多層教學(xué)樓的建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計

張智真　盧宜飛

（洛陽古建園林設(shè)計院有限公司　河南　洛陽　471000）

多層教學(xué)樓的建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計

張智真盧宜飛

（洛陽古建園林設(shè)計院有限公司河南洛陽471000）

教育是一個國家的基石，是社會進步的源泉。隨著社會的快速發(fā)展，教育進入了前所未有的高速發(fā)展時期，我國傳統(tǒng)教學(xué)樓已暴露出了很多弊端，當(dāng)今世界科學(xué)技術(shù)正向著整體化趨勢發(fā)展，一種可容納多個專業(yè)，并使其得以交流和緊密聯(lián)系的整體式綜合教學(xué)樓的設(shè)計概念應(yīng)運而生，對這一建筑類型的設(shè)計加以研究是十分有必要的。本文以某學(xué)校的綜合教學(xué)樓為例子，簡單講述了多層教學(xué)樓的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。

框架結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；應(yīng)用

1　教學(xué)樓的設(shè)計理念

目前，中國教育進入了一個前所未有的迅猛發(fā)展期。與之相對應(yīng)的是校園的規(guī)模越來越大，建設(shè)的速度越來越快，全國上下掀起一股建設(shè)新校園的熱潮。新校園的設(shè)計正處在一個摸索階段。由于大規(guī)模的新校區(qū)的建設(shè)占用了大量的土地資源，人們對集聚化校園、生態(tài)校園的呼聲漸高，以節(jié)約有限的土地資源、保護生態(tài)環(huán)境和實現(xiàn)資源共享。具體而言，教學(xué)樓的設(shè)計理念有以下幾點：

（1）布局要有關(guān)聯(lián)性。現(xiàn)在的教學(xué)樓已經(jīng)不在是獨立的布局，教學(xué)樓的模式變得更加集中，更加具有整體性?？梢栽鲞M師生之間的交流，并且實現(xiàn)了資源共亨，資源浪費情況也會降低。

（2）功能要有多樣性?，F(xiàn)在的教學(xué)樓功能更加豐富多彩，不僅僅可以教學(xué)，自習(xí)，還有了很多的服務(wù)功能。

（3）要有交往空間的設(shè)計。交往對于學(xué)生來說可以培養(yǎng)其良好的心理結(jié)構(gòu)與智能結(jié)構(gòu)。

2　工程概況

本工程為某學(xué)校綜合教學(xué)樓，由主樓及附屬裙房組成。根據(jù)建筑物使用功能和結(jié)構(gòu)特點分為A、B、C、D、E五個分區(qū)。

主樓（A區(qū)）地下一層，層高4.2m，地上十二層，二～五層為教室，一層、六～九層為實訓(xùn)室，十、十一層為辦公室。層高11×4.2m，3.2m（機房層）。主樓建筑高度46.5m。平面尺寸126.40m×19.70m。

B區(qū)（裙房）地下一層，層高為4.20m，地下室地面標(biāo)高為-2.100m；地上五層，各層均為教室，層高均為3.90m。B區(qū)室內(nèi)外高差0.40～1.20m。建筑高度19.90m，平面尺寸53.10m×10.40m。

C區(qū)（裙房）地上四層，一層為教室、門廳及報告廳，其中教室及門廳地面標(biāo)高為6.0m，報告廳地面標(biāo)高為4.20～6.00m；二層為報告廳上空及教室、門廳，教室及門廳樓面標(biāo)高為9.90m；三層為報告廳屋面及教室，教室樓面標(biāo)高為13.80m，報告廳屋面為屋頂花園，屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高12.00m；四層為教室，樓面標(biāo)高為17.70m；屋頂標(biāo)高為21.60m。C區(qū)室內(nèi)外高差0.30m。平面尺寸59.00m× 33.63m。

D區(qū)（裙房）地上三層，一層地面標(biāo)高為4.20m，一～三層層高分別為4.50m、5.10m、5.10m，各層均為階梯教室。D區(qū)室內(nèi)外高差0.30m。建筑高度15.00m，平面尺寸53.16m×27.50m。

