大跨度公共建筑屋面鋼結(jié)構(gòu)選型與設計研究

郁一帆

（杭州杭氧化醫(yī)工程有限公司，浙江杭州 310016）

0 引言

結(jié)構(gòu)選型是結(jié)構(gòu)設計中的重要組成部分，它是結(jié)構(gòu)設計的靈魂，強調(diào)其與建筑使用功能、經(jīng)濟造價之間的聯(lián)系探討，能夠保證建筑項目的順利開展。在大跨度公共建筑施工過程中應根據(jù)具體情況，對結(jié)構(gòu)選型的各個環(huán)節(jié)進行細化思考，針對具體問題進行技術(shù)分析，為人們建造舒適、安全、可靠的現(xiàn)代化建筑。

1 大跨度建筑結(jié)構(gòu)選型概念介紹

大跨度建筑結(jié)構(gòu)是指橫向跨越60m 以上空間的各類結(jié)構(gòu)形式的建筑，這種建筑結(jié)構(gòu)常出現(xiàn)在影劇院、體育館、展覽館、大會堂、航空港候機大廳等建筑面積較大的施工項目中，如圖1 所示。建筑結(jié)構(gòu)選型是指在建筑施工過程中對設備或零件選型，由幾種不同的設備或零件完成同一種功能，主要包括屋架、剛架、拱、薄壁空間結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架、網(wǎng)殼、懸索、拉力薄膜結(jié)構(gòu)、混合空間結(jié)構(gòu)等。在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設計過程中，建筑結(jié)構(gòu)選型涉及的問題較為復雜，不僅要考慮到建筑設計的使用需求，還要考慮建筑的物資造價及進度控制。若建筑結(jié)構(gòu)體系選型工作不到位，將會使得整個結(jié)構(gòu)計算不準確，在建筑完工后其安全性及耐用性不符合相關(guān)標準。例如，對于高層建筑而言，其結(jié)構(gòu)選型工作主要涉及結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)形式。由于高層建筑中包含大量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土，且對其使用要求較高，在進行結(jié)構(gòu)形式的選取工作時應考慮建筑的安全性與耐用性，考慮建筑成本，應滿足相關(guān)建筑規(guī)范要求[1]。

2 大跨度公共建筑屋面鋼結(jié)構(gòu)選型方案要求

以某機場施工項目為例，其工程主要分為“主樓”及“側(cè)樓”，以及它們之間的連接部分，預計滿足年旅客吞吐量2500 萬人次。在造型設計方面，既要保證機場內(nèi)視野開闊，方便人們進行物流運輸，又要體現(xiàn)當?shù)仫L貌，展現(xiàn)民族傳統(tǒng)文化。因此，在進行屋面鋼方案選型時，首先要選擇結(jié)構(gòu)重量較輕，且鋼材強度夠高的材料，保證大跨度公共建筑需求的同時，降低施工難度；其次要保證整體建筑造型美觀，作為機場建筑項目，在施工環(huán)節(jié)不僅要保證其實用性，更要具備一定的美觀度，滿足旅客的視覺觀賞效果；最后，施工鋼管的幾何性要強，截面回轉(zhuǎn)半徑大，保證良好的抗壓和抗拉性能。

圖1 大跨度建筑結(jié)構(gòu)

3 大跨度公共建筑屋面鋼結(jié)構(gòu)的設計施工策略

3.1 優(yōu)化項目設計

傳統(tǒng)大跨度公共建筑屋面鋼結(jié)構(gòu)的施工方法為網(wǎng)架，在這種屋面結(jié)構(gòu)里，更容易承受豎向荷載，當所處環(huán)境溫差較大時，填充墻與鋼管之間會發(fā)生熱脹冷縮效應，造成墻體開裂。而進行大跨度公共建筑屋面鋼結(jié)構(gòu)設計時，采取三角形管桁架，由腹桿與上弦雙支管共同形成穩(wěn)定的框架，有效減少項目的施工工序，提高施工效率，減少施工時間。并且在一定程度上提高建筑表面整體性，減少出現(xiàn)結(jié)構(gòu)斷裂的隱患。還要考慮抗震防災的基礎需求，將屋面鋼結(jié)構(gòu)設置成連梁式結(jié)構(gòu)，結(jié)合整體建筑，保證公共建筑屋面與墻體結(jié)構(gòu)之間不存在墻垛砌體，減少二次施工次數(shù)沿著縱向方向設置，更好地傳遞水平力。

