淺談綜合體建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決方案

肖新

【摘要】現(xiàn)代都市中，習(xí)慣快節(jié)奏的人們需要在一個(gè)方便、快捷、經(jīng)濟(jì)、集多種功能于一體的綜合空間里，享受高效率的生活和工作，于是綜合體建筑便應(yīng)運(yùn)而生。由于其超大的體量，復(fù)雜豐富的外立面造型，居于城市優(yōu)越的地段，往往成為城市的標(biāo)志性建筑。多重功能的集合，注定了綜合體建筑的設(shè)計(jì)具有高難度，筆者通過(guò)總結(jié)多年的綜合體建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)及解決方案一一剖析，供同行參考、借鑒。

【關(guān)鍵詞】綜合體建筑；設(shè)計(jì)難點(diǎn)；解決方案

Simple Talking about Difficulty and Solution of Architectural Structural Design of Complex Building

Xiao Xin

（Chengdu benchmark in the architectural design LimitedChengduSichuan610031）

【Abstract】Modern city， the habit of fast-paced people need a convenient， fast， economic， multi-functional integrated in an integrated space， enjoy high efficiency of life and work， so complex building came into being. Because of its large body mass， complex and rich facade modeling， living in the city of superior location， often become the citys landmark. Multi-function set， doomed complex building design is difficult， the author through years of comprehensive architectural design experience， its structural design difficulties and solutions one by one for peer reference， reference.

【Key words】Complex building；Design difficulty

1. 前言

（1）城市綜合體是將城市中的商業(yè)、辦公、居住、旅店、展覽、餐飲、會(huì)議、文娛和交通等城市生活空間的三項(xiàng)以上進(jìn)行組合，并在各部分間建立一種相互依存、相互助益的能動(dòng)關(guān)系，從而形成一個(gè)多功能、高效率的綜合體。一般酒店或?qū)懽謽桥c購(gòu)物中心的組合是最基本的組合，我們稱之為商業(yè)綜合體（圖1）。

（2）綜合體建筑不僅要滿足使用功能的要求，還需要滿足更高品質(zhì)的要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度相應(yīng)的不斷增加。綜合體建筑中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度主要體現(xiàn)在：超長(zhǎng)超大體量、大跨度大懸挑、大跨度大懸挑的扭轉(zhuǎn)傾覆問(wèn)題、樓板連接薄弱問(wèn)題、樓板舒適度問(wèn)題、豎向構(gòu)件轉(zhuǎn)換問(wèn)題以及造型復(fù)雜的大跨度采光頂和立面幕墻。

（3）如圖1所示，建筑中庭要求大跨空間，跨度一般在20米以上，30米也算正常，屋頂采光頂也是大跨的；二層以上內(nèi)部步行街設(shè)置連通各層的扶梯，懸挑跨度一般在6米以上，10米也有。

（4）內(nèi)部步行街中間開(kāi)洞，以大跨度連橋連通（圖3），并可能是彎曲的連橋，使用過(guò)程中易出現(xiàn)較大的振動(dòng)響應(yīng)。

（5）初步的建筑方案還可能出現(xiàn)連橋的寬度極其狹窄，如果又是彎曲的連橋，極有可能只允許一根梁拉通，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)傾覆的問(wèn)題，此問(wèn)題一定要在方案階段與建筑充分配合，爭(zhēng)取兩根梁拉通，并采用抗扭性能強(qiáng)的梁構(gòu)件形式，解決好大跨度梁的抗傾覆問(wèn)題。如圖4中，主梁采用了矩形鋼梁，柱為鋼管混凝土柱。

（6）內(nèi)部步行街區(qū)域往往也是設(shè)備管線最集中的區(qū)域，為了保證凈高，梁高控制的要求也極其嚴(yán)格。

（7）屋頂往往還有綠植而覆土，荷載較大，進(jìn)一步加劇了大跨和大懸挑部位的設(shè)計(jì)難度（圖5）。

（8）由于各層商業(yè)布局不一致，往往導(dǎo)致柱無(wú)法伸直屋頂，帶來(lái)框架柱轉(zhuǎn)換問(wèn)題。因?yàn)樯虡I(yè)綜合體建筑常用柱網(wǎng)一般為9X9、9X11米等，還可能出現(xiàn)18米以上的大跨度轉(zhuǎn)換。

（9）最后，商業(yè)綜合體的外圍造型往往是非常復(fù)雜的（圖6），幕墻與主體結(jié)構(gòu)的連接以及主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮幕墻支座荷載也要求非常嚴(yán)格。

2. 現(xiàn)就商業(yè)綜合建筑中最關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)分別討論解決方案。