E區(qū)（裙房）地下一層，層高為4.20m，地下室地面標(biāo)高為-4.20m，地上四層，層高分別為4.20m、4.50m、5.10m、5.10m，各層均為教室。E區(qū)東側(cè)、西側(cè)、北側(cè)室內(nèi)外高差0.30m，南側(cè)室內(nèi)外高差3.30m。建筑高度19.20m，平面尺寸67.20m×33.90m。

本工程主樓（A區(qū)）上部結(jié)構(gòu)為框架剪力墻的結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為人工挖孔灌注樁基礎(chǔ)。裙房（B、C、D、E區(qū)）上部結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)為獨立柱基?？蚣芙Y(jié)構(gòu)在現(xiàn)階段的土木工程中應(yīng)用十分廣泛，其良好的受力性能和方便的施工程序讓它成為建筑設(shè)計中首選的結(jié)構(gòu)形式。

3　地基與基礎(chǔ)

3.1地基情況

根據(jù)巖土工程勘查報告，該工程土層分布自上而下分別為粉質(zhì)粘土、黃土、碎石混粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、碎石混粉質(zhì)粘土、中風(fēng)化灰?guī)r。

3.2基礎(chǔ)設(shè)計

根據(jù)場地的土層分布極其物理力學(xué)性能，結(jié)合上部結(jié)構(gòu)的特點，本工程主樓（A區(qū)）基礎(chǔ)選用人工挖孔灌注樁，以第6層較完整中風(fēng)化灰?guī)r作為樁端持力層，持力層極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk= 8000kPa。樁頂標(biāo)高為-5.200（對應(yīng)絕對標(biāo)高145.10m）。

裙樓基礎(chǔ)選用柱下獨立基礎(chǔ)和墻下條型基礎(chǔ)。地下室基礎(chǔ)以第4層粉質(zhì)粘土為持力層，承載力特征值f=150kPa，其它基礎(chǔ)以第3層黃土為持力層，承載力特征值f=120kPa。基礎(chǔ)應(yīng)全部落至老土上，第1、2層土應(yīng)全部清除。第3層黃土為非自重濕陷性黃土，故基底以下設(shè)滿堂3：7灰土墊層1m厚。局部超挖部分以3：7灰土墊層按寬高比2：1錯臺回填?；彝翂|層頂面出基礎(chǔ)邊的距離不小于2.0m。灰土墊層應(yīng)分層夯實，壓實系數(shù)不小于0.95。

3.3臺階式基礎(chǔ)設(shè)計

C區(qū)一樓為階梯座位式報告廳，地面高差相差最大處達到近2m，同時場地為坡地?，F(xiàn)根據(jù)現(xiàn)場并結(jié)合建筑地面要求，采用臺階性獨立基礎(chǔ)形式。考慮基礎(chǔ)距離較近，采用毛石回填多階放坡以滿足規(guī)范要求。

4　上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1A區(qū)立面Y形柱子處理

因建筑立面需要，要求在二、三層立面范圍沒外墻軸線內(nèi)退1100mm，且在三層樓面不能有梁在立面之外出現(xiàn)?？紤]到若采用梁上起柱的方法實現(xiàn)建筑要求，將在梁端部附近產(chǎn)生較大剪力，不利于結(jié)構(gòu)安全。結(jié)合結(jié)構(gòu)底部樓層柱子截面較大的特點，采用Y形柱的方案。在二至三層范圍內(nèi)，該立面柱子一分為二，外側(cè)為長度為兩層高的框柱，內(nèi)側(cè)為三層樓面架設(shè)在其上的小框柱。

采用Y形柱方案，一方面完全實現(xiàn)了建筑里面的造型要求，同時充分考慮了結(jié)構(gòu)的可靠性和經(jīng)濟合理性，體現(xiàn)了建筑適用、堅固與美觀的完美融合。

4.2C區(qū)大跨度屋頂花園結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)建筑功能安排，C區(qū)為一依山而建的階梯座位式報告廳，扇形平面，兩個方向的最大跨度分別達到22m及20m，報告廳屋面為屋頂花園，其上有600mm厚的覆土。

