仿古建筑中鋼屋架的作用

　　這篇論文主要介紹的是仿古建筑中鋼屋架的作用的相關(guān)內(nèi)容，本文是以鎮(zhèn)江市西津渡古街的中國古建筑為例來詳細(xì)闡述仿古建筑中鋼屋架的作用，且本文僅供相關(guān)人士參考。

　　[關(guān)鍵詞]仿古建筑;鋼屋架;節(jié)點連接

　　引言

　　仿古建筑是指在掌握古代營造法則的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代建筑手段模仿古代建筑，并還原其歷史風(fēng)貌的建筑。現(xiàn)代化的仿古建筑雖然在外觀上依然延續(xù)了古建木結(jié)構(gòu)的形式，但其內(nèi)部材質(zhì)已經(jīng)發(fā)生了本質(zhì)的變化。仿古建筑不僅要在建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等階段都符合現(xiàn)有設(shè)計理論和設(shè)計規(guī)范，同時要最大限度滿足古建筑的營造法則。進一步，為更好的將古建筑的歷史風(fēng)貌再現(xiàn)，現(xiàn)代的仿古建筑對于結(jié)構(gòu)布置與后期裝飾提出了更高的要求。傳統(tǒng)的古建筑屋架一般采用圓木材料制作梁和瓜柱，而鋼管的外形與圓木接近，在噴涂防銹漆罩面的情況下，采用鋼管取代圓木是切實可行的方法。鋼材自重輕、強度高、塑性和韌性好，鋼結(jié)構(gòu)施工便利、布局靈活等優(yōu)勢說明鋼結(jié)構(gòu)十分適合應(yīng)用于古建筑的建造中。

　　1工程概況

　　鎮(zhèn)江市西津渡古街的中國古建筑，為典型的清代江南民居，大多采用木構(gòu)架結(jié)構(gòu)，按里弄聚居。本工程是蒜山西民居，位于鎮(zhèn)江市西津渡文化街，建筑面積2541.62m2，建筑設(shè)地下1層，地面以上主體結(jié)構(gòu)2層，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，工程等級為三級，抗震設(shè)防烈度7度，加速度為0.15g。主體建筑為兩坡頂組合，庭院處檐口交圈，出檐700mm，無飛椽，磚墻疊挑150mm。南、東、西外墻為清水青磚墻;北立面為通門通窗;東、西山墻為馬頭墻形式，木質(zhì)門窗，建筑效果圖如圖1所示。