2.1超長(zhǎng)超大體量

（1）商業(yè)綜合建筑常由大面積的商業(yè)裙房和辦公、酒店等塔樓組成，一般只在商業(yè)裙房和塔樓的相連部分設(shè)置沉降或抗震縫將二者分開(kāi)，商業(yè)裙房則由于功能要求和立面處理等原因，被限制設(shè)置構(gòu)造縫，這便要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采取可靠措施處理混凝土收縮和溫度變化帶來(lái)的應(yīng)力問(wèn)題。

（2）處理方式無(wú)外乎“抗”、“放”、“防”三種：

抗：進(jìn)行溫度應(yīng)力分析，增加樓板配筋，特別是通長(zhǎng)鋼筋，必要時(shí)還可設(shè)置樓板預(yù)應(yīng)力筋。

溫度荷載的確定[1]：

結(jié)構(gòu)溫度荷載主要由季節(jié)溫差荷載以及收縮當(dāng)量溫差兩部分組成。

2.1.1季節(jié)溫差：樓屋蓋中面在施工和使用中所經(jīng)受的溫差為各地區(qū)計(jì)算季節(jié)平均溫度T中與結(jié)構(gòu)混凝土終凝溫度T凝的差值。按下式計(jì)算：

ΔTt=T中-T凝

以成都某工程為例（表1）：

2.1.2收縮當(dāng)量溫差：由于有豎向構(gòu)件的約束，混凝土收縮會(huì)在水平構(gòu)件中產(chǎn)生拉應(yīng)變，可以把混凝土的收縮值換算成等價(jià)的溫度差值作用，方便與結(jié)構(gòu)溫差作用進(jìn)行綜合計(jì)算。

ΔT= -εy（t）/α

式中α=1x10-5/℃為混凝土線膨脹系數(shù)，通常情況下混凝土極限收縮應(yīng)變約為2～4x10-4，取90d后澆帶封閉時(shí)混凝土收縮量占極限收縮量的60%[1]，則混凝土的收縮當(dāng)量為：

ΔT=-2x10-4x40%/α=-8℃

2.1.3微裂縫折減系數(shù)：混凝土構(gòu)件的剛度折減源自于其在凝結(jié)或受力過(guò)程中產(chǎn)生的微裂縫，一般工程此系數(shù)取為k=0.8 。

綜合上述三點(diǎn)，此工程最終的溫度差值為：

ΔT=k*（季節(jié)溫差+收縮當(dāng)量）=-18.4℃ （屋蓋）

-12.8℃ （樓蓋）

最后作為工況輸入程序進(jìn)行樓板應(yīng)力分析，可得到樓板的主拉應(yīng)力值，配置相應(yīng)的樓板鋼筋抵抗此拉應(yīng)力即可。

（1）放：在施工中采取措施，使應(yīng)力得到有效釋放，混凝土收縮得到補(bǔ)償，比如跳倉(cāng)法施工；合理設(shè)置后澆帶、膨脹帶等。后澆帶設(shè)置應(yīng)方便施工，不宜穿越大跨度梁（≥12m）、型鋼梁、轉(zhuǎn)換梁等，大懸挑的相鄰內(nèi)跨也不宜有后澆帶穿越，間距宜控制在合理范圍。

（2）防：建筑采取保溫的構(gòu)造措施，減少結(jié)構(gòu)溫差；考慮屋面設(shè)音叉柱的方案；混凝土低溫入模、低溫養(yǎng)護(hù)；減小水灰比、改善水泥和砂石骨料質(zhì)量；加強(qiáng)后期檢測(cè)等。

2.2大跨度、大懸挑的設(shè)計(jì)。

商業(yè)綜合建筑中庭是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)，大跨大懸挑都通常在此出現(xiàn)，且設(shè)備管線多，對(duì)梁截面高度有較高要求。處理方式通常有預(yù)應(yīng)力混凝土梁、型鋼混凝土梁及鋼-混凝土組合梁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式。

2.2.1預(yù)應(yīng)力混凝土梁[2]：主要采用后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁。在普通混凝土梁內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力并不直接增加受壓區(qū)混凝土的高度，因此預(yù)應(yīng)力梁并不會(huì)增加梁的承載力，這樣也就限制了預(yù)應(yīng)力梁的適用范圍，對(duì)于多數(shù)以承載力控制的轉(zhuǎn)換梁或者受力較大的梁，預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)形式并不適用，而以撓度裂縫控制的大跨大懸挑梁就非常適合采用預(yù)應(yīng)力梁的形式。

