用钢结构实现古建风采（一）
Abstract The service facility of Beijing Changpuhe Park is the ancient architecture imitated, which strives for the effect of seeing ancient architectures from its appearance and the modern style from its inside, the combine of the East and the West. Its main body above ground adopts the steel structure.. This article interprets the plane of structure carrying out, the handling of special node , the defects and the improvements of this design.
Key words steel structure, ancient architecture, build, gabled frames, steel frames, node.
摘要 北京菖蒲河公园服务设施工程为仿古建筑，建筑方案力求达到“外看古建，内看现代，中西结合”的效果，地上主体采用钢结构形式。本文阐述了钢结构实施的方案，特殊节点的处理以及方案可以改进之处。
关键词 钢结构、古建、门式刚架、钢框架、节点
一．前言
中国历史悠久，文化源远流长，房屋建筑也是其中的一个重要分脉。中国的古建筑已经成为世界上独具特色的一门建筑科学，是世界建筑艺术宝库中的一颗璀璨的明珠。
近 年来随着我国钢产量连年增加，钢结构因其有强度高、韧性好、构件制作工厂化、现场安装快捷、抗震性能好等特点，在建筑领域内使用的范围越来越广，高层钢结 构、空间网架网壳结构、轻型门式刚架、多层框架等结构体系在各种建筑中的应用比例也越来越大，但钢结构在仿古建筑中的应用不是很多，业内人士在这方面的探 讨也相对较少。现结合我们前一阶段做的北京菖蒲河公园服务设施工程，讨论一下钢结构在仿古建筑中的应用。
二．工程简介
本工程位于北京市东城区南河沿街与劳动人民文化宫东墙之间，南临小苏州胡同、西库司胡同及菖蒲河沿，地理位置优越。由西向东共分为四部分—皇城博物馆、西 餐厅、园林食府、咖啡厅；总建筑面积约14397m2，其中地上为8082m2。各部分的地下室为混凝土结构常规做法，其中基础为梁板式筏基，顶板为混凝 土梁板结构。于地下室顶板柱顶预埋钢结构柱脚锚栓，地上钢结构体系为双向有侧移框架，柱脚为铰接。屋面为传统古建屋面做法，外围护墙采用轻质砌块；局部二 层楼板为现浇钢筋混凝土楼板，通过钢梁上的抗剪栓钉与钢梁可靠连接。(见图1)
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三．结构形式
我国现存的古建筑实 物中，明、清建筑占有相当大的比例，我们这个工程就是仿清式的建筑风格。清式古建筑木构架的屋面为曲线型，曲线的优劣是靠屋面举架的变化决定的。常用的举 架有五举、六五举、七五举、九举等等，分别表示举高与步架之比为0.5，0.65，0.75，0.9。千百年来古建筑工匠们在举架运用上已积累了一套成功 的经验，形成了较为固定的模式。本工程中建筑师多采用七檩房，各步分别为五举、六五举、八五举。古建筑中的房屋构架是在各举折点依靠梁托柱的形式，层层托 上去（见图2）。
工程在前期的建筑方案阶段中，为了达到“外看古建，内看现代，中西结合”的建筑效果，建筑师首先考虑采用的结构 形式就是钢结构。钢结构一般给人以轻巧、美观、大跨度的现代感觉，而混凝土结构，建筑师们则认为比较笨重和中庸。作为结构工程师，我们很清楚钢结构的优势 在于何处。结合建筑师提出的小截面大跨度的要求，以及建筑专业最初对屋面的要求，初步确定了一个结构方案：屋面采用轻型建筑材料，包括新型仿古压型瓦及在 轻型门式刚架中常做的夹层保温棉屋面建筑做法；柱脚按门式刚架的柱脚形式设计为铰接。由此我们选定了如下的结构形式作为我们最初的结构方案（见图3）：将 屋面斜梁在举折点处进行弯折，梁柱节点为刚接，柱脚为铰接。根据此结构方案，我们按照门式刚架的假定和构造要求进行了试算，计算采用门式刚架计算程序 SSDD，进行平面模型计算。初步试算后我们得到了比较满意的结果，杆件截面和用钢量都控制在我们预期的范围内。但是随着设计的深入，建筑师们发现新型的 轻质仿古屋面远不能达到他们预期的建筑效果，他们想得到比较完美和真实的古建效果。这样他们将屋面做法做了比较大的调整，改为传统的古建做法（见图4）。 古建做法的屋面恒荷载经过我们核算达到了6.5kN/m2，与普通的钢筋混凝土屋面荷载相差无几；同时原先我们认为可以设置的柱间支撑也取消了，因为建筑 师要求能比较灵活的布置室内的空间，并且认为外露的柱间支撑会对室内建筑的效果产生比较大的影响。刚架之间的侧向刚度只能靠建筑师已经限定了尺寸的两根水 平边梁来提供，因为这两根边梁兼做檐枋和檐檩，截面尺寸根据古建的构造要求只能为H400X170（见图4）。至此我们对最初设想的门式刚架的计算模型提 出了质疑，认为在此种情况下已经不能用轻钢的结构形式和概念来设计这项工程了，此工程的结构方案在当前的荷载和平面外无柱间支撑的情况下只能为一双向有侧 移框架，属普钢的范畴。具体原因有以下几点：
