大型庭院采光頂結構設計

吳社

1.工程概況

北京月壇松鶴樓為典型的北京四合院建筑，有坡屋面、二層框架結構帶地下室，為早期建筑。受業主委托對其內外裝進行全部改造，按裝飾效果方案的要求對其東、西兩個露天庭院內新增除主采光頂外，還在其周圍做高低不同的采光頂。同時，在采光頂結構上附屬增加其他結構和采光頂融為一體，其附屬結構有新增樓層、樓層走廊、擴建樓梯及樓梯間、玻璃幕墻等裝飾、結構設計。所有新建部分的頂面均為玻璃采光頂，由玻璃幕墻和采光頂形成閉合空間，尤其是東庭院中間升起的主采光頂和周圍的帶采光頂的附屬結構和玻璃幕墻等融為一起，建筑裝飾效果美觀大氣，但其結構構造也是相當復雜。不能過多地將新增加的結構荷載加在老建筑上，因此，將采光頂的主結構的地梁、柱、頂梁等和附屬工程設計在一起，使得建筑平面尺度大、建筑造型新奇、建筑構造復雜，收邊收口和轉角多。東庭院新建部分依次為，在中間部位設四根立柱，呈四邊形分部在角上，就像方亭的四個立柱，柱子升到頂面后周邊設二層鋼圈梁，中間設交叉鋼梁，在交叉點設東西向“V”字梁，在“V”字梁上口設扁擔主梁，然后垂直此梁在南北方向布置檁條，形成一個人字形屋面，在其上安放玻璃，構成一個12.2mX12.4m的雙坡主采光頂。在東庭院南側增加一層連廊和凹進去的回廊，在頂部與二層樓面平齊，做玻璃采光頂，但連廊的外邊柱穿過樓層與主采光頂連梁相接，并在這兩個錯層的采光頂之間的立柱外側做玻璃幕墻。在東庭院的東側做樓梯及樓梯間，樓梯間與南連廊內部連通，樓梯間頂面高度至二層屋面檐口底，頂面為玻璃采光頂，內部設計寬敞的樓梯及休息平臺，其外側做玻璃幕墻到頂，與中庭主采光頂側面相連。在東庭院的北側做二層連廊及凹進的回廊，與內部樓梯間連通，頂面高度至二層屋面檐口底，頂面為玻璃采光頂，連廊外側為玻璃幕墻，通至中庭主采光頂邊部收口[1]。西庭院新建部分除中間沒有主采光頂，東側沒有樓梯及樓梯間外，其余基本和東庭院相同。

2.設計的重點和難點

本工程涉及的專業知識具有一定的廣泛性和綜合性，有裝飾、玻璃采光頂、玻璃幕墻、鋼結構、混凝土結構和后錨固方面的知識，知識體系龐雜，設計時要各個方面兼顧周全，知之甚深才能很好地進行設計，否則極有可能造成質量和安全隱患，給人民的生命和財產安全帶來不可估量的損失，設計責任重大。設計的重點和難點分列如下。

豎向構件的生根問題是主要難點之一，本工程是加擴建工程，空間尺寸大，而周圍原結構構件經驗算其富余量較小，難以承受較大的二次結構荷載，并且根據造型要求，勢必要再新做一些豎向受力構件，從而進行傳遞荷載，解決好這些問題，才能確定結構體系。因此，需對中庭地面及地上結構進行分析、驗算，經過計算，地面埋土1m下的地下室頂面板，有一定的承載力，但梁柱的分部不規律，新增豎向受力構件的分布多在板面位置，應增設梁跨過板面，然后讓新增豎向受力構件作用在地下室頂面的新設梁上。其余小的豎向受力構件可以連接在地下室頂板或原結構的梁柱上。

3.設計思路

（1）配合裝飾的效果設計，完成新增采光頂、新增幕墻、新增樓層、擴建樓梯及樓梯間、鋼結構等結構選型的設計工作，達到設計效果要求的同時，使結構受力合理，結構安全可靠。

（2）對原建筑設計、結構設計圖紙和裝飾的效果設計圖紙認真研究，理解設計意圖，把握其設計思想，并對其中存在的問題提出針對性的方案。本工程為改造工程，尤其要對原結構的板、梁、柱應重新進行結構分析，明確其受力方式、配筋情況，并進行計算，同時和原建筑結構設計單位進行溝通，以確定其設計安全富余量，以便確定新增結構的結構布置形式[2]。

（3）東庭院一層連廊、二層連廊和采光頂，以南側、北側連廊邊鋼柱和庭院中間四個鋼柱作為整個結構的豎向受力構件，分別在樓層和南側、北側連廊邊剛柱間布置鋼梁、在四個鋼柱頂布置鋼梁，組成空間鋼結構框架體系，承受所有的荷載。

