可持續(xù)理念在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用
——廈門某可拆裝鋼結(jié)構(gòu)停車樓設(shè)計

陳德平,楊彥

(廈門合道工程設(shè)計集團有限公司 福建廈門 361004)

可持續(xù)理念在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用
——廈門某可拆裝鋼結(jié)構(gòu)停車樓設(shè)計

陳德平,楊彥

(廈門合道工程設(shè)計集團有限公司 福建廈門 361004)

廈門市某大型商城停車樓設(shè)計是在傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)框架設(shè)計的基礎(chǔ)上，引入“可拆裝”的設(shè)計概念；并圍繞“可拆裝的設(shè)計”這一目標(biāo)，研究了結(jié)構(gòu)體系選型、板梁柱節(jié)點、構(gòu)件的拆卸與組裝等設(shè)計問題，從而實現(xiàn)建筑的異地再利用?？刹鹧b設(shè)計是實現(xiàn)資源可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計，本文闡述了此可拆裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，由此對可持續(xù)性建筑的設(shè)計提出了新思路，可供類似項目參考。

可持續(xù);可拆裝;鋼框架-支撐;停車樓

E-mail:13095529@qq.com

引 言

鋼結(jié)構(gòu)以其輕質(zhì)高強、造型豐富靈活等多方面優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑，相比傳統(tǒng)建筑材料不僅應(yīng)用更多元化，而且還是一種綠色環(huán)保型產(chǎn)品。一方面，鋼材能回爐重新冶煉后重復(fù)使用，可達100%回收率；另一方面，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可通過螺栓或其他便于拆裝的方法進行連接，形成可拆裝的鋼結(jié)構(gòu)，適用于臨時和需遷移的建筑。

鋼結(jié)構(gòu)可重復(fù)使用、可拆裝的特點恰符合可持續(xù)發(fā)展的政策要求，尤其可拆裝的鋼結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)設(shè)計中的可持續(xù)性概念。廈門某可拆卸停車樓就是在這方面的一個有益嘗試。

1 項目概況

可拆卸鋼結(jié)構(gòu)停車樓位于廈門市仙岳路和嘉禾路交界處的大型商城旁。該商城一二期均已投入使用，現(xiàn)正籌建第三期項目。由于第三期項目的A、B、C三個地塊項目均是利用一二期的室外露天停車場進行建設(shè)，故在三期項目的地下停車場未投入使用前，整個商城將出現(xiàn)停車位不足的情況，故業(yè)主決定在商城一期項目西北側(cè)的B地塊建設(shè)一座可拆卸式停車樓，解決三期項目建設(shè)過程中的商場停車問題，待三期項目完成后此停車樓還可遷移至其他城市的商城再次使用。

該項目的建筑方案是一座兩層自行式直坡道鋼結(jié)構(gòu)立體車庫，無地下室，總建筑面積為9403.239m2，建筑占地面積為4490.340m2，建筑高度6.55m，總停車位489個。建筑平面及立面均為規(guī)則矩形，樓梯等設(shè)備間設(shè)置在矩形兩角，外立面設(shè)防撞欄板及欄桿，坡道兩側(cè)設(shè)全高防火墻。建筑整體視野開闊，自然采光通風(fēng)，規(guī)則簡潔的造型中透露出鮮明的現(xiàn)代感。

圖1 項目效果圖

2 項目的可拆裝要求

本工程主要為解決第三期項目建設(shè)期間的停車問題，使用年限僅三～五年，若使用完成后直接拆除，將造成較大的資源浪費。應(yīng)業(yè)主要求，本停車樓應(yīng)設(shè)計成可拆裝停車樓，在本建設(shè)地點完成使命后，遷移至其余城市的城市廣場繼續(xù)使用。

