保護(hù)建設(shè)項(xiàng)目的仿古建筑采用多種技術(shù)手段調(diào)控混凝土顏色。普通墻體外觀采用顏面混凝土,在水泥砂漿中摻加無(wú)機(jī)鐵紅色顏料,可獲得褐紅、赭黃等色調(diào)。裝飾構(gòu)件混凝土中摻入酸染木屑、曝曬稻草等有機(jī)顏色材料,呈現(xiàn)天然木質(zhì)外觀。特殊部位還可采用涂料著色,在混凝土表面刷制天然巖石復(fù)合涂料,提高顏色飽和度與涂層硬度。調(diào)色技術(shù)簡(jiǎn)便高效,可減少后期裝修飾面施工量,有效控制仿古建筑整體色調(diào)協(xié)調(diào)性,模擬手工切割石材質(zhì)感,恢復(fù)歷史建筑風(fēng)貌。

5.3 結(jié)構(gòu)裝飾品模擬技術(shù)

專用混凝土配比方案:武威歷史文化街區(qū)保護(hù)建設(shè)項(xiàng)目的仿古建筑裝飾構(gòu)件采用專用混凝土配比技術(shù)制作。首先,根據(jù)構(gòu)件使用功能要求和受力特點(diǎn),選擇初始配比方案。室外大型裝飾構(gòu)件的設(shè)計(jì)配比采用礦渣細(xì)粉作為水泥補(bǔ)充材料,水灰比控制在0.35以下,以中細(xì)級(jí)河沙為細(xì)集料,配置高強(qiáng)度混凝土,確保抗壓強(qiáng)度達(dá)到C40級(jí);室內(nèi)中小型裝飾構(gòu)件材料選擇普通硅酸鹽水泥,設(shè)計(jì)混凝土抗壓等級(jí)為C30。其次,依據(jù)不同構(gòu)件的歷史風(fēng)格特征,增加裝飾摻合料;在仿木構(gòu)件的混凝土材料中采用人造木纖維增強(qiáng)混凝土配比。該專業(yè)配比技術(shù)可縮短仿古構(gòu)件養(yǎng)護(hù)期,有效提升表面效果[5]。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上分析可知,鋼筋混凝土材料應(yīng)用與仿古建筑結(jié)構(gòu)施工技術(shù)之間存在諸多矛盾與難題。工程設(shè)計(jì)需要在保證結(jié)構(gòu)安全性能前提下,實(shí)現(xiàn)建筑外觀、內(nèi)部功能與歷史風(fēng)格的高度統(tǒng)一。施工技術(shù)也需兼顧結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜性、裝飾藝術(shù)性以及材料快速施工性的綜合平衡。當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念與數(shù)字化制作技術(shù)的快速發(fā)展為這一技術(shù)難題提供了新的思路。例如BIM 技術(shù)的應(yīng)用可提高設(shè)計(jì)輔助程度,模塊化與信息化理念可實(shí)現(xiàn)未來仿古建筑的設(shè)計(jì)施工一體化。相信通過持續(xù)理論與技術(shù)創(chuàng)新,鋼筋混凝土材料必將在更廣領(lǐng)域的仿古建筑結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)良好應(yīng)用。