（4）西庭院一層連廊，連廊的外側為玻璃幕墻，由于幕墻受溫度變化的影響比較明顯，同時也由于玻璃自身與鋼結構材料相比在強度、剛度等方面差異較大，幕墻設計為吊掛在主采光頂鋼梁上的受力體系。

連廊頂新增彩釉玻璃頂雖然較輕，懸挑結構也能滿足要求，但結構受力復雜，采用梁柱剛架的結構形式，結構受力簡單、傳力路經明確，符合結構設計的宗旨。

在原地下室頂面砼梁上布置鋼柱，在-0.100標高處，在柱間水平連接鋼梁，作為上部結構，上部鋼柱高度至一層樓面，柱與一層樓面梁用鋼梁連接，形成“Γ”型鋼架，在鋼架之間用橫梁連接。

（5）西庭院二層連廊，連廊的外側為玻璃幕墻，同樣采取吊掛在主采光頂鋼梁上的受力體系。

新增二層樓面的外挑最大尺寸達到3800mm，如果采用懸挑的結構形式，就改變了原設計的鋼筋砼梁的受力形式，新增樓面的荷載也不能達到新的功能所要求的大小。而如果在樓層外側設鋼結構柱，采用梁柱剛架的結構形式，則完全能滿足要求。

二層新增屋面雖然較輕，懸挑結構也能滿足要求，但結構受力復雜，采用梁柱剛架的結構形式。鋼結構剛架的形式為“F”型，在鋼架之間用橫梁連接。

（6）樓梯及樓梯間，由于使用功能的改變，原來寬3.2m的雙跑樓梯現在改為8m寬，不僅原三面圍護結構拆除，原來支撐樓梯和樓梯間屋面的唯一一個柱子也拆除，因此，樓梯及樓梯間需全部重新設計。

在樓梯間的最外側兩個角上設鋼柱，鋼柱直接做在在樓梯間的最外側兩個角的地面上，然后，分別將各自的鋼梁布置在休息平臺、一層樓面、二層樓面標高位置，各梁的標高相同，并和鋼柱、樓層原砼梁相連，頂層梁間架設采光頂次龍骨，形成空間鋼結構桁架[3]。

新樓梯設計為梁式樓梯，第一梯段斜梁的兩端分別擱置在一層樓面和新增休息平臺鋼梁上，第二梯段斜梁的兩端分別連接在二層樓面的原砼梁和新增休息平臺鋼梁上，踏步板采用5mm厚鋼板，在踏板面鋪35mm厚C15混凝土，內配φ6mm的鋼筋，以防止混凝土開裂，也便于鋪砂漿貼面磚。

休息平臺寬度為2525mm，其長度為8000mm，休息平臺一側連在樓梯間主鋼結構梁上，另一側下設小鋼柱。休息平臺頂面同踏板。

4.采光頂及維護幕墻結構設計

4.1 采光頂屋面

屋面玻璃為Low-E中空鋼化夾膠彩釉玻璃，鋼龍骨，鋁合金副框，隱框結構。

4.2 玻璃幕墻

玻璃幕墻用Low-E中空鋼化玻璃；幕墻鋁包鋼，鋁合金外蓋板；明框結構。

5.采光頂鋼結構設計

5.1 東庭院主鋼結構

結構布置：在原地下室頂面砼梁上布置鋼柱，在-0.100標高處，在柱間水平連接鋼梁，作為上部結構的基礎，上部以南側、北側連廊邊鋼柱和庭院中間四個剛柱作為整個結構的豎向受力構件，分別在樓層和南側、北側連廊邊剛柱間布置鋼梁、在四個鋼柱頂布置鋼梁，組成空間鋼結構框架體系，承受所有的荷載[4]。采光頂荷載：樓面恒載2KN/m2；吊頂恒載0.5KN/m2；樓面活載2.5KN/m2。采光頂玻璃自重0.61KN/m2；幕墻玻璃自重0.31KN/m2；采光頂玻璃表面雪荷載按高低跨考慮，不均勻分布系數為2，設計值為0.9KN/m2；采光頂玻璃表面坡度較平考慮為負風壓，對結構有利，荷載組合時不予考慮。

圖1 東庭院主鋼結構計算模型

5.2 西庭院二層連廊主鋼結構

結構布置：在原地下室頂面-0.100標高處砼梁上布置鋼柱，在柱間水平連接幕墻鋼橫梁，作為采光頂結構的主體，上部鋼柱高度至二層樓面頂，柱分別與二層樓面梁、屋面梁用鋼梁連接，形成“F”型鋼架，在鋼架之間用幕墻橫梁連接。梁、柱結構受力分析的最不利荷載組合同上，風荷載本工程取正負風壓，兩種工況[5]。

6.結束語

本項目的雙坡、單坡玻璃采光頂以及側面的玻璃幕墻，樓梯間和樓梯、連廊等都連為一體，主要豎向荷載傳到地下室頂面新做的HN700x300x13x24mm的大梁上，通過本次設計，解決了新建筑和老建筑、新建筑之間的結構整體協調性問題。