斗栱的建筑学与力学分析

1、斗栱的建筑学与力学分析本文是建筑学论文，本文对斗栱的定义、斗栱的起源、斗栱的演变、斗栱的组成、斗栱的分类、斗栱的艺术特性等进行了详细的介绍；研究了斗栱在建筑学上和结构上的应用及研究进展;以宋式四铺作以及宋式五铺作为例对斗栱尺寸模数、参数化设计及竖向均布荷载作用下斗栱的三维有限元数值模拟进行了分析研究，得出以下结论：1.详细地介绍了不同历史文化背景下斗栱的特征，从科学技术史角度阐释了斗栱的演变、以及促使斗栱演变的原因。重点对比了对斗栱有具体规范的宋清两代，可以清晰的看到从宋代到清代斗栱的变化及其变化的原因，同时通过斗栱的造型之美、色彩之美和文化内涵三方面论述了斗栱的艺术特性。以中国馆、南京南站和

2、重庆国泰艺术中心为例，不仅通过图片向人们展示了斗栱的装饰价值，而且进一步的站在建筑文化的层面，挖掘出斗栱的艺术内涵。2.介绍了基于BIM的参数化设计，简单的介绍了参数化设计的基本内容以及与BIM的基本结合。以宋式五铺作为例讲解了斗栱参数化建模的基本过程，同时分别选取其中的栌斗、泥道栱以及下昂为例详细的介绍了斗栱各个构件参数化建模的基本过程与参数化建模的两种方法。以宋式四铺作以及宋式五铺作为例分别介绍了宋式斗栱各构件的组装。3.利用三维有限元数值分析技术，建立了四铺作的三维有限元分析模型，并进行了三维有限元数值模拟分析，得到四铺作整体结构在竖向荷载作用下的荷载位移曲线以及四铺作整体结构在竖向荷载

3、作用下的应力分布图，同时也得到了四铺作各构件的应力分布及变形。.第一章绪论斗栱的外观形态以及它的主要功能，能解决古建筑中出檐深远与建筑物高度之间的问题，因此，斗栱中关于承挑的相关作用非常重要，如下图1-10所示.斗栱通常安置在屋檐下，将斗栱向外挑出，使得屋檐在直观上显得更为深远。在建筑物中，有深远的出檐更显美观，而且它还有保护柱子、墙身、台明等不受雨水侵蚀的重要作用。斗栱的层层使用，也增加了房屋的高度。斗栱经过长时间的演变发展，逐渐演变成装饰构件，体积也变得越来越小，它承挑外部屋檐的作用也在逐步减少。本文首先对斗栱进行建筑学上的探讨，然后利用BIM技术建立完整的斗栱模型，再利用有限元分析软件，

4、对斗栱进行进行三维有限元数值模拟分析.具体分为一下几个方面的工作：1.分别介绍斗栱在建筑学上和结构上的意义、作用,收集整理关于斗栱的研究进展.2.对斗栱的定义、组成、分类、斗栱的起源、演变过程、斗栱的艺术特性及在现代文明中的应用进行阐述，重点研究斗栱在宋代到清代的变化规律。3.基于BIM技术,以宋代营造法式为主要参考，采用宋式斗栱各构件尺寸模数，对宋式斗栱进行参数化设计，并建立各构件的Revit族文件。根据各构件之间的模数关系,组合成两种不同形式的宋式斗栱模型，分别为四铺作以及五铺作。4.采用三维有限元数值分析方法，针对竖向荷载作用下四铺作的受力性能，进行三维有限元数值模拟分析，为斗栱的结构设

5、计提供依据。.第二章斗栱的建筑学探讨2.1引言斗栱已经有了近两千年的历史，作为我们民族特有的创造，其精湛的工艺、引人注目的造型、奥妙的意象都达到了炉火纯青的地步。斗栱结构的特点以及其建筑风格独树一帜，使得我们炎黄子孙不断探索它所存在的价值。2.2斗栱的组成及分类栌斗，如图2-2所示，用于阑额（见附录A第1条）或柱头的上部，是一组斗栱中最下层的木构件，也是所有斗中最大的木构件，它的体积可以与八个齐心斗相比，就像一个结实而雄伟的大木墩。栌斗上部被做成了十字形的开口，便于安放华栱与泥道栱，同时,栌斗在斗栱结构中主要起到承担上部荷载,往下部结构传递荷载的作用。散斗，如图2-3所示，一般是放置在横栱两端