（1）基于以上結(jié)論，在是否能夠采用預(yù)應(yīng)力梁的判斷上，首先判斷該梁按普通混凝土梁計(jì)算是否滿足承載力要求，且對(duì)框架梁來(lái)講，配筋率宜在1.8%以內(nèi)，懸挑梁配筋率宜在1.5%以內(nèi)，否則引入預(yù)應(yīng)力筋后配筋率過(guò)大。

（2）在常規(guī)的商業(yè)樓面荷載下，懸挑梁的跨高比宜控制在1/7左右，大跨度連廊的跨高比宜控制在1/15～1/22左右。當(dāng)構(gòu)件的跨高比小于1/22時(shí)，建議適當(dāng)放大梁底筋配筋率到3%～4%，增加構(gòu)件安全性，減小構(gòu)件長(zhǎng)期撓度，但要注意跨中混凝土上皮受壓區(qū)高度不能超過(guò)限值要求，避免形成超筋梁。

（3）結(jié)構(gòu)布置時(shí)，預(yù)應(yīng)力梁宜簡(jiǎn)單規(guī)則傳力明確，以常見(jiàn)單向梁布置為佳，避免與其他預(yù)應(yīng)力梁或型鋼混凝土梁柱相交。在單向布置的樓蓋中，盡量將次梁設(shè)置為預(yù)應(yīng)力梁，既有利于控制變形，也利于抗震的要求。

（4）預(yù)應(yīng)力梁的張拉端通常設(shè)置在挑梁端頭和后澆帶位置，這樣可減少設(shè)置張拉后澆塊。

（5）預(yù)應(yīng)力索控制點(diǎn)標(biāo)高要適當(dāng)留有余地，過(guò)于精細(xì)的設(shè)計(jì)可能由于施工中的各種困難而無(wú)法實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致實(shí)際有效高度低于設(shè)計(jì)要求的有效高度，產(chǎn)生安全隱患。一般波紋管中心點(diǎn)最高點(diǎn)至梁上皮最小宜取150mm，當(dāng)支撐梁的面筋達(dá)到3排時(shí)實(shí)際施工很難達(dá)到150mm的要求，此時(shí)宜取200mm。最低點(diǎn)距梁下皮不宜小于150mm，不應(yīng)小于120mm。

2.2.2型鋼混凝土梁[3]：由于在普通混凝土梁內(nèi)置了型鋼，相同截面的梁抗彎、抗剪承載力都得到了極大的提升，與預(yù)應(yīng)力梁形成了良好的互補(bǔ)，適用于大跨度轉(zhuǎn)換梁，跨高比宜控制在1/20以內(nèi)。其缺點(diǎn)也非常明顯，那就是造假高昂、施工復(fù)雜，當(dāng)可以采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)代替時(shí)，建議盡量不采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。

（1）型鋼混凝土梁宜單向布置，避免與其他梁平面外相交，不開(kāi)避免時(shí)應(yīng)注意型鋼截面宜小于相交的鋼筋混凝土梁截面高度，使相交梁的上下縱筋能繞過(guò)型鋼；型鋼混凝土梁宜與框架柱正交，不宜斜交；同時(shí)應(yīng)避免與預(yù)應(yīng)力鋼絞線平面外相交。

（2）規(guī)范給出的型鋼保護(hù)層厚度主要從粘結(jié)強(qiáng)度、型鋼局部穩(wěn)定性和耐火、耐久性上考慮，整體偏小，便于施工的保護(hù)層厚度宜為：梁不小于150mm，柱不小于250mm（根據(jù)鋼筋直徑、排數(shù)和根數(shù)、當(dāng)施工困難時(shí)可再增加，如：300mm）

（3）梁縱筋與連接板或加勁板采用焊接連接時(shí)，梁縱筋凈距取≥60～70mm，梁縱筋至連接板或加勁板的邊距≥20～30mm。柱縱筋直徑d>25mm時(shí)，宜采用機(jī)械連接接頭。箍筋肢距不宜大于300，柱箍筋采用三級(jí)鋼，體積配箍率至少可按《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表6.2.2折減0.85。

（4）為便于梁中型鋼在柱子錨固，應(yīng)在柱中設(shè)置與梁型鋼翼緣等寬的構(gòu)造型鋼段，這就造成了梁上下縱筋與柱內(nèi)型鋼的關(guān)系問(wèn)題，部分縱筋彎折后可繞過(guò)型鋼，而部分縱筋不可避免的需要與柱內(nèi)型鋼連接，可通過(guò)連接板焊接、套筒連接等方式連接（當(dāng)然也可在柱型鋼翼緣上開(kāi)孔讓少量鋼筋穿越，但開(kāi)孔削弱型鋼，應(yīng)控制數(shù)量）。若有多排鋼筋，第二、三排建議控制縱筋數(shù)量使之能全部繞過(guò)柱內(nèi)型鋼（圖7，與圖7對(duì)應(yīng)的不同截面型鋼梁縱筋配筋見(jiàn)表2）。