1)、屋面荷载较大：普通门式刚架的屋面荷载很小，恒荷载为0.5—1.0kN/m2左右，活荷载为0.3—0.5kN/m2左右。而此工程的屋面恒荷载约为6.5kN/M2，活荷载按照《建筑结构荷载规范》不上人屋面取值为0.5kN/m2。
2）、 屋面的坡度较大：普通门式刚架的屋面坡度为1/8-1/20，即屋面斜梁与水平线的夹角在2.86°～7.12°之间，而此工程屋面斜梁的坡度远远超出了 这个范围（其中屋脊处的屋面坡度达到了40.36°），尤其在较大的屋面荷载情况下，这样大的屋面坡度会产生较大的水平推力。
3）、 普通门式刚架在刚架平面外方向是依靠柱间支撑及屋面水平支撑组成刚强的纵向构架来承受房屋端部山墙的风荷载及纵向的水平地震作用，纵向的刚度得到了很好的 保证。而此工程在刚架之间无柱间及水平支撑，房屋的纵向刚度靠与柱在平面外方向刚接的水平边梁来提供。
基于上述几点原因我们对此工程进行了重新计算，计算软件采用STAADPRO，模型为空间模型，并考虑抗震设防烈度为8度（计算简图见图3）。与门式刚架的计算结果进行了比较，详见表1。
表1—门式刚架结构形式与本工程的结构形式的计算结果比较
门式刚架 本工程
恒荷载 1.0 kN/m2 6.5kN/m2
活荷载 0.3 kN/m2 1.0kN/m2
水平控制工况 风荷载 地震作用
计算模型 平面 空间
柱截面尺寸 H250X200X6X10 H350X350X10X16
斜梁截面尺寸 H250X200X6X10 H350X300X8X16
梁柱节点弯距 73.52kN.m 280.28 kN.m
用钢量 24kg/m2 91kg/m2
由表1我们可以看出，本工程的屋面荷载和结构体系对每平米的用钢量起了决定性的作用。水平控制工况已由原来的风荷载转变为地震作用，这个计算结果已经大大 的超出了我们的预先设想，而建筑的柱网排列又受到了古建要求的限制，很多地方的柱子排列得无规则且比较密，综上几个因素直接的影响了本工程的用钢量。
建筑师们对结构形式1按普钢规范计算所得的梁柱截面尺寸还是比较满意的，但做为结构工程师我们认为在屋面荷载和屋面坡度都较大的情况下，结构形式1有一些 不妥之处，主要表现在梁柱节点处的弯矩及变形较大，这对于本工程中最为重要的节点—梁柱节点不是很有利。于是我们在和建筑师的磋商之后决定采用结构形式2 （见图5）进行再次计算；计算结果见表2。
结构形式2是在结构形式1的基础上于刚架梁柱节点处增设一根截面为H200X120X6X10的铰接拉梁，用于承担斜梁对柱产生的水平推力。
经过计算，结构形式2梁柱节点处的弯矩比结构形式1小了41.2%，柱底水平剪力也比结构形式1减小了41.2%（见表2）。此结果我们认为比较满意，由 此得到的梁柱截面尺寸也得到了建筑方面的认可，同时结构形式2使梁柱节点处连接的可靠性得到了比较好的保证。使得结构本身结构形式的问题得到了比较圆满的 解决。
增加的拉杆很有效的解决了结构的位移和变形，但梁柱的截面尺寸无明显变化，因为增加拉杆并没有增加结构整体的抗侧移刚度，另外拉杆采用铰 接，不能有效的减少梁柱接头处的弯矩，所以梁柱截面尺寸没有明显的减小。如果采用刚接拉梁将意味这增大拉梁的截面尺寸。就用钢量而言，结构形式2比结构形 式1增加了拉梁的用钢量为5kg/m2，但拉梁对限制结构的位移和变形还是很明显的
表2—两种结构形式的计算结果比较
计算结果结构形式 梁柱节点最大弯矩（kN.m） 拉梁最大拉力（kN） 柱最大轴力（kN） 柱最大 剪力（kN） 斜梁最大剪力（kN） 斜梁最大轴力（kN） 屋脊节点在竖向荷载下的竖向最大位移（mm） 梁柱节点在竖向荷载下的水平最大位移（mm）
结构形式1 280.28 255.41 69.21 152.74 150.62 19 11
结构形式2 164.86 153.77 258.59 40.71 102.84 253.94 3 1
我们在设计的过程中，曾考虑过古建的构架做法。即前述的举折做法并且对此进行了结构建模计算，计算简图见图6。将每个举折点处的屋面横梁与框架柱和梁上的 短柱刚接，檩条在平面外方向也与框架柱活梁上短柱刚接。但计算结果不能令人满意，用钢量达到了110kg/m2,同时屋架最下面的钢梁尺寸达到了 H400X250，使得室内的建筑净空进一步减小。在增加了很多梁托柱的节点和刚接节点后，从结构概念上仍不能保证托梁的平面外稳定问题，也会增加现场施 工难度，减缓施工进度，所以此结构方案我们没有采用。