現(xiàn)階段工程上應(yīng)用的可拆裝鋼結(jié)構(gòu)多用于建筑工地等野外作業(yè)臨時用房的骨架，供一般的生產(chǎn)和生活使用，結(jié)構(gòu)跨度及荷載均較小，使用時振動及噪音較大，舒適性較差。本工程為自行式停車樓，使用荷載較大，需考慮車輛行走時的沖擊荷載，以及可停車屋面的防水問題，因此對于結(jié)構(gòu)總體剛度、樓面整體性及樓面豎向剛度的要求較高。以土建的方式無法實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)完全可拆裝，故我們引入了可拆率的概念。鋼結(jié)構(gòu)實現(xiàn)90%以上的可拆裝率，即鋼結(jié)構(gòu)主構(gòu)件全部可重復(fù)利用，次構(gòu)件及連接件根據(jù)拆卸時的損傷程度，視實際情況部分重復(fù)利用。砼樓板實現(xiàn)90%以上可拆裝率，即除部分因吊裝、運輸?shù)仍驌p壞的樓板外，均可重復(fù)利用。砼基礎(chǔ)不考慮再利用。

為滿足該可拆率的要求，我們從結(jié)構(gòu)體系選型、節(jié)點構(gòu)造及樓屋面板的可拆裝等方面進行專項設(shè)計及優(yōu)化，在滿足停車樓功能要求的同時兼顧經(jīng)濟、效率與安全舒適。

3 結(jié)構(gòu)體系

本工程層高較小，結(jié)構(gòu)型式簡單，采用鋼框架結(jié)構(gòu)較為合適，要實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的可拆裝，重要的一條是避免工地拼裝節(jié)點中出現(xiàn)焊接的情況，所有節(jié)點應(yīng)采用全螺栓的連接方式。但是采用全栓剛接節(jié)點會帶來以下兩個問題：一是螺栓數(shù)量較多，經(jīng)濟性較差；二是大量的摩擦型高強螺栓拆除時均應(yīng)采用切除方式，拆除困難，且易損傷主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件。鑒于這種情況我們采用鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系，框架承擔(dān)所有豎向荷載，柱間支撐承擔(dān)水平荷載及地震作用。釋放框架梁柱節(jié)點的轉(zhuǎn)動約束，所有梁柱節(jié)點均采用鉸接連接，使拆裝變得簡易方便；支撐與柱節(jié)點采用銷軸連接；同時為加強樓面剛度，在柱間支撐對應(yīng)的跨內(nèi)設(shè)置樓面水平支撐，使其形成完整的受力體系。柱采用焊接箱形柱，截面尺寸為□300×300×12，考慮到結(jié)構(gòu)的整體性，柱采用通高設(shè)置，不設(shè)可拆裝點；梁采用國標(biāo)H型鋼，主要截面尺寸為HN396×199×7×11、HN446×199×8×12及HN496×199×9×14；支撐采用熱軋無縫鋼管，柱間支撐為D180×10，水平支撐為D168×8；樓屋面及坡道采用鋼筋桁架現(xiàn)澆砼板并預(yù)設(shè)可拆裝構(gòu)造?；A(chǔ)形式為柱下獨立基礎(chǔ)，采用外包式柱腳設(shè)計。樓梯采用現(xiàn)澆混凝土板式樓梯，梯板部分不考慮可拆裝。最終確定上部結(jié)構(gòu)方案如(圖2、圖3)所示。

4 計算分析

本工程使用中國建筑科學(xué)研究院的PKPM系列軟件進行設(shè)計，用STS模塊建模，SATWE模塊進行結(jié)構(gòu)電算，計算結(jié)果：結(jié)構(gòu)自振周期為第一周期0.3976s(X向)，第二周期0.3452s(Y向)，第三周期0.2921s(扭轉(zhuǎn))，豎向自振周期小于0.1s，可滿足舒適度要求；X向最大層間位移1.74mm，Y向最大層間位移2.20mm；鋼構(gòu)件強度，穩(wěn)定性及長細比等均滿足規(guī)范要求。

圖2 結(jié)構(gòu)典型平面布置圖

圖3 結(jié)構(gòu)典型立面布置圖

由于結(jié)構(gòu)型式較簡單，本文中對電算不做具體描述，主要闡述結(jié)構(gòu)可拆裝的實現(xiàn)。

5 結(jié)構(gòu)可拆裝細部設(shè)計

本工程主要考慮上部結(jié)構(gòu)框架、樓板的可拆裝性，而對基礎(chǔ)、樓梯等砼構(gòu)件不再利用，這樣在保證安全適用情況下將可拆裝率最大化，滿足經(jīng)濟合理及停車樓再利用的需求。