（5）根據(jù)上述鋼筋排布，我們可以反算出各種截面的型鋼梁在不同的配筋、不同型鋼截面下所能承受的彎矩，前期初選型鋼梁截面時(shí)我們就能根據(jù)初算的彎矩選定合適的梁截面。

（6）如假定混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，鋼材材質(zhì)為Q345B，鋼筋為直徑32mm的四級(jí)鋼（強(qiáng)度435MPa），A=150mm（圖7），型鋼翼緣保護(hù)層取150mm，對(duì)不同截面分別反算縱筋配筋為構(gòu)造配筋，一排鋼筋，三排鋼筋，極限彎矩（理論值）時(shí)的抗彎承載力結(jié)果如下（表3中彎矩M單位為102KN*m）。

（7）若計(jì)算得到梁的彎矩為100X102 KN*m，根據(jù)表3，我們可以初步確定所需型鋼梁截面為800X1200，梁內(nèi)型鋼尺寸為H500X900X30Xhw（hw為腹板厚度，滿足構(gòu)造要求即可），由此還可以相應(yīng)確定型鋼梁兩端柱截面邊長(zhǎng)取到900mm以上比較合適。

2.2.3鋼-混凝土組合梁[4]：

（1）具有自重輕、適用跨度大的特點(diǎn)，能充分發(fā)揮鋼、混凝土各自的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)商業(yè)建筑中的大跨度連廊、天橋及樓屋蓋均適用。鋼-混凝土組合梁隨著跨度不斷增加，其控制因素分別為強(qiáng)度（穩(wěn)定）、撓度、舒適度（頻率和峰值加速度）；在常規(guī)的商業(yè)樓面荷載作用下，鋼-混凝土組合梁的跨高比宜控制在1/25左右。

（2）鋼-混凝土組合梁宜單向布置，與周邊構(gòu)件的連接通常采用鉸接，周邊構(gòu)件可為型鋼混凝土梁、或埋有構(gòu)造型鋼段的普通混凝土梁。其截面形式可采用H型和箱型。鋼-混凝土組合梁也常用于連接不同塔樓之間的天橋，其支座形式常采用滑動(dòng)支座或橡膠支座，在支座節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)地震作用預(yù)留足夠的縫寬。

2.3框架柱的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

（1）上面型鋼梁已經(jīng)提供了一個(gè)解決方向，我們還可以采用調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，讓多根梁共同承擔(dān)轉(zhuǎn)換柱荷載（圖8）；空腹桁架轉(zhuǎn)換（圖9）；上柱與下柱錯(cuò)開(kāi)不多時(shí)還可以采用斜柱或搭接柱（圖10）等方式處理。

（2）空腹桁架轉(zhuǎn)換往往是利用整個(gè)建筑層高來(lái)作為空腹桁架的高度，利用兩層甚至三層梁來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意將這幾層梁定義為同一施工次序，施工時(shí)應(yīng)等到這幾層框架梁混凝土均達(dá)到強(qiáng)度后再一次性拆模，從而實(shí)現(xiàn)幾層梁共同受力。

（3）斜柱和搭接柱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注水平分力的傳遞，相關(guān)梁板加大截面及配筋，并采用通長(zhǎng)配筋的方式，建筑允許時(shí)還可設(shè)置斜撐。設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)樓板的應(yīng)力分析及節(jié)點(diǎn)有限元分析，保證樓板和節(jié)點(diǎn)傳力的可靠性。

2.4大跨度、大懸挑的舒適度問(wèn)題。

商業(yè)綜合建筑中通常包括大跨、輕質(zhì)和低阻尼結(jié)構(gòu)，如大跨度連橋、中庭位置的大跨度狹窄樓板；如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，其梁板結(jié)構(gòu)會(huì)在人的行走、運(yùn)動(dòng)和使用過(guò)程中出現(xiàn)較大的振動(dòng)響應(yīng)，特別是當(dāng)樓面自振頻率接近人的步行頻率時(shí)，易產(chǎn)生樓面共振，從而引發(fā)人體的不適反應(yīng)[5]。