　　2結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算

　　結(jié)合建筑師和古建筑專家提出的古建筑設(shè)計要求，蒜山西民居除了外立面仿古建筑外，內(nèi)部屋架做法也要求與古建筑屋架保持一致，即不允許做吊頂，讓游客在室內(nèi)觀賞屋架時可以看到古建筑的“木”屋架、“木”檁條、木椽子以及望磚。故本工程的屋架做法與建筑設(shè)計屋架形式保持一致，同時為了更好的還原民居的古建風(fēng)味，對于屋架的構(gòu)件尺寸在建筑設(shè)計中已作出明確規(guī)定，屋架設(shè)計形式如圖2所示。本建筑屋架的跨度為9m，在傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)古建筑中并無先例。由于木結(jié)構(gòu)材料及工藝的限制，我們平時所見的清代江南民居的木屋架跨度一般不超過4m。本工程為滿足今后的使用功能，在建筑設(shè)計上把屋架跨度做了大幅度的提升，相對應(yīng)的在選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計中根據(jù)現(xiàn)有材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，無法采用木結(jié)構(gòu)作為屋架的結(jié)構(gòu)選型。如此，為達到設(shè)計目標(biāo)，屋架部分采用鋼結(jié)構(gòu)，利用鋼管代替圓木的方式進行設(shè)計建造。其中，鋼七架梁采用A325×12鋼管，鋼五架梁和鋼三架梁采用A245×12鋼管，鋼瓜柱采用A194×8鋼管，鋼檁條采用A219×8鋼管。此外，建筑屋面采用傳統(tǒng)的古建筑做法，具體構(gòu)造做法見圖3。設(shè)計初期，南北向屋架結(jié)構(gòu)設(shè)計(結(jié)構(gòu)1)如圖4所示。對結(jié)構(gòu)1形式的鋼屋架進行計算分析，鋼屋架的計算簡圖如圖5所示。本工程建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算采用中國建筑科學(xué)研究院的PKPM軟件，為對鋼屋架進行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)驗算分析。按照屋架結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計方案，對南北向屋架進行單獨的PK設(shè)計與驗算，根據(jù)屋面構(gòu)造(如圖3)及《荷載規(guī)范》(GB50009-2012)確定屋架的荷載恒、活荷載布置如圖8、圖9所示。考慮抗震設(shè)防烈度為7度，加速度為0.15g，經(jīng)PK結(jié)構(gòu)計算，與建筑形式相同的鋼屋架，其主要計算結(jié)果如表1所示，其配筋和應(yīng)力比包絡(luò)圖如圖10所示。經(jīng)PK結(jié)構(gòu)計算此種結(jié)構(gòu)布置形式下的鋼結(jié)構(gòu)屋架，底部兩層邊緣瓜柱及底部邊緣架梁的最大應(yīng)力比值超限，其中鋼柱強度最大應(yīng)力超限值為計算值782N/mm2，設(shè)計值為215N/mm2。平面內(nèi)穩(wěn)定計算最大應(yīng)力超限計算值669N/mm2，設(shè)計值215N/mm2，平面外穩(wěn)定計算最大應(yīng)力超限472N/mm2，215N/mm2。而鋼梁下部受拉強度計算應(yīng)力超限情況為計算值248N/mm2，設(shè)計值215N/mm2。在考慮經(jīng)濟性和施工便利性的前提下，為使調(diào)整后的結(jié)構(gòu)形式既滿足規(guī)范設(shè)計要求，同時也符合仿古建筑的效果要求，在經(jīng)過古建筑專家和結(jié)構(gòu)設(shè)計師同步協(xié)調(diào)評估后采取增加兩側(cè)斜支撐方式，優(yōu)化后的鋼屋架結(jié)構(gòu)形式如圖11所示(結(jié)構(gòu)2)，PK計算簡圖如圖12所示。優(yōu)化后的鋼屋架結(jié)構(gòu)是在初步設(shè)計的結(jié)構(gòu)1上增設(shè)2根A152×8的鋼管斜支撐。同樣按照設(shè)計條件進行該形式的屋架結(jié)構(gòu)計算，根據(jù)斜支撐的受力特性，對加斜支撐后的鋼屋架構(gòu)件截面進行重新定義，將下端2層架梁截面定義為鋼柱截面，使水平向鋼架梁可以承擔(dān)平衡加鋼支撐后產(chǎn)生的水平軸力。得到的主要數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。經(jīng)計算結(jié)果數(shù)據(jù)文件及結(jié)果圖顯示，增加兩側(cè)斜支撐后的配筋及應(yīng)力比包絡(luò)圖如圖13所示。經(jīng)計算，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)形式在梁柱節(jié)點處的最大彎矩比初步設(shè)計結(jié)構(gòu)，架梁最大彎矩比初步設(shè)計結(jié)構(gòu)減小71.6%，柱底最大軸力比初步設(shè)計結(jié)構(gòu)減小38.8%。增加的兩側(cè)斜支撐有效解決了鋼屋架結(jié)構(gòu)的受力和變形，同時使水平向鋼架梁力學(xué)性能得到了充分的發(fā)揮，且未改變結(jié)構(gòu)初步設(shè)計采取的鋼材截面尺寸和材料強度。就用鋼量而言，結(jié)構(gòu)2形式僅比結(jié)構(gòu)1形式增加了兩側(cè)斜支撐的鋼管用量，增加約6.04%，改進后的鋼屋架結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。為實現(xiàn)蒜山西民居的內(nèi)裝效果達到古建筑要求，在完成構(gòu)件安裝后，對所有鋼管噴涂磚紅色防銹漆，來完成屋架結(jié)構(gòu)材料的防銹和古建筑效果，實際屋架效果圖如圖14所示。

　　3結(jié)語

　　(1)由于仿古建筑的特殊性，在建筑設(shè)計階段明確構(gòu)件布置和構(gòu)件尺寸，采取與建筑設(shè)計一致的結(jié)構(gòu)布置方案，通過結(jié)構(gòu)選型采用鋼管代替圓木并噴涂磚紅色防銹漆罩面的方式完成，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計使其在結(jié)構(gòu)上滿足規(guī)范要求，在建筑效果上滿足古建筑要求，是鋼結(jié)構(gòu)屋架代替木屋架的成功嘗試。(2)本文所述屋架體系的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是針對屋架構(gòu)件布置以及尺寸無法改變，避免傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)屋架的材料和工藝限制，同時要實現(xiàn)無吊頂?shù)墓沤ㄖ菁苄Ч那闆r下，為不造成既有結(jié)構(gòu)材料的浪費，保證施工的可行性，進行兩端斜支撐加設(shè)，增加的建筑材料僅包括增設(shè)的斜支撐鋼管材料。(3)針對目前仿古建筑施工周期短，建筑使用功能靈活的特點，采用鋼結(jié)構(gòu)屋架體系替代原有木結(jié)構(gòu)屋架是一個可行性度高的方法，通過一系列簡單的工藝手段，加強仿古建筑對古建筑的完美“復(fù)制”，為今后類似的仿古建筑設(shè)計提供可行性的參考。

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　　作者：陳興雷 盧凡 單位：江蘇中森建筑設(shè)計有限公司

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