化繁為簡(jiǎn)
——論聚春園會(huì)展酒店的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

林 航

(福州市建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 福建福州 350011)

1 項(xiàng)目概況

聚春園會(huì)展酒店位于福州市中心，靠近會(huì)展中心和閩江。酒店地上建筑面積78 761.33 m2，地下室面積32 635.48 m2。地上共2棟21層建筑(A、B塔)，其中一至四層為裙房，A塔五至二十一層為酒店、行政酒廊,B塔五至十一層為開(kāi)放式辦公、十二至二十一層為酒店。A、B塔高度99.90 m，裙房高度為23.99 m，地下設(shè)二層地下室,建筑功能為停車(chē)及相關(guān)設(shè)備配套用房，地下室為全埋式，埋深約11.0 m，人防單元設(shè)在地下二層，如圖1所示。

圖1 建筑實(shí)拍

酒店2016年竣工，2019年獲得結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)福建省優(yōu)秀工程勘察設(shè)計(jì)三等獎(jiǎng)。該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)亮點(diǎn)：

(1)采取合理的結(jié)構(gòu)措施，既不影響建筑使用功能和造型，又避免了結(jié)構(gòu)超限，大大縮短了設(shè)計(jì)工期，降低了土建造價(jià)。

(2)大膽設(shè)計(jì)，小心求證。該工程于裙房1層大廳至2層，設(shè)置540°大型鋼螺旋樓梯一部。樓梯內(nèi)徑2.8 m，外徑7.4 m，旋轉(zhuǎn)540°，高度6.55 m，中間無(wú)支撐柱，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

2 工程地質(zhì)概況

場(chǎng)地位于福州斷陷盆地東段，場(chǎng)地附近不具備發(fā)生強(qiáng)震條件。此外，不存在埋藏的河道、溝浜、墓穴等對(duì)工程不利的埋藏物，未發(fā)現(xiàn)崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，場(chǎng)地穩(wěn)定性總體較好，適宜建筑。

勘察場(chǎng)地地層主要由雜填土①、中砂②、淤泥質(zhì)土③、粉砂④、淤泥質(zhì)土⑤、粉土⑥、中砂⑦、淤泥質(zhì)土⑧、粉土⑨、中砂⑩、圓礫、中砂、強(qiáng)風(fēng)化巖組成。場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

本場(chǎng)地抗浮設(shè)計(jì)水位按羅零高程6.00 m考慮。

場(chǎng)地地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性。場(chǎng)地地下水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。場(chǎng)地淺部土層對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。

3 結(jié)構(gòu)體系

該工程A、B塔樓均為21層，高度約89.60 m，采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系；裙房4層，高度23.99 m，采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系。裙房千人宴會(huì)廳尺寸為29 m×45 m，因功能需要，梁跨度為29.0 m。該部分屋面采用周邊簡(jiǎn)支的主、次鋼梁支撐體系，壓型鋼板組合屋蓋。主樓框架-核心筒的框架柱采用鋼骨混凝土柱。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

4.1 設(shè)計(jì)中的化繁為簡(jiǎn)

按方案要求該工程存在裙房引起的結(jié)構(gòu)超限和切縫后設(shè)備層引起的超限情況。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采取合理的結(jié)構(gòu)措施，既不影響建筑使用功能和造型，又避免了結(jié)構(gòu)超限，大大縮短了設(shè)計(jì)工期，降低了土建造價(jià)。

4.1.1 裙房引起的超限情況

福州是“茉莉花茶”的發(fā)源地，該方案以福州的“茉莉花”為概念設(shè)計(jì)的意向，在平面的總體布局上，體現(xiàn)茉莉花的花瓣以及葉片的造型。如圖2～圖5所示，左側(cè)的葉片為A塔樓，右側(cè)的葉片為B塔樓。

