小體量建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計智慧

金振奮，李少華，丁 磊

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司， 杭州 310028)

1 工程概況

本項目位于衢州市開化縣岙灘鳳凰中路東側(cè)山谷谷口景區(qū)入口處，前為錢江源芹江江畔，后為幽靜而深遠的山谷腹地?；爻蕱|西向狹長形。

整個項目用地面積為6 168m2，總建筑面積12 206.24m2，容積率為1.46，建筑密度為40.0%，綠地率為20.5%。建筑高度為23.7m。地上6層，地下1層。地上主要功能為城市檔案館和人防指揮中心及住建局三合一的綜合辦公樓，地下平時為汽車庫及設(shè)備機房，戰(zhàn)時為人防指揮室。

項目地理位置優(yōu)越，業(yè)主希望在青山綠水間建一座兼具開放的參觀功能和私密的隱蔽工程的多功能多流線的多層建筑，并充分尊重原有地形地貌。

建筑設(shè)計將下部兩層利用折板隱于山體之中，上部采用一個漂浮在折板平臺上的三層高的長方體盒子，盒子在東側(cè)懸挑于3層以外約12m，使盒子與下部折板平臺形成了在錯動中取得平衡的一種形體組合。設(shè)計采用了大量的不規(guī)則平臺和懸挑手法，在不同的平臺上既可遠眺江水，又可近觀山谷，使建筑與周邊山水、天空融為一體。圖1為建成后實景照片。

圖1 建筑實景照片

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2001)[1]項目所在地的地震動峰值加速度小于0.05g(基本烈度小于6度)，本工程不需要進行抗震設(shè)計[2]。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)，基本風(fēng)壓(50年一遇)為0.35kN/m2，基本雪壓(50年一遇)為0.50kN/m2，地面粗糙度B類。

3 基礎(chǔ)設(shè)計

根據(jù)勘察報告，本工程土層分布見表1?；A(chǔ)和樁基設(shè)計等級為丙級。根據(jù)上部主體結(jié)構(gòu)荷載情況及場地土層情況，經(jīng)優(yōu)化比選，采用柱下獨立淺基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層為第⑥層中風(fēng)化泥灰?guī)r層。

根據(jù)現(xiàn)場開挖情況，發(fā)現(xiàn)建筑中部區(qū)域存在一條5m左右寬的山坳，進行了補充現(xiàn)場勘察，該區(qū)域第⑥層埋深較深，最深處達8m以上，相關(guān)區(qū)域基礎(chǔ)改為人工挖孔灌注墩(樁)基礎(chǔ)。墩(樁)端持力層為第⑥層中風(fēng)化泥灰?guī)r層，墩(樁)端進入持力層深度為0.5m，墩(樁)長約為3～8m。

主要土層物理力學(xué)指標 表1

4 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 結(jié)構(gòu)體系的選擇

本項目主體結(jié)構(gòu)長103.4m，寬33.4m，地上6層，地下1層，主要層高為3.6m，主要屋面高度23.1m，為多層建筑。結(jié)合建筑特點及以往設(shè)計經(jīng)驗，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)最為經(jīng)濟合理。

但是本項目造型比較獨特，存在大量的折板和懸挑，特別是東側(cè)懸挑達12.1m，偏心嚴重，結(jié)構(gòu)內(nèi)部會產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，采用普通現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)較難實現(xiàn)。

對于這類不規(guī)則及長懸挑結(jié)構(gòu)，一般可選擇的結(jié)構(gòu)體系[3-4]有以下幾種：

(1)鋼結(jié)構(gòu)

常規(guī)方案可選擇普通的鋼框架結(jié)構(gòu)，采用鋼柱(或型鋼混凝土柱)+鋼梁的形式。但是由于上部懸挑長度過大，將導(dǎo)致鋼柱、鋼梁截面較大，影響正常使用，一般也會因為端部撓度較大，影響舒適度。為解決梁高和撓度問題，頂部出挑3層可設(shè)置懸挑鋼桁架結(jié)構(gòu)，3層共同受力，以解決梁高和舒適度的問題。通過初步計算，此方案是可行的。但存在以下幾個問題：1)為抵抗懸挑受力，需要布置一定量的斜拉桿，局部影響建筑使用功能，而且由于剛性連接的需要，框架柱采用型鋼混凝土柱，鋼梁需內(nèi)伸1～2跨，使施工難度大大增加；2)采用鋼結(jié)構(gòu)成本較高；3)鋼結(jié)構(gòu)需進行定期的后期維護；4)根據(jù)前期調(diào)查，開化是浙西一個山區(qū)小縣城，當?shù)厝鄙儆幸?guī)模的鋼結(jié)構(gòu)廠家，而且當?shù)厥┕挝换緵]有大跨度、高難度的鋼結(jié)構(gòu)施工經(jīng)驗。業(yè)主和施工企業(yè)均不希望采用鋼結(jié)構(gòu)，這成為了放棄該方案的主要因素。