根據(jù)建筑條件并結(jié)合業(yè)主要求，考慮采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土雙向密肋梁結(jié)構(gòu)，梁截面截面為350mm×1200mm，間距為2100mm左右。同時結(jié)合建筑平面，充分利用東西向各自外伸一跨的條件，將大跨度梁各自向外延伸至外側(cè)立面處，從而使單跨簡支梁變成多跨連續(xù)梁，減小中間框架柱的柱頂彎矩，加強整個屋頂結(jié)構(gòu)的整體性。外伸段梁截面為350mm×700mm。

4.3D、E區(qū)階梯教室結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)建筑功能安排，D區(qū)及E區(qū)的北側(cè)為階梯教室，寬度達到15m。結(jié)構(gòu)階梯教室的建筑特點，考慮采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土單向密肋梁結(jié)構(gòu)，梁截面截面為250mm×800mm，間距為1500mm左右。

4.4A區(qū)頂層立面內(nèi)退設(shè)計

根據(jù)建筑立面要求，A區(qū)頂上兩層南北兩側(cè)立面均內(nèi)退1600mm。結(jié)構(gòu)上考慮梁上起柱做法實現(xiàn)。同時按照轉(zhuǎn)換梁構(gòu)造要求對起柱梁進行加強。同時落地框架柱截面不變，一直通到屋頂，盡量保證豎向構(gòu)件的側(cè)向剛度及抗剪承載力。

4.5模型計算

本工程結(jié)構(gòu)計算中采用多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件SATWE進行結(jié)構(gòu)分析計算。按照抗震縫分隔成的7個獨立單元各自進行地震作用計算分析，計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

另對于部分不規(guī)則單元，采用結(jié)構(gòu)空間有限元分析軟件SATWE和PMSAP兩種計算軟件進行結(jié)構(gòu)對比分析，按單向地震并考慮偶然偏心和雙向地震不考慮偶然偏心分別計算分析，按不利的結(jié)果進行扭轉(zhuǎn)位移比的控制和構(gòu)件的設(shè)計。

在本工程的結(jié)構(gòu)計算和分析中，始終貫穿結(jié)合建筑特點，重視概念設(shè)計，對薄弱部位采取合理加強措施，是本工程的計算結(jié)果和結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理。

5　主要技術(shù)構(gòu)造措施

（1）充分結(jié)合現(xiàn)場場地，重視坡地的地基處理，合理選用基礎(chǔ)型式。

（2）在計算結(jié)構(gòu)位移、位移比時，強制采用剛性樓板假定，目的是避免由于局部振動而影響結(jié)構(gòu)位移比的正確計算。在計算結(jié)構(gòu)受力配筋時，根據(jù)結(jié)構(gòu)樓層布置實際情況，合理采用彈性膜假定。

（3）加強錯層柱及躍層柱、洞口四周框架梁、Y形柱子、轉(zhuǎn)換梁柱等各關(guān)鍵構(gòu)件的截面及鋼筋配置。

（4）對于高度較高樓層，在填充墻內(nèi)加強構(gòu)造柱和圈梁的設(shè)置。

該工程建筑平面布置復(fù)雜，立面多變。結(jié)構(gòu)設(shè)計需要更好的結(jié)合建筑功能要求和造價控制，重視概念設(shè)計，重視關(guān)鍵部位的關(guān)鍵構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

6　結(jié)束語

教學(xué)樓的設(shè)計要重視布局的關(guān)聯(lián)性，也要從學(xué)生的心理與行為出發(fā)，設(shè)計出來的教學(xué)樓更加具有整體性，同時可以減少資源的浪費，在設(shè)計上要改變傳統(tǒng)的教學(xué)樓模式，建立新型的科學(xué)合理的教學(xué)樓模式。

[1]李雪麗，陳建強，蘇云燕.土木建筑工程框架結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].湖北建筑，2014，12（11）：101～103.

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TU318+.2

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1673-0038（2015）39-0019-02

2015-9-7