中小學(xué)建筑大跨度樓蓋選型分析

蔣興笠，錢解煌，胡亮，胡懿 （深圳市建筑設(shè)計研究總院有限公司合肥分院，安徽 合肥 230000）

0 前言

隨著中國特色社會主義進(jìn)入新時代，我國社會主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾。中小學(xué)建筑作為培養(yǎng)共產(chǎn)主義接班人的搖籃，人們對中小學(xué)的建筑的功能及空間需求也越來越高。新建的中小學(xué)建筑中，風(fēng)雨操場、體育館、報告廳、圖書館等單體中往往都會設(shè)置高大空間，對于混凝土框架結(jié)構(gòu)，樓蓋既要承受豎向荷載（含自重及使用荷載）并傳遞給框架柱，還負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)框架柱在水平荷載作用下的側(cè)向變形。與結(jié)構(gòu)總自重相比，樓蓋結(jié)構(gòu)自重大約可以占到其一半左右，樓蓋結(jié)構(gòu)的造價則一般可達(dá)到土建總造價的20%～30%。因此樓蓋結(jié)構(gòu)體系選擇非常重要，適宜的樓蓋結(jié)構(gòu)形式可以減輕整體結(jié)構(gòu)的自重，減少豎向荷載及地震荷載，使結(jié)構(gòu)受力更為合理，從而可以減少材料用量，降低工程成本，此外合理的樓蓋結(jié)構(gòu)形式還能增加室內(nèi)使用凈高，所以樓蓋結(jié)構(gòu)選型具有非常重要的現(xiàn)實意義[1]。

根據(jù)上述背景，以下以合肥地區(qū)幾個不同的中小學(xué)建筑大跨空間樓蓋體系類型為例，對比各種不同大跨樓蓋體系的優(yōu)缺點，并分析各種大跨樓蓋體系的注意事項及適用范圍，希望能對今后的工程設(shè)計提供一定的借鑒意義。

2 工程實例

2.1 單向梁大跨樓蓋案例分析

2.1.1 工程概況

合肥某小學(xué)綜合樓報告廳在地上一層，層高4.5m，報告廳底板結(jié)構(gòu)隨坡，下方為地庫，屋面為室外活動平臺，尺寸為31.2x19.2m；采用框架結(jié)構(gòu)（重點設(shè)防類、框架抗震等級二級、大跨框架抗震等級提高為一級）；屋蓋采用單向梁樓蓋形式，梁截面為400x1300，間距3m。詳見圖1。

2.1.2 分析總結(jié)

①適用范圍：跨度18～24m左右非種植屋面，單向梁間距3m左右。

②注意事項：a.大跨樓蓋抗震等級應(yīng)按規(guī)范要求提高一度取值；b.應(yīng)特別注意撓度變形控制，明確要求預(yù)起拱；c.盡量避免柱頂在一方向無拉結(jié)現(xiàn)象；d.報告廳梁高要控制，保證最不利點凈高。

③在保證結(jié)構(gòu)安全適用的同時，注重建筑體驗，包括建筑美觀、空間感受、聲、光等要素。

④各專業(yè)間應(yīng)協(xié)商優(yōu)化，在層高限定的情況下做到凈高最優(yōu)。

2.2 預(yù)應(yīng)力混凝土大跨樓蓋案例分析

2.2.1 工程概況

合肥某小學(xué)綜合樓屋面總層數(shù)2層(二層帶夾層)，其中一層為食堂，二層為籃球館，由于籃球場凈高要求，籃球場上空屋面形成37.0×20.0m的大跨上人屋面；采用框架結(jié)構(gòu)（重點設(shè)防類、框架抗震等級二級、大跨框架抗震等級提高為一級）；屋面結(jié)構(gòu)采用雙向主次梁樓蓋模式，并在短跨主梁施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力梁截面為500×(1400～1600)mm（結(jié)構(gòu)找坡，梁底平），間距9m，另一方向梁截面為300×600。詳見圖2。

2.2.2 分析總結(jié)

①優(yōu)點：相對于普通混凝土樓蓋，能大幅減小梁撓度變形。

②適用范圍：荷載較重的大跨屋面（包含種植屋面、使用荷載較大的功能房間樓面等）、對梁高及變形控制較敏感的情形。

③注意事項：a.大跨屋面抗震等級應(yīng)按規(guī)范要求提高一度取值；b.預(yù)應(yīng)力混凝土強(qiáng)度等級不宜小于C40；c.考慮到預(yù)應(yīng)力損失以及施工誤差，預(yù)應(yīng)力梁中普通配筋應(yīng)適當(dāng)超配。

④預(yù)應(yīng)力宜施加在主梁上。

圖1 單向梁大跨樓蓋案例

圖2 預(yù)應(yīng)力混凝土大跨樓蓋案例

2.3 交叉管桁架大跨樓蓋案例分析

2.3.1 工程概況

合肥某中學(xué)風(fēng)雨操場，地上2層（局部設(shè)有夾層），層高9.5m，柱網(wǎng)尺寸8.1m，跨度24.3m，采用框架結(jié)構(gòu)（重點設(shè)防類、框架抗震等級二級），屋面結(jié)構(gòu)體系采用短跨倒三角形空間管桁架+長跨平面管桁架的交叉管桁架體系，上鋪鋼筋桁架樓承板。倒三角桁架的矢高1.500m，約為跨度的1/16。

2.3.2 分析總結(jié)