(2)混凝土結(jié)構(gòu)

綜合各種因素，考慮采用傳統(tǒng)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為了解決長懸挑的問題，控制結(jié)構(gòu)梁高度，利用上部3層設(shè)置鋼筋混凝土桁架，根據(jù)建筑使用功能要求，只能在盒子的兩側(cè)各設(shè)置一榀桁架，共兩榀，并設(shè)置斜桿。通過計算，發(fā)現(xiàn)桁架斜桿中應(yīng)力過大，導(dǎo)致斜桿截面及配筋均比較大，施工難度較大，且影響建筑使用。同時由于懸挑長度較大，在靠近懸挑端周邊幾跨中均產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力。通過計算比較，提出由適量的剪力墻代替斜桿，并在懸挑端內(nèi)側(cè)合適的位置(比如樓梯間等)也設(shè)置適量的剪力墻，用以抵抗懸挑引起的內(nèi)側(cè)的拉應(yīng)力，最終形成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。通過多種軟件分析比較，此結(jié)構(gòu)方案具有可行性。

設(shè)計時懸挑部分采用如下結(jié)構(gòu)形式：懸挑端兩側(cè)設(shè)置兩片剪力墻，在建筑需要的地方開設(shè)洞口，與樓層處梁共同形成開洞實腹剪力墻桁架，通過4層梁板結(jié)構(gòu)連成整體，通過加大上、下兩層樓板厚度，最終形成了箱形截面的實腹空間桁架。通過計算，各項指標均能滿足要求。該方案有以下優(yōu)點：1)以開洞剪力墻代替了豎向桁架柱，不占用建筑空間，不突出墻面，不影響使用；2)通過設(shè)置剪力墻，大大增加了懸挑部分的剛度，減小撓度，提高舒適度；3)通過設(shè)置剪力墻，調(diào)整應(yīng)力分布，大大減小懸挑端部的應(yīng)力集中，提高安全性；4)在懸挑端內(nèi)側(cè)合適的位置也設(shè)置適量的剪力墻，來抵抗偏心懸挑引起的內(nèi)側(cè)附加應(yīng)力，使得整體結(jié)構(gòu)形成了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系；5)由于采用傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，減小了施工難度，提高了可靠性。

終上所述，在綜合考慮成本控制、后期維護、施工界面交接以及當?shù)厥┕に降榷喾N因素的前提下，設(shè)計采用了施工可靠可控的現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。能夠?qū)崿F(xiàn)建筑師提出的漂浮盒子和折板平臺的設(shè)計理念，巧妙地解決了功能流線、成本控制、結(jié)構(gòu)合理性等多種不利因素的影響，實現(xiàn)了一座特色建筑與周邊環(huán)境的相生相融，充分體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)成就建筑之美，展現(xiàn)了結(jié)構(gòu)工程師的設(shè)計智慧。

4.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置

剪力墻的設(shè)置數(shù)量和位置成為了本工程的關(guān)鍵因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計時，結(jié)合建筑需求和功能，通過多方案的計算和比選，來最終確定比較合理的方案。圖2，3為典型樓層結(jié)構(gòu)平面布置圖，剪力墻主要設(shè)置在兩榀懸挑桁架、與桁架相鄰的內(nèi)側(cè)一跨及上下貫通的樓電梯間處。剪力墻厚度為250～400mm，框架柱截面為800mm×1 200mm～600mm×600mm，主要柱間跨度為8.100m，主要框架梁截面為400mm×700mm。

圖5 3～6層彎矩包絡(luò)圖/(kN·m)

圖6 3～6層剪力包絡(luò)圖/kN

圖7 4層樓板最大應(yīng)力包絡(luò)圖/(kN/m2)

