根据建筑设计,一期建筑共包括有七个建筑主体,即两幢教学楼、两幢宿舍楼、餐厅报告厅、行政图文中心和钟楼。其中,中、小学教学楼均为2~3层的普通多层建筑物;学生宿舍楼均为四层的多层建筑物;餐厅报告厅为两层具有一定跨度的大空间建筑;行政图文中心则为3~4层的多层建筑。高达35m的钟楼则是整个教学区的门面之作,是最需体现整体建筑风格的代表性建筑。设计总建筑面积约2万余m2。
2 整体坡屋面结构形式
从图1的总体鸟瞰图和其功能介绍可以知道,混凝土坡屋面是该建筑群的主体结构形式。而教学楼、宿舍楼甚至图文中心的屋面跨度也多在9~13m之间。如果屋盖跨度中间再加设竖向支承点,则跨度还会减小。以图2钟楼接待室为例,①~④轴的跨度为13·5m。通常情况下,结构工程师是希望将②、③轴两柱升至屋顶以支承屋面梁,减小梁的内力和构件截面。显然,将②、③轴两柱升至屋顶不符合建筑大空间的思想并影响其通透效果。
如此情况下,依照传统的力学概念和设计经验提出,在檐口标高处加设下弦水平拉杆(图中虚线所示)以抵抗屋面梁产生的水平推力,减少两边柱的弯矩。但这无论是对于图2钟楼接待室大厅或是八角形屋面的图文中心厅(图3)以及具有21m跨度的餐厅报告厅(图4)来讲,设置中柱或设置水平拉杆都是建筑师所不能接受的。此时,结构工程师就应当站在整体空间的角度考虑结构方案。当然,对于内隔墙很多的宿舍楼来讲,其内柱的设置并不影响建筑功能的使用和空间效果的需要,这种情况的内柱均可以直接升至屋面以支承坡屋面梁。
在竖向荷载作用下,坡屋面结构的确会对两边的竖向支承构件产生一定的水平推力。但是,根据笔者的计算分析,坡屋面结构构件的内力不同于水平屋面结构构件,尤其是现浇钢筋混凝土结构的整体性,其梁板整体作用与传统的计算结果有较大的差距。换句话讲,坡屋面结构对两边竖向构件产生的水平推力不至于必须增加下弦水平拉杆或造成竖向构件截面及配筋巨大而难以接受的程度。并且,根据坡屋面的整体结构分析,屋脊部位构件内力远远小于边端部(见图3c、图5~图7)。构件截面完全可以随内力变化而变化。
基于上述分析,该工程的坡屋面结构均采用现浇的钢筋混凝土梁板体系,并在保证建筑使用功能和空间艺术效果的前提下,不设下弦水平拉杆并尽可能减少或不设中柱。
3 坡屋面结构的计算和内力分析
现代混凝土坡屋面结构已不同于传统的建造及计算方法。首先,为便于手算,传统的坡屋面结构计算都是将结构简化为杆系模型的,并且难以考虑空间整体作用。其次,限于传统的建筑材料、施工方法及经济条件,传统混凝土坡屋面较现代混凝土坡屋面的整体性差,计算中较少考虑空间作用,更不考虑屋面板的共同抗力。而现代结构计算,依靠能力强大而快捷的计算机技术和专业结构软件,可全面考虑参与结构抗力的各构件抗力及刚度贡献,包括梁板的共同作用。
现以图4中的一榀横向框架(图4c)为例说明之。图4为餐厅报告厅的二层和屋面结构平面布置及其中一榀有代表性的横向框架示意图。其一层为阶梯式报告厅,二层为餐厅。为便于说明坡屋面部分的构件内力,仅取恒荷载(包括构件自重)作用下的计算结果,并将二层楼面和两边跨构件的内力隐去。
3·1 平面杆系计算
在根据图4结构施工图建立的整体计算模型的基础上,通过屋面梁板荷载传导,抽取其中一榀横向框架利用中国建筑科学研究院编制的PK/PM-PK结构程序进行计算后,得出图5a所示的弯矩、剪力和轴力。图5a的内力仅系平面计算结果,其杆系的空间效应和屋面板的参与均不考虑。
3·2 空间共同作用计算
图5b则为在建立整体计算模型中考虑屋面弹性板(厚120mm)的空间作用,利用韩国MIDAS/Gen空间有限元结构程序进行计算,得出对应于图5a横向框架的弯矩、剪力和轴力。模型建立时的梁柱均采用具有拉、压、剪、弯、扭变形刚度的梁单元,屋面板采用具有平面外刚度的四节点和三节点薄板单元。从图5b与图5a的计算结果,可以很明显地看到,考虑现浇混凝土屋面板空间作用后的屋面框架梁及两边框架柱的内力,均较大幅度的小于不考虑屋面板作用时相应杆件的内力。
