□□ 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(kāi)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(jì)中，豐富建筑外立面的方式有很多，例如飄窗、陽(yáng)臺(tái)、穿插手法等，而對(duì)于坡屋面的處理，現(xiàn)代建筑中老虎窗越來(lái)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(lái)豐富建筑的外立面。那么，在建筑設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)建筑中的老虎窗進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

1 建筑設(shè)計(jì)中的老虎窗

1.1 中國(guó)古建筑的屋頂

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

我國(guó)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(xì)節(jié)都顯示出我國(guó)古代建筑屋頂?shù)募?xì)膩和豐富。我國(guó)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(guó)古建有一種很獨(dú)特的藝術(shù)效果。在我國(guó)古代建筑的發(fā)展過(guò)程中，建筑師們對(duì)屋頂進(jìn)行各種組合，使得建筑物的線條更加流暢，鳥(niǎo)瞰效果更是令人驚嘆。因此，我國(guó)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(kāi)窗戶的發(fā)展

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

第一個(gè)階段，天井(構(gòu)造最為簡(jiǎn)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(kāi)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(kāi)設(shè)通氣窗，既可起到采光的作用，又可在開(kāi)窗后起到通風(fēng)的作用。

第二個(gè)階段，將悶頂?shù)奶齑俺叽缭龃?，同時(shí)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(lái)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(lái)得到更大的居住面積。

第三個(gè)階段，現(xiàn)在所用的老虎窗。事實(shí)上，老虎窗是音譯而來(lái)的，是英語(yǔ)ROOF的滬語(yǔ)諧音讀法。1843年上海開(kāi)埠后，很多英國(guó)人來(lái)到了上海，同時(shí)引進(jìn)了英國(guó)式的建筑。由于，位于北歐的英國(guó)為嚴(yán)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(jì)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(shí)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(wú)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(jí)要求達(dá)到B級(jí)。建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)高±0.000 m，相對(duì)于絕對(duì)標(biāo)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(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)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(jì)等級(jí)為丙級(jí)。場(chǎng)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(jì)地震分組第一組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類。該工程場(chǎng)地標(biāo)準(zhǔn)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(gè)位于C軸－F軸與3軸－4軸處，一個(gè)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(qiáng)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(kāi)啟，只起到裝飾作用。當(dāng)然，這樣的建筑悶頂通常是不住人的，只是作為儲(chǔ)藏室。該工程中所設(shè)的3個(gè)老虎窗，兩個(gè)在建筑的背立面，前面的窗扇是1塊不可開(kāi)啟的鋼筋混凝土板。另一個(gè)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(jìn)行處理，前面的窗扇位置仍采用鋼筋混凝土薄板進(jìn)行處理(見(jiàn)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(lái)做。

泛水做法一:泛水可用304不銹鋼來(lái)做，其上做保護(hù)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(shí)，注意縫隙處的油膏嵌實(shí)(見(jiàn)圖3)。

圖3 老虎窗泛水

4 結(jié)構(gòu)計(jì)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(gè)計(jì)算單元中，可手工計(jì)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(jì)算單元，下部就需要加設(shè)梁來(lái)承受上部荷載。按實(shí)際情況手工計(jì)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(jì)算軟件中的PMCAD還沒(méi)有辦法確切地模擬老虎窗的模型，所以，通常采用簡(jiǎn)化荷載的輸入方式。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的老虎窗

由圖1可見(jiàn)，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(jì)規(guī)范》的要求，可得QL4配筋為4根Φ 12 mm(見(jiàn)圖4)。6軸上沒(méi)有承重墻，所以設(shè)梁來(lái)承受上部老虎窗傳來(lái)的荷載(見(jiàn)圖5)。此處，L2的配筋需進(jìn)行計(jì)算。

4.3 荷載計(jì)算

根據(jù)建筑設(shè)計(jì)說(shuō)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(hù)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(jì)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(hù)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(jì):4.34 kN/m2(取 4.4 kN/m2)

(1)恒荷載計(jì)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(jì):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(jì):7.15 kN/m2

(2)活荷載:2.0 kN/m2

(3)計(jì)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(lái)荷載:q2=7.15×1.8×1.2+2×1.8 ×1.4=20.484(kN/m2)

(5)內(nèi)力計(jì)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(jí)鋼筋(見(jiàn)圖6)。

圖6 老虎窗扇板配筋

5 結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)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(duì)建筑周邊配套設(shè)施的完善程度，對(duì)聲環(huán)境以及建筑外立面是否別致新穎，有了越來(lái)越多的細(xì)節(jié)要求。在眾多的因素中，一個(gè)小區(qū)的周邊環(huán)境、一幢建筑的外立面會(huì)給人以最直觀的感覺(jué)。所以，建筑師們?cè)诮ㄖ饬⒚嬖O(shè)計(jì)上費(fèi)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?lái)，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(guò)加設(shè)老虎窗來(lái)吸引人們購(gòu)買頂層建筑。老虎窗常常與露臺(tái)配用，這種做法在高層建筑中顯示出獨(dú)特的作用。很多頂層住戶回到家中，無(wú)需下樓即可在露臺(tái)上享受室外的空曠和新鮮的空氣?？梢韵嘈牛匣⒋耙云涮赜械妮p巧和空間延伸作用，會(huì)在未來(lái)的建筑中成為一個(gè)靚點(diǎn)。

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