圖2 二層平面圖

圖3 三層平面圖

圖4 四層平面圖

圖5 五層(裙房屋面層)平面圖

最初境外方案方KKS要求，A、B塔與裙房不設(shè)縫。若按該要求，則結(jié)構(gòu)具有多塔的復(fù)雜類(lèi)型、且同時(shí)具有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)[1]、尺寸突變[2]、剛度突變、其他不規(guī)則等多項(xiàng)不規(guī)則，為超限高層，具體不規(guī)則情況如表1所示。

表1 不規(guī)則類(lèi)型[1-2]

綜上所述，結(jié)構(gòu)超限主要因裙房與A、B塔樓不設(shè)縫造成。通過(guò)與KKS溝通后，在裙房與A、B塔間設(shè)置抗震縫，將上部結(jié)構(gòu)切成A、B塔與裙房3個(gè)結(jié)構(gòu)單體。切成3個(gè)結(jié)構(gòu)單體后，裙房高度為23.99 m，不屬于超限高層，且裙房采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻剛度遠(yuǎn)大于框架剛度，承擔(dān)大部分剪力的剪力墻連續(xù)貫通，框架柱雖存在躍層、不連續(xù)等不利因素，但框架僅作為第二道防線，承擔(dān)的剪力較少，切縫后裙房結(jié)構(gòu)安全、可靠。經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，裙房采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)后，即使頂層大宴會(huì)廳大量抽柱，亦能保證150 mm縫寬下，不發(fā)生因地震產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)碰撞?？拐鹂p處均為次要使用功能房間和走道，經(jīng)裝飾處理后，不影響建筑使用功能和造型。

4.1.2 A、B塔設(shè)備層引起的超限情況

A塔4F和5F間設(shè)有設(shè)備轉(zhuǎn)換層，4F層高5.31 m，設(shè)備轉(zhuǎn)換層層高2.19 m，5F層高3.60 m；B塔8F和9F間設(shè)有設(shè)備轉(zhuǎn)換層，8F層高4.00 m，設(shè)備轉(zhuǎn)換層層高2.19 m，9F層高3.60 m。

以A塔為例，設(shè)備層如采用鋼筋混凝土梁板式結(jié)構(gòu)，A、B塔轉(zhuǎn)換層均設(shè)置在裙房屋面的上層塔樓內(nèi)，此時(shí)易形成結(jié)構(gòu)薄弱部位，不利于結(jié)構(gòu)抗震。由于跨度較大，設(shè)備層梁高需800 mm，一方面影響設(shè)備層下一層的凈高，如圖6所示，凈高為4510 mm；另一方面設(shè)備轉(zhuǎn)換層剛度極大，設(shè)備轉(zhuǎn)換層下面一層的剛度均小于設(shè)備轉(zhuǎn)換層的50%，如圖7所示，A塔樓4F和設(shè)備層X(jué)向剛度比KX=5.4798/13.287=0.412<0.50,Y向剛度比KY=4.5325/10.990=0.412<0.50，層剛度偏小，具有明顯的抗震薄弱部位，可能引起不良后果，為抗震規(guī)范中的特別不規(guī)則建筑。即使切縫后，仍為超限高層建筑。按該方案，應(yīng)采取有效的抗震措施，包括增大構(gòu)件內(nèi)力、提高抗震等級(jí)和超限審查要求的加強(qiáng)措施，將大大增加結(jié)構(gòu)造價(jià)。

圖6 A塔樓梁板式結(jié)構(gòu)設(shè)備層剖面示意

圖7 A塔樓4F和設(shè)備層的剛度

為避免結(jié)構(gòu)超限，決定設(shè)備層采用鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)備層鋼梁通過(guò)鋼吊柱吊在設(shè)備層頂?shù)匿摻罨炷亮荷?，樓板采用壓型鋼板組合樓板，鋼梁和組合樓板高度為400 mm，如圖8所示，凈高為4910 mm，部分節(jié)點(diǎn)如圖9所示，實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。此時(shí)結(jié)構(gòu)電算中不存在設(shè)備層，設(shè)備層作為荷載施加在5F樓面，電算中A塔4F層高為5.31(4F)+2.19(設(shè)備層)=7.5 m，5F層高為3.60 m，如圖11所示。A塔樓4層和5層X(jué)向剛度比KX=3.8797/5.8601=0.66>0.50,Y向剛度比KY=3.2090/5.0798=0.632>0.50，按該方案結(jié)構(gòu)無(wú)明顯的抗震薄弱部位，結(jié)構(gòu)不屬于超限高層建筑。