圖8 屋面層樓板最大應(yīng)力包絡(luò)圖/(kN/m2)

圖2 2層平面布置圖

圖3 4層平面布置圖

4.3 結(jié)構(gòu)計算

采用SATWE，MIDAS，SAP2000等不同整體計算軟件進行計算比較。以MIDAS計算結(jié)果為例進行說明。

圖4為整體計算模型的三維視圖，圖5～8分別為計算的上部四層的彎矩、剪力包絡(luò)圖以及4層、屋面層樓板最大應(yīng)力包絡(luò)圖。

圖4 計算模型的三維視圖

由圖5～8可見，懸挑梁最大彎矩為2 180kN·m，分布在5層和6層的外側(cè)懸挑梁上；最大剪力也分布在該部分懸挑梁上，為2 860kN。懸挑部分的樓板應(yīng)力較小，未出現(xiàn)較大應(yīng)力分布區(qū)。

表2為結(jié)構(gòu)計算分析的主要計算結(jié)果。

結(jié)構(gòu)計算分析結(jié)果 表2

圖9 懸挑部分彎矩計算結(jié)果/(kN·m)

圖10 懸挑部分剪力計算結(jié)果/kN

圖11 懸挑部分結(jié)構(gòu)設(shè)計詳圖

圖12 MIDAS懸挑部分撓度云圖/m

圖13 4層樓面撓度云圖/m

圖14 屋面層樓面撓度云圖/m

由計算結(jié)果可知，整體性能良好，結(jié)構(gòu)方案能保證結(jié)構(gòu)的整體安全。

為了更加準確地計算東側(cè)懸挑部分受力情況，采用MIDAS建立了精細化模型，進行了單獨的計算和分析，圖9為懸挑部分梁柱和剪力墻的彎矩計算結(jié)果，圖10為懸挑部分梁柱和剪力墻的剪力計算結(jié)果。

由圖9，10可知，懸挑部分的底層的結(jié)構(gòu)構(gòu)件彎矩及剪力較大，以上各層內(nèi)力分布均勻，符合結(jié)構(gòu)受力特性。

設(shè)計時根據(jù)三個整體結(jié)構(gòu)分析模型計算結(jié)果以及局部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算分析結(jié)果，采用包絡(luò)設(shè)計，確保整個結(jié)構(gòu)及懸挑部分的安全性。圖11為懸挑部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計詳圖。

4.4 結(jié)構(gòu)舒適度驗算

(1)懸挑部分舒適度驗算

由于懸挑較大，為了保證結(jié)構(gòu)懸挑部分的撓度和舒適度的要求，采用MIDAS進行了撓度和舒適度的計算，計算結(jié)果見圖12～15。由計算結(jié)果可見，最大撓度均發(fā)生在懸挑最外側(cè)的中間部分，最大撓度為26.9mm，約為懸挑梁長度的1/900，控制在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[5](簡稱混規(guī))允許的范圍內(nèi)，舒適度高于規(guī)范要求，能確保業(yè)主的舒適使用。此外，還按混規(guī)要求起拱不小于0.2%L(L為計算跨度)，基本可抵消懸挑引起的撓度。

為確保安全，根據(jù)要求，在施工過程中各階段(包括土建施工完成并達到強度、卸載過程、卸載后、砌體及外墻完成、裝修完成后等階段)均進行了懸挑端部撓度的監(jiān)測。工程驗收階段，對比由施工單位所提供的實測值與理論計算值，實測值均略小于理論計算值。

圖15 2～6層整體撓度云圖/m

圖16 施工階段撓度云圖/m

圖17 施工階段3～6層彎矩包絡(luò)圖/(kN·m)

圖18 施工階段3～6層剪力包絡(luò)圖/kN

圖19 施工階段4層樓板最大應(yīng)力包絡(luò)圖/(kN/m2)

圖20 施工階段屋面層樓板最大應(yīng)力包絡(luò)圖/(kN/m2)

圖21 施工階段4層樓面撓度云圖/m

圖22 施工階段屋面層樓面撓度云圖/m

(2)樓板舒適度驗算

樓蓋結(jié)構(gòu)豎向自振頻率及自振加速度計算見表3。由表3可知，樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率均不小于3Hz，樓蓋豎向自振峰值加速度均小于限值0.05m/s2，符合混規(guī)中樓蓋舒適度的要求。