5.1 節(jié)點的可拆裝設(shè)計

梁-柱及梁-梁節(jié)點設(shè)計。梁柱節(jié)點均為鉸接，相比剛接形式可省去上下翼板處連接螺栓，所需螺栓數(shù)量節(jié)約近1/2。為提高結(jié)構(gòu)的冗余度，主梁與柱節(jié)點設(shè)置雙排螺栓，考慮其能承受部分次彎矩，次梁與主梁節(jié)點處仍用單排螺栓,如(圖4、圖5)。節(jié)點的拆卸是其可拆裝性設(shè)計的關(guān)鍵，拆卸應(yīng)不損傷主體構(gòu)件，否則再組裝的結(jié)構(gòu)將存在種種不安全因素，或者構(gòu)件根本無法再使用。針對這一關(guān)鍵點，我們采用以下措施：采用大六角頭承壓型高強螺栓，同時在腹板兩側(cè)都設(shè)置連接板。主要目的有以下兩方面：一是大六角頭的承壓型高強螺栓工藝簡單，對接觸面的處理及螺栓的終擰壓力要求較低，拆卸時可直接擰下，無需切割；二是設(shè)于螺母一側(cè)的連接板可以有效保護梁腹板在拆卸螺栓時不受損。再次安裝時，螺栓及連接板可視具體損傷情況部分重復(fù)利用，但作為主體構(gòu)件的梁柱均可循環(huán)利用。

支撐節(jié)點設(shè)計。支撐為熱軋無縫鋼管，傳統(tǒng)的支撐與節(jié)點區(qū)連接方式是采用等強焊接或栓焊連接，這一方法雖傳力可靠但無法拆裝；本工程中支撐節(jié)點設(shè)計為雙剪銷軸連接。如(圖6)所示，同時對銷軸開孔大小做出嚴格限制，避免開孔過大引起結(jié)構(gòu)的晃動及不必要的噪音。這種處理方式不僅可保證傳力可靠，而且造型新穎美觀，作為立面外露節(jié)點恰融入建筑整體的風(fēng)格設(shè)計。

圖4 框架梁柱連接大樣圖

圖5 次梁與柱連接大樣圖

圖6 柱間支撐與梁連接大樣圖

5.2 樓板的可拆裝設(shè)計

鋼筋桁架樓承板是將工廠預(yù)制的鋼筋桁架與底模鋼板連接成一體的組合模板，有受力合理、抗震性好、施工便捷等特點，已在現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、高速鐵路枕軌等領(lǐng)域項目得到應(yīng)用。鋼筋桁架樓承板可用于現(xiàn)澆樓板或預(yù)制樓板，由于車庫對舒適度及樓板的整體性要求較高，且本停車樓二層頂板即屋面，其防水性也有較高要求，因此樓板首次施工選擇采用現(xiàn)澆式并預(yù)留可拆裝能力。

樓板可拆裝能力的設(shè)計思路：在首次建造時采用現(xiàn)澆樓板，同時設(shè)置可拆拼縫，再次搭建時則作為預(yù)制樓板，相互拼接澆筑成一體?？梢姌前宓目刹鹧b重點主要為樓板間拼縫設(shè)計及樓板與鋼梁連接設(shè)計。具體而言：本工程所選用的鋼筋桁架樓承板的基本寬度為600mm，底模鋼板可相扣組合成更大寬度的樓承板，考慮到樓板拼縫數(shù)量及拆卸后的吊裝能力，故使用雙片樓承板和單片樓承板兩種形式。同樣為使得拆卸不損傷主體構(gòu)件，我們在樓承板底模周邊焊接角鋼作為護角。設(shè)置分布鋼筋及箍筋，并將箍筋與角鋼護角焊接。樓板厚度為120mm，在樓板拼縫處，距板底80mm范圍內(nèi)用厚15mm泡沫板填塞，其上范圍內(nèi)為混凝土，并且在接縫處設(shè)置拉筋，樓面栓釘改為抗剪板，設(shè)于拼縫處。拆卸樓板時，根據(jù)樓板拼縫處標(biāo)記的凹槽切割成單片或雙片樓板單元，利用基本單元內(nèi)設(shè)置的吊鉤進行吊裝。樓板再次拼接時，拼縫下部用鋼板將角鋼護角焊接起來成整體，拼縫上部按預(yù)制板構(gòu)造連接進行鋼筋連接及混凝土澆筑。樓板僅考慮一次拆裝，若需再次拆裝時，僅有部分無破損的樓板可繼續(xù)使用。