6、上的小斗，体积非常的小，在散斗的上面一般放置慢栱和各种方木。与栌斗相比,散斗的体积要小很多，斗上面的开口方式也不一样。齐心斗，是放置在栱的中间位置上，同时,主要是在华栱与横栱中间放置，其作用是用来承托上部栱构件,开口呈十字形或者顺身，如图2-4所示。交互斗，如图2-5所示，主要放置在华栱（2.2.2中有详细介绍）或昂头（2.2.2中有详细介绍）之上，同样也是为了承托上部栱构件。体积比齐心斗要大，但比栌斗则要稍微小一些，交互斗的开口形状一般为十字形。.第三章斗栱尺寸模数及参数化设计.453.1斗栱的尺寸模数.453.2BIM技术与斗栱参数化设计.46第四章竖向均布荷载作用下宋式斗栱的三维有限元数

7、值模拟.634.1实验概述.634.2四铺作的三维有限元数值模拟.654.3四铺作的三维有限元数值分析.684.4本章小结.71第五章结论与展望.73.第四章竖向均布荷载作用下宋式斗栱的三维有限元数值模拟4.1实验概述从试验结果可以看出，斗栱从加载到破坏，所呈现出来的是变刚度线弹性变化。斗栱的受压破坏特征主要表现为构件的脆断以及劈裂，这是由于斗栱材料为木材，木材材料特性为各向异性的。同时，斗栱在在竖向荷载作用下，产生了非常大的塑性变形，因此，斗栱之间具有很好的耗能减震作用。从实验所测得的P−Δ曲线中可以看出，斗栱在竖向荷载作用下符合线弹性关系。刚开始施加荷载时，由于斗栱

8、的材料是木材，所以构件之间存在间隙，随着竖向荷载的逐步加大，间隙减小，材料的应力应变都是在弹性阶段，随着荷载增大，有部分材料开始进入了塑性阶段，部分构件的薄弱位置开始发生破坏，导致斗栱刚度小降。而从ABAQUS分析的P−Δ曲线明显可以看出，在初始阶段，无刚度较小的阶段。这是因为用ABAQUS软件建模时，各构件之间才用的是绑4.2四铺作的三维有限元数值模拟实际情况下，斗栱各构件尺寸都是不规则的，栱的下表面有一定的弧度，它的作用主要是为了装饰和美观，而从结构受力的角度来看，并没有实际作用,所以，可以将栱下表面的弧度除去，将栱简化为矩形的形式。斗栱中各小斗的作用就是用来承托上

9、部构件，通过斗口的凹槽以及榫卯结构的作用将斗栱各构件嵌入其中，起到固定的作用。本文不考虑榫卯结构，将各小斗简化为传力的垫块。基于以上分析,实体模型可以简化如图4-5所示。在定义材料属性时,由于古建筑中斗栱的材料一般为木材，而木材的力学性能非常的复杂，它是各向异性的材料，而且木材的顺纹强度远大于横纹强度，所以,木材主要发挥的其顺纹力学性质45。为简化模型的计算，可以将材料近似看作各向同性。取文献中木材顺纹方向各参数。假定斗栱材料是一理想弹塑性材料，弹性模量为4E=1.0×10MPa，泊松比ν=0.2。材料的应力-应变关系曲线，如图4-6所示。.第五章结论与展望综合全文，希望以后对斗栱的研究注重以下几个方面：1.对现存的重要典型木结构建筑进行实地的调研、测量，掌握准确实际的资料，再对斗栱进行实事求是的研究分析。2.本文对斗栱结构进行力学分析时，仅考虑了斗栱材