圖8 A塔樓吊柱式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備層剖面示意

圖9 吊柱式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備層主要連接節(jié)點(diǎn)示意

圖10 吊柱式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備層

圖11 A塔樓4F和5F的剛度

4.2 大膽設(shè)計(jì)，小心求證

該工程于裙房1層大廳至2層，設(shè)置鋼螺旋樓梯一部。樓梯內(nèi)徑2.8 m，外徑7.4 m，旋轉(zhuǎn)540°，高度6.55 m，中間設(shè)休息平臺(tái)兩處，無(wú)支撐柱，如圖12所示。

圖12 540°大型鋼螺旋樓梯

螺旋樓梯為空間結(jié)構(gòu)。該工程采用midas軟件進(jìn)行計(jì)算，樓梯上下端均鉸接于混凝土結(jié)構(gòu)，計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，螺旋樓梯內(nèi)環(huán)梁為主要受力梁(內(nèi)外環(huán)梁展開(kāi)長(zhǎng)度分別為14.7 m、35.5 m)，第一至二休息平臺(tái)間梯段變形，支座反力如圖13所示，樓梯豎向變形如圖14所示。為協(xié)調(diào)其變形，樓梯踏步內(nèi)設(shè)置槽鋼，并于踏步面及樓梯底面設(shè)置連續(xù)鋼板[3]。樓梯斷面采用內(nèi)外環(huán)梁加踏步槽鋼梁的形式。

圖13 螺旋樓梯支座反力

圖14 螺旋樓梯豎向變形

因該樓梯較為復(fù)雜，擔(dān)心軟件不能準(zhǔn)確模擬其剛度，計(jì)算的撓度存在誤差。施工階段采用堆載方式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖15所示，沿螺旋樓梯自下而上(1號(hào)-8號(hào))共設(shè)8個(gè)應(yīng)變片。堆載過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)由于螺旋樓梯內(nèi)環(huán)梁的剛度遠(yuǎn)大于外環(huán)梁，導(dǎo)致外環(huán)梁處的撓度遠(yuǎn)大于計(jì)算值，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，故將樓梯上下端與混凝土結(jié)構(gòu)的連接方式更改為固接，更改后撓度滿足設(shè)計(jì)要求，如圖16所示。

圖15 施工堆載驗(yàn)證照片

(a)加載總量4 t，約0.87 kN/m2，各點(diǎn)撓度計(jì)算值和實(shí)測(cè)值(mm)

5 結(jié)論

(1)隨著建筑發(fā)展的創(chuàng)新，建筑的造型越來(lái)越多樣，給結(jié)構(gòu)工程師帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該從安全、經(jīng)濟(jì)、合理的角度出發(fā)，在不影響建筑風(fēng)格、造型和使用功能的前提下，能化繁為簡(jiǎn)，避免結(jié)構(gòu)超限。

(2)隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)建筑造型、功能要求的多樣化，建筑類(lèi)型越來(lái)越復(fù)雜，既要求結(jié)構(gòu)工程師大膽設(shè)計(jì)，又要求建設(shè)過(guò)程中小心求證。

(3)盡管計(jì)算軟件日益普及，結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算軟件的功能日益完善，但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中仍應(yīng)重視結(jié)構(gòu)概念，避免對(duì)計(jì)算軟件的依賴，甚至過(guò)于相信。