圖7 鋼筋桁架樓板構(gòu)造圖

圖8 樓板與鋼梁連接大樣圖 圖9 樓板拼縫大樣圖

5.3 柱及柱腳設(shè)計

本工程總高較小，設(shè)計時柱不考慮分段，以現(xiàn)有的運輸及吊裝能力可一次成型，故不設(shè)置可拆除構(gòu)造，這樣可提高結(jié)構(gòu)可靠度；柱腳采用外包式設(shè)計，考慮到柱的重要性及柱腳的等強連接，不考慮其可拆裝，而是在拆卸時于端部截斷，再次安裝時等強連接相同規(guī)格的管后按外包式柱腳施工。

6 結(jié)語

面對迫在眉睫的能源危機、環(huán)境危機，可持續(xù)性建筑的經(jīng)濟價值及生態(tài)、人類的健康利益早已不言而喻，建筑不應(yīng)再僅僅追求高度、跨度的提高，而該努力摒棄高能耗、高浪費的粗獷生產(chǎn)方式，尋求建筑可持續(xù)發(fā)展的途徑。Holcim可持續(xù)建筑大獎賽提出更廣泛的可持續(xù)性，它認為“可持續(xù)性意味著對現(xiàn)在與未來，資源與耗能，需求與機遇之間和諧平衡之追求”。鑒于此，建筑的可持續(xù)不局限于新型材料、施工工藝或建筑使用過程中的節(jié)約能耗技術(shù)等，對建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計也需融入可持續(xù)的概念，將環(huán)境、經(jīng)濟、文化及需求因素考慮在內(nèi)，實現(xiàn)空間、資源、功能各方面的可持續(xù)性。

本工程在傳統(tǒng)自行式停車樓的基礎(chǔ)上融入新的設(shè)計概念，相比機械式停車樓從不同的角度詮釋可持續(xù)的設(shè)計理念。本工程與機械式停車樓鋼結(jié)構(gòu)骨架的區(qū)別在于：可拆裝鋼結(jié)構(gòu)停車樓是從土建結(jié)構(gòu)設(shè)計上實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的拆卸與組裝，不單純是節(jié)點的連接方式，它包括結(jié)構(gòu)體系選型、構(gòu)造設(shè)計及人員的安全舒適多方面內(nèi)容。同時本工程的優(yōu)勢還在于其不依賴機械設(shè)備，免去了設(shè)備運營和維護費用，更加安全可靠，可異地建設(shè)再利用，真正實現(xiàn)經(jīng)濟節(jié)能、可持續(xù)化。

[1]GB50017-2003, 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[2]GB50009-2012, 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[3]GB50011-2010, 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

The Application of Sustainable Idea in Steel Structure Design——Designing of A Removable Steel Parking Garage in Xiamen

CHENDeping,YANGYan

(Xiamen Hordor Architecture & Engineering Design Group Co., Ltd. Xiamen 361004)

On the basis of the traditional steel frame, the removable design concept was introduced into a parking garage of a mall in Xiamen. This project design studied some questions such as structural system selection, joints and disassembly and assembly of members, so as to realize removable and recyclable structure. Removable design is sustainable. This paper presented design method of removable steel structure, and also put forward new ideas for structural design of sustainable architecture.

Sustainable; Removable; Steel frame-bracing construction; Parking garage

陳德平(1974.04- )，男，高級工程師。

2015-05-18

TU318

A

1004-6135(2015)07-0035-03