樓蓋結(jié)構(gòu)豎向振加速度αp 表3

4.5 施工模擬計算

由于施工單位缺乏相關(guān)施工經(jīng)驗，應(yīng)業(yè)主和施工單位要求進行了施工模擬計算，并根據(jù)施工模擬計算結(jié)果來調(diào)整整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，采用計算結(jié)果包絡(luò)設(shè)計。施工模擬階段主要是在懸挑端的下部設(shè)置豎向支撐時，其余各樓層的施工過程中，其梁、柱、剪力墻中的內(nèi)力變化，以及豎向支撐拆除后，其梁、柱、剪力墻中內(nèi)力變化。

圖16～22給出了施工模擬條件下MIDAS計算的豎向構(gòu)件拆除前彎矩、剪力包絡(luò)圖以及4層、屋面層樓板的最大應(yīng)力包絡(luò)圖和撓度云圖。由圖可以看出，在懸挑端設(shè)置豎向支撐時，各樓層的梁、柱、剪力墻的內(nèi)力及梁、板的撓度變形，均符合混規(guī)的要求。

考慮到懸挑部分的整體受力的要求，該部分的施工需要始終在下部支撐結(jié)構(gòu)的維護下進行，因此在主體結(jié)構(gòu)施工完畢，且混凝土強度達到要求后，方可拆除懸挑部分下部支撐結(jié)構(gòu)，嚴格按照施工過程一次加載的要求進行。

4.6 施工現(xiàn)場控制和卸載方案

由于懸挑部分有3層，荷載較大、構(gòu)件較重，且高度較高，屬于重載高大支模架。配合施工單位提出了多種支模架的方案，并進行計算比選，在與施工單位多次充分溝通并經(jīng)專家論證會討論，最終確定了支模架方案如下：

懸挑端外側(cè)下部設(shè)置3根豎向鋼筋混凝土支撐柱，柱頂設(shè)置與懸挑底部位置相同的鋼梁，在每根梁交界處均布置千斤頂，共布置35個千斤頂。施工階段懸挑部分均支撐于千斤頂上。

為了保證懸挑部分卸載過程中的安全，對卸載過程中撓度、裂縫進行了分析計算，并提出了詳細的卸載方案。根據(jù)每個千斤頂位置計算的最終撓度值，分5次進行卸載，每次卸載均從外側(cè)向里逐步推進，實時測量懸挑各部位撓度和裂縫。

4.7 結(jié)構(gòu)超長措施

本工程主體結(jié)構(gòu)長103.4m、寬33.4m，由于建筑使用功能要求不設(shè)伸縮縫，為防止結(jié)構(gòu)超長導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料收縮、溫差等變形應(yīng)力過大引起結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生，采取多種措施，將裂縫控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)：1)設(shè)置多道施工后澆帶；2)采用MIDAS計算各處樓板中的應(yīng)力，并作為樓板配筋設(shè)計依據(jù)，在應(yīng)力較大處增設(shè)構(gòu)造配筋。

5 結(jié)論

(1)項目以尊重原有場地為出發(fā)點，輔助建筑師提出了漂浮盒子和折板平臺的設(shè)計理念，巧妙地解決了功能流線、成本控制、結(jié)構(gòu)合理性等多種影響因素，實現(xiàn)了一座特色建筑與周邊環(huán)境的相生相融。

(2)新結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用：頂部3層?xùn)|側(cè)懸挑12.1m，綜合考慮成本控制、后期維護、施工界面交接以及當?shù)厥┕に降榷喾N因素，采用可控的現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，以開洞剪力墻與梁板組成箱形截面的實腹空間桁架，不僅解決了大跨度懸挑和梁高限制的問題，而且結(jié)構(gòu)形式對南北立面及平面功能沒有任何影響，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與建筑的完美結(jié)合。

(3)對頂部3層長懸挑部分進行了裂縫、撓度和舒適度的驗算，確保結(jié)構(gòu)安全性和使用的舒適度。

(4)結(jié)合大跨度懸挑部分一次加載要求，進行施工階段模擬驗算，以指導(dǎo)設(shè)計和施工。對于長懸挑部分提出了施工現(xiàn)場控制的要求，并制定了詳細的卸載方案。