①適用范圍：主受力方向為單跨框架，跨度24m及以上的非種植屋面。

②注意事項：a.支座的形式選擇對內(nèi)力分析有較大影響；b.模型中應(yīng)正確處理桁架屋面與主體結(jié)構(gòu)的連接。

③相對優(yōu)點輕鋼屋面的優(yōu)點：a.隔聲、防水較好；b.耐久性好，后期維護(hù)成本相對較低。

④缺點：a.現(xiàn)場感受桿件截面很大，不輕盈；b.現(xiàn)場焊接質(zhì)量堪憂、節(jié)點施工質(zhì)量難以保證。

2.4 型鋼混凝土梁大跨樓蓋案例分析

2.4.1 工程概況

合肥某中學(xué)綜合樓地上3層，建筑高度14.00m，主要房間柱距8.1x8.1m，采用框架結(jié)構(gòu)（重點設(shè)防類、框架抗震等級二級、大跨框架抗震等級提高為一級）；因報告廳區(qū)域2層～屋面通高。形成了3跨×3跨（約24m×24m）的大跨度屋蓋。屋蓋的SRC主梁截面：500×1400～1760（結(jié)構(gòu)找坡，梁底平）；型鋼截面：H800×300×24×20；型鋼柱截面：900×800，柱內(nèi)型鋼截面：500×300×24×18，材質(zhì)均為Q345B。

2.4.2 分析總結(jié)

①適用范圍：各種大跨屋面均可使用，可根據(jù)具體建筑條件及當(dāng)?shù)厥┕に經(jīng)Q定是否選擇該方案。

②注意事項：a.設(shè)計時應(yīng)充分考慮型鋼穿筋影響，細(xì)化鋼筋排布圖，否則會使現(xiàn)場工人無法實施而影響到工程質(zhì)量；b.為了方便工人操作，設(shè)計中要減少穿筋以及二排鋼筋數(shù)量；c.鋼骨距混凝土邊距宜適當(dāng)加大，保證足夠的施工空間。

③優(yōu)點：在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置型鋼從設(shè)計計算角度可以解決很多超筋或是剛度不足的問題。

圖3 交叉管桁架大跨樓蓋案例

圖4 型鋼混凝土梁大跨樓蓋案例

④缺點：由于內(nèi)嵌型鋼，梁截面會變得非常肥大，很可能會影響到建筑功能和美觀。設(shè)計時應(yīng)提前與相關(guān)專業(yè)溝通。

2.5 密肋大跨樓蓋案例分析

2.5.1 工程概況

合肥某中學(xué)行政樓報告廳在地上一層，下方為地下車庫，屋面為上人保溫屋面，跨度為23.4×26.7m。采用框架結(jié)構(gòu)（重點設(shè)防類、框架抗震等級二級、大跨框架抗震等級提高為一級），屋蓋采用密肋樓蓋體系，肋梁截面為200×1100mm，肋間距1.1m。

2.5.2 分析總結(jié)

①適用范圍：對層高有限制，凈高要求比較高的大跨屋面。

②注意事項：a.設(shè)計時應(yīng)提前讓專業(yè)的廠家介入配合；b.膜殼的選用對最終的成型質(zhì)量影響很大。

③優(yōu)點：a.能較大幅度的減小梁高，可以獲得較好的空間效果；b.造價較經(jīng)濟(jì)。

④缺點：a.對施工水平要求較高；b.結(jié)構(gòu)安全儲備及抗震性能有待驗證。

2.6 輕型鋼結(jié)構(gòu)大跨樓蓋案例分析

2.6.1 工程概況

合肥某小學(xué)風(fēng)雨操場單體總層數(shù)2層，其中一層為食堂，二層為籃球館，由于籃球場凈高要求，籃球場上空屋面形成21.7x36m的大跨不上人屋面，項目前期作為售樓部使用。主體采用框架結(jié)構(gòu)（重點設(shè)防類、框架抗震等級二級），屋頂采用平面桁架結(jié)構(gòu)，上鋪金屬屋面板。桁架高度為1.5m，高跨比約為1/15。

圖5 密肋大跨樓蓋案例

圖6 輕型鋼結(jié)構(gòu)大跨樓蓋案例

2.6.2 分析總結(jié)

①適用范圍：對造價比較敏感，后期能較好維護(hù)的大跨樓蓋。

②注意事項：a.屋蓋形式的選擇要結(jié)合功能、美觀、造價、施工等多方面考慮；b.支座的形式選擇對內(nèi)力分析有較大影響；c.與鋼結(jié)構(gòu)深化單位積極溝通，提前做好交底優(yōu)化工作，有助于工程達(dá)到預(yù)期效果。

③優(yōu)點：a.輕盈、經(jīng)濟(jì)；b.造型可塑性強(qiáng)。

④缺點：a.防水、隔聲效果差；b.耐久性差，后期維護(hù)成本高。

3 結(jié)論

以上詳細(xì)介紹了合肥地區(qū)中小學(xué)建筑中大跨空間的6個不同類型樓蓋體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計案例，并分析了各種不同大跨樓蓋體系的適用范圍、優(yōu)缺點以及注意事項等。后期設(shè)計時，可根據(jù)具體的建筑功能、造價預(yù)算、當(dāng)?shù)厥┕に?、后期維護(hù)水平以及業(yè)主其它要求進(jìn)行對比分析，擇優(yōu)選擇。