3·3 弱化屋面板空间作用的计算
显然,图5b的计算结果难以被传统概念和经验所接受。为此,在MIDAS/Gen模型基础上,在保持荷载量不变的前提下,弱化屋面板单元的面内面外刚度,仅考虑屋面弹性板(厚3mm)的有限空间作用。对应于图5a横向框架的弯矩、剪力和轴力计算结果如图5c所示。
从图5c的计算结果,可以看出其屋面杆件内力仍较图5a有一定幅度的减少。事实上,图5c虽然弱化了屋面弹性板的面内外的抗弯刚度,但由于其平面尺寸很大,其面内巨大的轴向刚度仍然存在。因此,顺坡屋面的荷载或作用力必然被分解。作为同样的分析思路及计算,图3c、3d所示的八角形屋面梁内力也就成为必然的结果了。
4 坡屋顶的结构设计处理
从计算比较可以知道,不同程度地考虑坡屋面板的刚度贡献,可以得到不同的杆件内力计算结果。事实上,现浇整体钢筋混凝土坡屋面的刚度及抗力贡献是客观存在的,不由设计者考虑与否而有无。特别是屋面坡度越陡,屋面板的刚度及抗力贡献越明显,屋面梁甚至仅成为屋面板的分隔和约束而已。因此,在完成结构体系确定和构件计算之后,坡屋面结构的一些特殊构造成为设计的关键部分之一。
(1)由于坡屋面板的空间作用和平面内外的综合受力,坡屋面板配置钢筋不仅仅要考虑板平面的抗弯,而且要考虑其轴向受力(当然也包括温度、收缩等引起的轴向受力)。因此,坡屋面板应双层双向通长配筋,并适当加密钢筋间距。
(2)屋脊通常是两个或多个方向梁或板的交汇部位。由于坡屋面受力的特殊性,当仅为板交汇时,宜将板钢筋交叉搭接锚固,见图6a。当板以受轴向力为主时,交接部位的截面尺度宜适当加大,并设置纵向钢筋和箍筋,如图6b所示的坡度很陡的钟楼屋面板。当为多个方向的屋面梁汇交时,除汇交节点应进行专门计算外,应特别注意汇交节点的钢筋锚固。图3e为八角形屋面梁的汇交节点处理示意,供参考。
(3)屋脊梁构造包括横向框架梁和纵向梁以及斜向屋脊梁。从图5的内力图可以知道,横向坡屋面梁在跨中的内力很小。为了保证横向框架梁的整体性和连续性,在满足抗力计算的前题下,可仅在横向屋脊节点布置纵向贯通构造钢筋,并适当加密箍筋,见图4d节点示意。
纵向屋脊梁是坡屋面板的支承点。由于纵向梁两侧的屋面板与纵向梁都呈一定夹角。因此,纵向梁的计算不应考虑两侧屋面板对其抗弯贡献。并且,由于屋面板起着事实上轴向传荷的作用,应按抗拉要求将屋面板钢筋锚固在屋脊纵向梁内。
(4)坡屋面的梁柱交接部位在一定程度上就是梁柱的连续过渡区。从图5的内力图可以知道,坡屋面梁在跨中的内力很小,其受力也主要集中在梁柱交接部位。因此,该交接部位的抗弯、抗剪和抗裂均很重要,箍筋设置尤应加强。不过,作为某种程度上的梁柱连续过渡区,在满足各作用组合的抗力计算前提下,对该区域的梁柱纵向钢筋没必要一定强调对称配筋,以减少节点内过大的纵向配筋率。
(5)无论是屋面梁或是屋面板,其内力及其抗力贡献已较大程度地区别于平屋面构件。屋面板传荷的方式随屋面坡度的改变而改变,坡度越陡,传荷变化及影响周边梁的程度越大。因此,对于坡屋面结构设计应采用具有任意坡度或角度的节点设置,并采用考虑任意板单元功能的整体空间结构计算软件进行计算,而不能简单套用平屋面结构的计算结果。
5 结束语
笔者在此所述及的工程规模非常普通,阐述的思想则是希望树立起结构技术与艺术相结合的观念,是结构工程师需要从思想上为之追求并付出辛勤劳动和智慧才能得到的艺术成果。结构不仅仅是钢筋混凝土硬骨头,更是充满生机的建筑艺术的基础。在满足结构安全的首要前提下,在满足建筑功能和造型设计的同时,也应努力表现建筑技术与艺术结合的内涵,体现出应有的结构美。现代坡屋面结构设计也必须依靠和利用现代结构的设计手段和思想来实现现代坡屋面建筑设计需要。结构工程师不应当是画图匠,也不应当是规范和计算的奴隶。结构工程师应当是应用并驾驭规范去实现并开创结构设计新技术的实践者和领航者。