在實際施工環(huán)節(jié)，可以在大跨度公共建筑屋面鋼結(jié)構(gòu)中間設置一個豎向和水平的柔性材料，保證構(gòu)造墻體不參與整個結(jié)構(gòu)計算。利用設置周期折減系數(shù)的方式，合理解決因設置構(gòu)造體而導致的墻體剛度增大問題，外墻分割線條應結(jié)合結(jié)構(gòu)拉縫進行設置，結(jié)構(gòu)拉縫通常由高強度擠塑板或同等材料的內(nèi)外U 型固定止水卡槽與拉縫材料組成，具備防火性、防水性、高彈性、高強度的結(jié)構(gòu)特點。鋼結(jié)構(gòu)套管同尼龍?zhí)坠芟啾榷裕猃執(zhí)坠苁怯赡猃埜叻肿硬牧纤?，其特點是造價低廉，但定位效果較差，主要用于公共建筑中的防水設置。一般情況下，尼龍?zhí)坠芤仁┕に韫艿乐睆酱?～2 個規(guī)格。而屋面鋼結(jié)構(gòu)是指在項目混凝土結(jié)構(gòu)中的槽鋼，它能夠支撐整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，將大跨度公共建筑工程需要承載的壓力傳遞到主體結(jié)構(gòu)上，解決管道固定問題，延長項目使用壽命。雖然我國近年來在大跨度公共建筑屋面鋼結(jié)構(gòu)選型與設計上取得較大突破，但仍改變不了其造價高昂的實際情況。實際施工環(huán)節(jié)，需要根據(jù)不同的造價投入及質(zhì)量要求，選擇不同的設計方案[2]。

3.2 控制材料成本

大跨度公共建筑項目施工周期長、覆蓋面積廣、人員流動性大、資金投入多，物資核算復雜等實際問題。建筑造價成本管理是一個較為龐大的工作量，尤其是在施工方案設計環(huán)節(jié)，不同的項目方案其造價也不盡相同，為后續(xù)建筑決策帶來一定影響。在建筑施工過程中，部分施工單位為了獲取較高的工程利益，使用較為廉價的施工材料，導致一些危險性極高的質(zhì)量缺陷隱藏于公共建筑屋面鋼結(jié)構(gòu)中，存在一定的安全隱患。所以，應加強材料質(zhì)量監(jiān)管的同時，進行造價成本控制，從材質(zhì)上避免建筑隱患的出現(xiàn)。強調(diào)材料成本控制，在項目設計環(huán)節(jié)計算出不同結(jié)構(gòu)的建筑的成本耗用，經(jīng)過比對后選擇其中質(zhì)量符合結(jié)構(gòu)施工標準，且價格更為低廉的建筑材料。

例如，某大跨度公共建筑屋面鋼有兩種結(jié)構(gòu)選型，結(jié)構(gòu)形式一型鋼占鋼材總用量的81%，而結(jié)構(gòu)形式二型鋼占鋼材總用量的45%，這就表示兩種結(jié)構(gòu)形式型鋼的占比相差較大。在實際施工選擇及物資分配時，結(jié)構(gòu)形式一主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件均為型鋼，其對鋼材的用量較大，混凝土與鋼筋的使用用量相對較少。而結(jié)構(gòu)形式二考慮到鋼筋、型鋼、混凝土三種材料合理搭配，在保證建筑構(gòu)件受力性能的同時，盡可能降低鋼材用量。最終單位面積造價結(jié)果也顯示，結(jié)構(gòu)形式一的建筑單位面積造價為1968.4 元/平方米，結(jié)構(gòu)形式一的建筑單位面積造價為1564.8 元/平方米，后者遠低于前者[3]。

