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內容，本文是以鎮江市西津渡古街的中國古建筑為例來詳細闡述仿古建筑中鋼屋架的作用，且本文僅供相關人士參考。

　　[關鍵詞]仿古建筑;鋼屋架;節點連接

　　引言

　　仿古建筑是指在掌握古代營造法則的基礎上，利用現代建筑手段模仿古代建筑，并還原其歷史風貌的建筑。現代化的仿古建筑雖然在外觀上依然延續了古建木結構的形式，但其內部材質已經發生了本質的變化。仿古建筑不僅要在建筑設計、結構設計等階段都符合現有設計理論和設計規范，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貌再現，現代的仿古建筑對于結構布置與后期裝飾提出了更高的要求。傳統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，鋼結構施工便利、布局靈活等優勢說明鋼結構十分適合應用于古建筑的建造中。

　　1工程概況

　　鎮江市西津渡古街的中國古建筑，為典型的清代江南民居，大多采用木構架結構，按里弄聚居。本工程是蒜山西民居，位于鎮江市西津渡文化街，建筑面積2541.62m2，建筑設地下1層，地面以上主體結構2層，采用鋼筋混凝土框架結構，工程等級為三級，抗震設防烈度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，木質門窗，建筑效果圖如圖1所示。

　　2結構設計與計算

　　結合建筑師和古建筑專家提出的古建筑設計要求，蒜山西民居除了外立面仿古建筑外，內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計屋架形式保持一致，同時為了更好的還原民居的古建風味，對于屋架的構件尺寸在建筑設計中已作出明確規定，屋架設計形式如圖2所示。本建筑屋架的跨度為9m，在傳統的木結構古建筑中并無先例。由于木結構材料及工藝的限制，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，在建筑設計上把屋架跨度做了大幅度的提升，相對應的在選材和結構設計中根據現有材料和結構設計規范的規定，無法采用木結構作為屋架的結構選型。如此，為達到設計目標，屋架部分采用鋼結構，利用鋼管代替圓木的方式進行設計建造。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，建筑屋面采用傳統的古建筑做法，具體構造做法見圖3。設計初期，南北向屋架結構設計(結構1)如圖4所示。對結構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。本工程建筑的結構設計計算采用中國建筑科學研究院的PKPM軟件，為對鋼屋架進行詳細的結構驗算分析。按照屋架結構的初步設計方案，對南北向屋架進行單獨的PK設計與驗算，根據屋面構造(如圖3)及《荷載規范》(GB50009-2012)確定屋架的荷載恒、活荷載布置如圖8、圖9所示。考慮抗震設防烈度為7度，加速度為0.15g，經PK結構計算，與建筑形式相同的鋼屋架，其主要計算結果如表1所示，其配筋和應力比包絡圖如圖10所示。經PK結構計算此種結構布置形式下的鋼結構屋架，底部兩層邊緣瓜柱及底部邊緣架梁的最大應力比值超限，其中鋼柱強度最大應力超限值為計算值782N/mm2，設計值為215N/mm2。平面內穩定計算最大應力超限計算值669N/mm2，設計值215N/mm2，平面外穩定計算最大應力超限472N/mm2，215N/mm2。而鋼梁下部受拉強度計算應力超限情況為計算值248N/mm2，設計值215N/mm2。在考慮經濟性和施工便利性的前提下，為使調整后的結構形式既滿足規范設計要求，同時也符合仿古建筑的效果要求，在經過古建筑專家和結構設計師同步協調評估后采取增加兩側斜支撐方式，優化后的鋼屋架結構形式如圖11所示(結構2)，PK計算簡圖如圖12所示。優化后的鋼屋架結構是在初步設計的結構1上增設2根A152×8的鋼管斜支撐。同樣按照設計條件進行該形式的屋架結構計算，根據斜支撐的受力特性，對加斜支撐后的鋼屋架構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平衡加鋼支撐后產生的水平軸力。得到的主要數據結果如表2所示。經計算結果數據文件及結果圖顯示，增加兩側斜支撐后的配筋及應力比包絡圖如圖13所示。經計算，優化后的結構形式在梁柱節點處的最大彎矩比初步設計結構，架梁最大彎矩比初步設計結構減小71.6%，柱底最大軸力比初步設計結構減小38.8%。增加的兩側斜支撐有效解決了鋼屋架結構的受力和變形，同時使水平向鋼架梁力學性能得到了充分的發揮，且未改變結構初步設計采取的鋼材截面尺寸和材料強度。就用鋼量而言，結構2形式僅比結構1形式增加了兩側斜支撐的鋼管用量，增加約6.04%，改進后的鋼屋架結構滿足設計要求。為實現蒜山西民居的內裝效果達到古建筑要求，在完成構件安裝后，對所有鋼管噴涂磚紅色防銹漆，來完成屋架結構材料的防銹和古建筑效果，實際屋架效果圖如圖14所示。

　　3結語

　　(1)由于仿古建筑的特殊性，在建筑設計階段明確構件布置和構件尺寸，采取與建筑設計一致的結構布置方案，通過結構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，通過結構的優化設計使其在結構上滿足規范要求，在建筑效果上滿足古建筑要求，是鋼結構屋架代替木屋架的成功嘗試。(2)本文所述屋架體系的結構優化是針對屋架構件布置以及尺寸無法改變，避免傳統木結構屋架的材料和工藝限制，同時要實現無吊頂的古建筑屋架效果的情況下，為不造成既有結構材料的浪費，保證施工的可行性，進行兩端斜支撐加設，增加的建筑材料僅包括增設的斜支撐鋼管材料。(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，采用鋼結構屋架體系替代原有木結構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“復制”，為今后類似的仿古建筑設計提供可行性的參考。

　　參考文獻

　　[1]鋼結構設計規范：GB50017-2003[S].北京:中國建筑工業出版社，2003.

　　[2]馬炳堅.中國古建筑木作營造技術[M].科學出版社,1995.

　　[3]劉錫良,周學軍,柳峰，等.門式剛架輕鋼結構設計與施工[M].山東科學技術出版社,2002.

　　[4]李和華.鋼結構連接節點設計手冊[M].中國建筑工業出版社,1992.

　　[5]木結構設計規范：GB50005-2003[S].北京:中國建筑工業出版社，2005.

　　[6]姚承祖，張至剛，劉敦楨.營造法原[M].北京:中國建筑工業出版社，1986.

　　[7]徐珂，王雷.鋼結構在仿古建筑中的應用[J].建筑結構,2003,33(10):26-29.

　　[8]米文杰.仿古建筑結構設計分析[J].建筑結構,2013,43(23):62-66.

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

　　[10]周曙,湯微.商業街改造中的仿古建筑設計探析[J].藝術與設計(理論),2011,2(03):105-106.

　　作者：陳興雷 盧凡 單位：江蘇中森建筑設計有限公司

　　推薦閱讀：《上海工程技術大學教育研究》以馬列主義、毛澤東思想、鄧小平理論和“三個代表”重要思想為指導，全面貫徹黨的教育方針和“雙百方針”，理論聯系實際，開展教育科學研究和學科基礎理論研究，交流科技成果，促進學院教學、科研工作的發展，為教育改革和社會主義現代化建設做出貢獻。