2.4.1計(jì)算模型的選取。

分析人行走引起的樓板振動(dòng)舒適度時(shí)，可以簡(jiǎn)化采用單層計(jì)算模型，對(duì)不同的樓層分別進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)位于五層以上且柱變形較大時(shí)，需要考慮柱變形的影響，應(yīng)采用整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。當(dāng)結(jié)構(gòu)平面布置較復(fù)雜時(shí)，計(jì)算模型需要進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。

2.4.2不利振動(dòng)點(diǎn)的選取。

樓板的面積較大，在均布動(dòng)荷載作用下，各點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)不同，通?？梢罁?jù)結(jié)構(gòu)平面布置的情況，選取樓板結(jié)構(gòu)剛度較小的部位（撓度較大處）作為不利振動(dòng)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)不利振動(dòng)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)判斷樓板舒適度是否滿足要求。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的使用功能，樓板舒適度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可采用自振頻率和加速度限值的雙控指標(biāo)。

2.4.3樓板結(jié)構(gòu)自振頻率計(jì)算。

對(duì)于樓板振動(dòng)舒適度來(lái)說(shuō)，樓板結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性非常重要，而自振頻率集中反映了樓板質(zhì)量和剛度的關(guān)系。自振頻率與撓度的平方根成反比，撓度和變形計(jì)算采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值，故計(jì)算樓板結(jié)構(gòu)自振頻率時(shí)采用的荷載均為標(biāo)準(zhǔn)值。另外，在人行激勵(lì)的動(dòng)力荷載作用下，混凝土的彈性模量要大于靜荷載作用時(shí)，因此在計(jì)算樓板慣性矩時(shí)，對(duì)鋼-混凝土組合樓板和混凝土樓板，混凝土彈性模量可分別放大1.35倍和1.2倍。

2.4.4荷載模型的選取。

將人的活動(dòng)分為兩類，行走和有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)。人行走涉及的建筑類別包括醫(yī)院、居民樓、辦公樓、教堂、商場(chǎng)、餐廳及人行天橋；有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)涉及的建筑包括健身房、體育館、舞廳和俱樂(lè)部。對(duì)于人行走，需要考慮恒載荷有效均布活荷載；對(duì)于有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)，還需要計(jì)及參與活動(dòng)的人的等效均布荷載。舒適度分析中荷載取值比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的荷載取值小很多。

2.4.4.1人行走荷載模型。

研究表明簡(jiǎn)諧波隨著頻率的增加振幅逐漸減小，前三、四個(gè)簡(jiǎn)諧波構(gòu)成了動(dòng)力荷載的絕大部分，且可以忽略靜荷載的影響，采用簡(jiǎn)化計(jì)算得到行走激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)，人行荷載可只考慮前三階荷載頻率。且由于人行走的隨機(jī)性，人群引起的動(dòng)力荷載很少產(chǎn)生舒適度問(wèn)題，因此可僅考慮單人行走引起的樓板振動(dòng)問(wèn)題。

F（t）=P0∑αicos（2πfit+φi）考慮前三階荷載

P0——人的重量，一般取0.7KN；

αi——第i階荷載頻率動(dòng)力因子；

fi——第i階荷載頻率；

φi——第i階荷載頻率的相位角；

t——時(shí)間；

表7人行走簡(jiǎn)諧波的模型參數(shù)

荷載頻率階數(shù) i人行走fi /Hzαiφi

11.6～2.20.50

23.2～4.40.2π/2

34.8～6.60.1π/2

46.4～8.80.05π/2

2.4.4.2有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)荷載模型

有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)的人一般較多，不能用單個(gè)集中荷載來(lái)模擬，一般用等效均布棟荷載來(lái)反映其對(duì)樓板體系振動(dòng)的影響。荷載函數(shù)用一系列簡(jiǎn)諧波來(lái)表示，可

自振頻率及時(shí)程分析計(jì)算中均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值包括恒載、有效均布活載荷和人的等效均布荷載，但由于有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地一般較空曠，有效均布活載通常不考慮（有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)作用下的荷載頻率和動(dòng)力因子見(jiàn)表8）。

2.4.5舒適度阻尼比取值。

根據(jù)材料和激勵(lì)不同，阻尼取值也不同（人行走作用下的樓板結(jié)構(gòu)阻尼比β（%）見(jiàn)表9，有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)下的樓板結(jié)構(gòu)阻尼比β（%） 見(jiàn)表10）。

將荷載函數(shù)作用于最不利振動(dòng)點(diǎn)，經(jīng)時(shí)程分析得到峰值加速度，從而判斷樓板舒適度是否滿足要求。計(jì)算時(shí)荷載函數(shù)不宜少于5個(gè)周期，步長(zhǎng)取1/（72 fi）。

參考文獻(xiàn)

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