3.3 造型施工技術(shù)

傳統(tǒng)大跨度公共建筑屋面檀條的設計，需要鋪設大量太陽能電池板，若每個支架都使用穿透支撐的方式，將會造成大量孔洞，影響項目美觀。而在大跨度公共建筑屋面上額外設置一個托梁，整體保持一個加工的狀態(tài)，將電池板支架連接到設置好的托架梁上方，能夠有效減少項目的施工工序，提高施工效率，滿足不同的建筑使用功能。并且在一定程度上增強外墻表面整體性，減少屋面鋼開裂的隱患?？s減豎向構(gòu)件與對稱布置剪力墻、轉(zhuǎn)換柱，按照先澆筑構(gòu)造墻段再澆筑結(jié)果墻段的施工順序，使公共建筑屋面鋼構(gòu)造強度與內(nèi)部墻體柱強度保持一致。在施工環(huán)節(jié)，如果使用過多的豎向構(gòu)件進行建設結(jié)構(gòu)，就需要通過轉(zhuǎn)換實現(xiàn)豎向構(gòu)件，但這也會使得轉(zhuǎn)換層出現(xiàn)剛度突變的現(xiàn)象，影響到大跨度公共建筑屋面鋼結(jié)構(gòu)抗震效果?？梢詫⑽菝驿摻Y(jié)構(gòu)設置成全混凝土式墻體，窗框下方位置設置成連梁式結(jié)構(gòu)，能夠符合抗震防災的要求。若必須開結(jié)構(gòu)洞，應結(jié)合整體建筑，保證外墻與屋面結(jié)構(gòu)之間不存在墻垛砌體，減少二次澆筑構(gòu)件次數(shù)，還要考慮施工后荷載的增值，減少抹灰面層荷載。針對部分剛度要求較高的建筑，可以利用設置周期折減系數(shù)的結(jié)構(gòu)選型，合理解決設置構(gòu)造的問題。此外，外墻分割線條應結(jié)合結(jié)構(gòu)拉縫進行設置，結(jié)構(gòu)拉縫通常由高強度擠塑板或同等材料的內(nèi)外U 型固定止水卡槽與拉縫材料組成，滿足建筑使用的防火性、防水性、高彈性、高強度等方面的要求。

例如，針對某些展示會場的建筑施工，在屋面鋼結(jié)構(gòu)選型時可以利用EPS 材料，即聚苯乙烯泡沫，來調(diào)節(jié)施工墻體各個區(qū)域間的色差等參數(shù)，保證施工效果的統(tǒng)一。EPS 是一種高分子聚合物工程材料，具有質(zhì)量小、運輸方便、結(jié)構(gòu)性能強等特點，在利用EPS 進行墻體建筑時，即使出現(xiàn)脫落的問題，也不會造成傷害事故滿足了展示會場使用的需求。EPS 材料施工必須在其他工序完成后進行，對于接縫部分要進行溝平處理，保證EPS 的整體性。在材料干透后，如果墻體還存在著砂漿材料，要及時清理干凈，保證大跨度公共建筑的施工質(zhì)量滿足屋面鋼結(jié)構(gòu)選型設計要求。

4 結(jié)論

伴隨著我國建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，大跨度公共建筑屋面鋼結(jié)構(gòu)選型與設計探討，對于社會城市化發(fā)展的影響程度越來越高。提高大跨度公共建筑施工質(zhì)量，保障項目工程建設安全，明確施工管理要點及施工工藝，實現(xiàn)項目全階段監(jiān)管。針對不同的公共建筑工程，采取具有針對性的管理策略，適應屋面鋼結(jié)構(gòu)選型與設計的實際建設需求。