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(guó)古建筑為例來(lái)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(diǎn)連接

　　引言

　　仿古建筑是指在掌握古代營(yíng)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(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等階段都符合現(xiàn)有設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)規(guī)范，同時(shí)要最大限度滿(mǎn)足古建筑的營(yíng)造法則。進(jìn)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(duì)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(shí)可行的方法。鋼材自重輕、強(qiáng)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(shì)說(shuō)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(guó)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(jí)為三級(jí)，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(wú)飛椽，磚墻疊挑150mm。南、東、西外墻為清水青磚墻;北立面為通門(mén)通窗;東、西山墻為馬頭墻形式，木質(zhì)門(mén)窗，建筑效果圖如圖1所示。

　　2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

　　結(jié)合建筑師和古建筑專(zhuān)家提出的古建筑設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)屋架形式保持一致，同時(shí)為了更好的還原民居的古建風(fēng)味，對(duì)于屋架的構(gòu)件尺寸在建筑設(shè)計(jì)中已作出明確規(guī)定，屋架設(shè)計(jì)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(wú)先例。由于木結(jié)構(gòu)材料及工藝的限制，我們平時(shí)所見(jiàn)的清代江南民居的木屋架跨度一般不超過(guò)4m。本工程為滿(mǎn)足今后的使用功能，在建筑設(shè)計(jì)上把屋架跨度做了大幅度的提升，相對(duì)應(yīng)的在選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中根據(jù)現(xiàn)有材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，無(wú)法采用木結(jié)構(gòu)作為屋架的結(jié)構(gòu)選型。如此，為達(dá)到設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)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(jiàn)圖3。設(shè)計(jì)初期，南北向屋架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(結(jié)構(gòu)1)如圖4所示。對(duì)結(jié)構(gòu)1形式的鋼屋架進(jìn)行計(jì)算分析，鋼屋架的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖5所示。本工程建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院的PKPM軟件，為對(duì)鋼屋架進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析。按照屋架結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)方案，對(duì)南北向屋架進(jìn)行單獨(dú)的PK設(shè)計(jì)與驗(yàn)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?？紤]抗震設(shè)防烈度為7度，加速度為0.15g，經(jīng)PK結(jié)構(gòu)計(jì)算，與建筑形式相同的鋼屋架，其主要計(jì)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(jì)算此種結(jié)構(gòu)布置形式下的鋼結(jié)構(gòu)屋架，底部?jī)蓪舆吘壒现暗撞窟吘壖芰旱淖畲髴?yīng)力比值超限，其中鋼柱強(qiáng)度最大應(yīng)力超限值為計(jì)算值782N/mm2，設(shè)計(jì)值為215N/mm2。平面內(nèi)穩(wěn)定計(jì)算最大應(yīng)力超限計(jì)算值669N/mm2，設(shè)計(jì)值215N/mm2，平面外穩(wěn)定計(jì)算最大應(yīng)力超限472N/mm2，215N/mm2。而鋼梁下部受拉強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力超限情況為計(jì)算值248N/mm2，設(shè)計(jì)值215N/mm2。在考慮經(jīng)濟(jì)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(mǎn)足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也符合仿古建筑的效果要求，在經(jīng)過(guò)古建筑專(zhuān)家和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師同步協(xié)調(diào)評(píng)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(jì)算簡(jiǎn)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(jì)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(jì)條件進(jìn)行該形式的屋架結(jié)構(gòu)計(jì)算，根據(jù)斜支撐的受力特性，對(duì)加斜支撐后的鋼屋架構(gòu)件截面進(jìn)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(jì)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(jì)算，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)形式在梁柱節(jié)點(diǎn)處的最大彎矩比初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，架梁最大彎矩比初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)減小71.6%，柱底最大軸力比初步設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)采取的鋼材截面尺寸和材料強(qiáng)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(jìn)后的鋼屋架結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。為實(shí)現(xiàn)蒜山西民居的內(nèi)裝效果達(dá)到古建筑要求，在完成構(gòu)件安裝后，對(duì)所有鋼管?chē)娡看u紅色防銹漆，來(lái)完成屋架結(jié)構(gòu)材料的防銹和古建筑效果，實(shí)際屋架效果圖如圖14所示。

　　3結(jié)語(yǔ)

　　(1)由于仿古建筑的特殊性，在建筑設(shè)計(jì)階段明確構(gòu)件布置和構(gòu)件尺寸，采取與建筑設(shè)計(jì)一致的結(jié)構(gòu)布置方案，通過(guò)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(guò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)使其在結(jié)構(gòu)上滿(mǎn)足規(guī)范要求，在建筑效果上滿(mǎn)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(duì)屋架構(gòu)件布置以及尺寸無(wú)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(shí)要實(shí)現(xiàn)無(wú)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(fèi)，保證施工的可行性，進(jìn)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(duì)目前仿古建筑施工周期短，建筑使用功能靈活的特點(diǎn)，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(gè)可行性度高的方法，通過(guò)一系列簡(jiǎn)單的工藝手段，加強(qiáng)仿古建筑對(duì)古建筑的完美“復(fù)制”，為今后類(lèi)似的仿古建筑設(shè)計(jì)提供可行性的參考。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50017-2003[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

　　[2]馬炳堅(jiān).中國(guó)古建筑木作營(yíng)造技術(shù)[M].科學(xué)出版社,1995.

　　[3]劉錫良,周學(xué)軍,柳峰，等.門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工[M].山東科學(xué)技術(shù)出版社,2002.

　　[4]李和華.鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1992.

　　[5]木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50005-2003[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

　　[6]姚承祖，張至剛，劉敦楨.營(yíng)造法原[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1986.

　　[7]徐珂，王雷.鋼結(jié)構(gòu)在仿古建筑中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu),2003,33(10):26-29.

　　[8]米文杰.仿古建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2013,43(23):62-66.

　　[9]姜磊，程建軍.混凝土仿古建筑設(shè)計(jì)與施工[J].施工技術(shù),2013(14)：106-108.

　　[10]周曙,湯微.商業(yè)街改造中的仿古建筑設(shè)計(jì)探析[J].藝術(shù)與設(shè)計(jì)(理論),2011,2(03):105-106.

　　作者：陳興雷 盧凡 單位：江蘇中森建筑設(shè)計(jì)有限公司

　　推薦閱讀：《上海工程技術(shù)大學(xué)教育研究》以馬列主義、毛澤東思想、鄧小平理論和“三個(gè)代表”重要思想為指導(dǎo)，全面貫徹黨的教育方針和“雙百方針”，理論聯(lián)系實(shí)際，開(kāi)展教育科學(xué)研究和學(xué)科基礎(chǔ)理論研究，交流科技成果，促進(jìn)學(xué)院教學(xué)、科研工作的發(fā)展，為教育改革和社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)做出貢獻(xiàn)。