仿古建筑中钢屋架的作用

　　这篇论文主要介绍的是仿古建筑中钢屋架的作用的相关内容，本文是以镇江市西津渡古街的中国古建筑为例来详细阐述仿古建筑中钢屋架的作用，且本文仅供相关人士参考。

　　[关键词]仿古建筑;钢屋架;节点连接

　　引言

　　仿古建筑是指在掌握古代营造法则的基础上，利用现代建筑手段模仿古代建筑，并还原其历史风貌的建筑。现代化的仿古建筑虽然在外观上依然延续了古建木结构的形式，但其内部材质已经发生了本质的变化。仿古建筑不仅要在建筑设计、结构设计等阶段都符合现有设计理论和设计规范，同时要最大限度满足古建筑的营造法则。进一步，为更好的将古建筑的历史风貌再现，现代的仿古建筑对于结构布置与后期装饰提出了更高的要求。传统的古建筑屋架一般采用圆木材料制作梁和瓜柱，而钢管的外形与圆木接近，在喷涂防锈漆罩面的情况下，采用钢管取代圆木是切实可行的方法。钢材自重轻、强度高、塑性和韧性好，钢结构施工便利、布局灵活等优势说明钢结构十分适合应用于古建筑的建造中。

　　1工程概况

　　镇江市西津渡古街的中国古建筑，为典型的清代江南民居，大多采用木构架结构，按里弄聚居。本工程是蒜山西民居，位于镇江市西津渡文化街，建筑面积2541.62m2，建筑设地下1层，地面以上主体结构2层，采用钢筋混凝土框架结构，工程等级为三级，抗震设防烈度7度，加速度为0.15g。主体建筑为两坡顶组合，庭院处檐口交圈，出檐700mm，无飞椽，砖墙叠挑150mm。南、东、西外墙为清水青砖墙;北立面为通门通窗;东、西山墙为马头墙形式，木质门窗，建筑效果图如图1所示。

　　2结构设计与计算

　　结合建筑师和古建筑专家提出的古建筑设计要求，蒜山西民居除了外立面仿古建筑外，内部屋架做法也要求与古建筑屋架保持一致，即不允许做吊顶，让游客在室内观赏屋架时可以看到古建筑的“木”屋架、“木”檩条、木椽子以及望砖。故本工程的屋架做法与建筑设计屋架形式保持一致，同时为了更好的还原民居的古建风味，对于屋架的构件尺寸在建筑设计中已作出明确规定，屋架设计形式如图2所示。本建筑屋架的跨度为9m，在传统的木结构古建筑中并无先例。由于木结构材料及工艺的限制，我们平时所见的清代江南民居的木屋架跨度一般不超过4m。本工程为满足今后的使用功能，在建筑设计上把屋架跨度做了大幅度的提升，相对应的在选材和结构设计中根据现有材料和结构设计规范的规定，无法采用木结构作为屋架的结构选型。如此，为达到设计目标，屋架部分采用钢结构，利用钢管代替圆木的方式进行设计建造。其中，钢七架梁采用A325×12钢管，钢五架梁和钢三架梁采用A245×12钢管，钢瓜柱采用A194×8钢管，钢檩条采用A219×8钢管。此外，建筑屋面采用传统的古建筑做法，具体构造做法见图3。设计初期，南北向屋架结构设计(结构1)如图4所示。对结构1形式的钢屋架进行计算分析，钢屋架的计算简图如图5所示。本工程建筑的结构设计计算采用中国建筑科学研究院的PKPM软件，为对钢屋架进行详细的结构验算分析。按照屋架结构的初步设计方案，对南北向屋架进行单独的PK设计与验算，根据屋面构造(如图3)及《荷载规范》(GB50009-2012)确定屋架的荷载恒、活荷载布置如图8、图9所示。考虑抗震设防烈度为7度，加速度为0.15g，经PK结构计算，与建筑形式相同的钢屋架，其主要计算结果如表1所示，其配筋和应力比包络图如图10所示。经PK结构计算此种结构布置形式下的钢结构屋架，底部两层边缘瓜柱及底部边缘架梁的最大应力比值超限，其中钢柱强度最大应力超限值为计算值782N/mm2，设计值为215N/mm2。平面内稳定计算最大应力超限计算值669N/mm2，设计值215N/mm2，平面外稳定计算最大应力超限472N/mm2，215N/mm2。而钢梁下部受拉强度计算应力超限情况为计算值248N/mm2，设计值215N/mm2。在考虑经济性和施工便利性的前提下，为使调整后的结构形式既满足规范设计要求，同时也符合仿古建筑的效果要求，在经过古建筑专家和结构设计师同步协调评估后采取增加两侧斜支撑方式，优化后的钢屋架结构形式如图11所示(结构2)，PK计算简图如图12所示。优化后的钢屋架结构是在初步设计的结构1上增设2根A152×8的钢管斜支撑。同样按照设计条件进行该形式的屋架结构计算，根据斜支撑的受力特性，对加斜支撑后的钢屋架构件截面进行重新定义，将下端2层架梁截面定义为钢柱截面，使水平向钢架梁可以承担平衡加钢支撑后产生的水平轴力。得到的主要数据结果如表2所示。经计算结果数据文件及结果图显示，增加两侧斜支撑后的配筋及应力比包络图如图13所示。经计算，优化后的结构形式在梁柱节点处的最大弯矩比初步设计结构，架梁最大弯矩比初步设计结构减小71.6%，柱底最大轴力比初步设计结构减小38.8%。增加的两侧斜支撑有效解决了钢屋架结构的受力和变形，同时使水平向钢架梁力学性能得到了充分的发挥，且未改变结构初步设计采取的钢材截面尺寸和材料强度。就用钢量而言，结构2形式仅比结构1形式增加了两侧斜支撑的钢管用量，增加约6.04%，改进后的钢屋架结构满足设计要求。为实现蒜山西民居的内装效果达到古建筑要求，在完成构件安装后，对所有钢管喷涂砖红色防锈漆，来完成屋架结构材料的防锈和古建筑效果，实际屋架效果图如图14所示。

　　3结语

　　(1)由于仿古建筑的特殊性，在建筑设计阶段明确构件布置和构件尺寸，采取与建筑设计一致的结构布置方案，通过结构选型采用钢管代替圆木并喷涂砖红色防锈漆罩面的方式完成，通过结构的优化设计使其在结构上满足规范要求，在建筑效果上满足古建筑要求，是钢结构屋架代替木屋架的成功尝试。(2)本文所述屋架体系的结构优化是针对屋架构件布置以及尺寸无法改变，避免传统木结构屋架的材料和工艺限制，同时要实现无吊顶的古建筑屋架效果的情况下，为不造成既有结构材料的浪费，保证施工的可行性，进行两端斜支撑加设，增加的建筑材料仅包括增设的斜支撑钢管材料。(3)针对目前仿古建筑施工周期短，建筑使用功能灵活的特点，采用钢结构屋架体系替代原有木结构屋架是一个可行性度高的方法，通过一系列简单的工艺手段，加强仿古建筑对古建筑的完美“复制”，为今后类似的仿古建筑设计提供可行性的参考。

　　参考文献

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　　作者：陈兴雷 卢凡 单位：江苏中森建筑设计有限公司

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