公共建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點探討

楊淑斌

基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計股份有限公司 安徽 合肥 230071

引言

如今，隨著我國不斷加快的城市化進(jìn)程，全國各大城市都在推進(jìn)大型公共建筑的建設(shè)，其中很多大型公共建筑已經(jīng)投入使用，或者一些公共建筑正處于建設(shè)階段。城市居民的重要活動場所是公共建筑，其結(jié)構(gòu)設(shè)計直接影響人們的整體體驗，同時也會對建筑的質(zhì)量有嚴(yán)重影響。因此，需要重點探討公共建筑的結(jié)構(gòu)要點，文章通過對大型公共建筑概念設(shè)計理念進(jìn)行分析，主要目的是為公共建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供建議。

1 公共建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點探析

1.1 基礎(chǔ)設(shè)計

由于公共建筑具有建筑體量大、跨度大、基底面積大等特征，因此，在設(shè)計地基階段，對建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計提出較高要求，在設(shè)計前期，需要仔細(xì)閱讀項目巖土工程勘察報告，分析地質(zhì)條件和土層分布情況，通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)對比選用合理的基礎(chǔ)方案，如樁基礎(chǔ)、天然基礎(chǔ)。另外在設(shè)計階段，還需要根據(jù)地勘報告中地下水位、抗浮水位情況等條件判斷是否需要進(jìn)行抗浮設(shè)計。常見的抗浮方案有：增加基礎(chǔ)埋深用于回填材料，增加配重、抗浮錨桿、抗拔樁等。

1.2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

學(xué)校、影劇院、體育館以及醫(yī)院等大部分公共建筑，屋面造型復(fù)雜，都具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，因此，設(shè)計人員分析結(jié)構(gòu)受力比較困難，如果在主體結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，結(jié)構(gòu)設(shè)計概念有誤，存在質(zhì)量安全問題，通常會導(dǎo)致安全事故出現(xiàn)[1]。所以在設(shè)計時，對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行概念設(shè)計，使主體結(jié)構(gòu)要有足夠彈性變形能力。這樣，在出現(xiàn)地震等突發(fā)狀況時，整個結(jié)構(gòu)保持彈性狀態(tài)，就可以提升公共建筑安全性。在實際設(shè)計階段，復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)體系為空間桁架結(jié)構(gòu)或者網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，材料采用高強、重量輕的鋼結(jié)構(gòu)。需要分析計算結(jié)構(gòu)整體模型，重點進(jìn)行節(jié)點設(shè)計，使底部混凝土與空間結(jié)構(gòu)具有可靠的連接節(jié)點，在荷載作用下與建筑上部屋蓋具有協(xié)同變形能力。協(xié)同作用是指上部空間結(jié)構(gòu)與主體混凝土結(jié)構(gòu)之間保持密切聯(lián)系，在結(jié)構(gòu)變形或荷載的作用下，二者關(guān)系協(xié)同良好，共同抵抗變形或者結(jié)構(gòu)荷載，最大限度發(fā)揮材料性能。另外，通過優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)的節(jié)點設(shè)計、優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)截面，降低鋼結(jié)構(gòu)用量，減輕結(jié)構(gòu)自重，減少建筑材料用量，使得公共建筑更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

具體來講，對一些公共建筑，其上部空間結(jié)構(gòu)在荷載作用下的支座反力會通過連接節(jié)點傳遞到混凝土主體結(jié)構(gòu)柱頂位置，通過利用相關(guān)結(jié)構(gòu)分析軟件，對公共建筑混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算與受力分析，同時還需要進(jìn)行地震作用下的抗震性能分析。對于公共體育館建筑，在整個建筑結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中，主要荷載位于整個建筑的看臺部分。其主要的抗側(cè)力構(gòu)件，是看臺的框架柱和斜梁。在結(jié)構(gòu)布置時，需要將結(jié)構(gòu)的剛度中心稍微偏移。另外，同時，為了降低看臺柱的計算長度，可以在不影響建筑功能的前提下，通過在建筑上部結(jié)構(gòu)的框架柱柱頂及中間部位，設(shè)置多道聯(lián)系環(huán)梁等方法。這樣可以最大限度地促使結(jié)構(gòu)剛度中心位置偏移，減少因為剛度偏心對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響，使整個結(jié)構(gòu)剛度得到提升[2]。

1.3 預(yù)應(yīng)力混凝土梁設(shè)置

在一些公共建筑設(shè)計中，如果公共建筑功能或者需求較為特殊，還需要考慮建筑的使用情況，對樓板舒適度進(jìn)行驗算。如體育館建筑，經(jīng)常會有籃球、網(wǎng)球等劇烈運動，如果區(qū)域梁跨度過大，則就會出現(xiàn)比較強烈的豎向振動，為了增強樓板的舒適度，消除使用者的不安全感，避免發(fā)生共振現(xiàn)象，建筑結(jié)構(gòu)豎向自振頻率需要大于3Hz[3]。除此之外，對于體育館建筑，其使用功能及跨度的要求，不允許設(shè)置結(jié)構(gòu)柱。同時，還需要保證凈高的要求，可以同時設(shè)置混凝土預(yù)應(yīng)力梁，保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，減小混凝土梁的截面。預(yù)應(yīng)力是指通過提前對混凝土結(jié)構(gòu)施加壓力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。通過設(shè)置預(yù)應(yīng)力梁來充分利用混凝土和鋼筋的抗壓、抗拉強度，以減小或抵消外荷載所引起的拉應(yīng)力，從而控制預(yù)應(yīng)力梁的裂縫及撓度。

1.4 建筑頂部設(shè)計

1.4.1 建模。在設(shè)計建筑頂部時，需要對相關(guān)計算模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算。一般情形下，需要單獨計算公共建筑的頂部，同時還需要實施建模計算，計算頂部與下部混凝土框架連接，總而言之，要以計算模型為核心，基于理論基礎(chǔ)上對計算結(jié)果進(jìn)行判斷與使用，對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與設(shè)計。

1.4.2 分析荷載。在對公共建筑頂部荷載進(jìn)行分析階段，需要考慮建筑物的恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載，同時也要考慮到地震作用的實際情況，需要對上述荷載多種組合工況進(jìn)行計算，如果建筑物在多地震帶，則還需要考慮雙向地震，其中包含豎向地震和水平地震。根據(jù)建筑所屬地理位置，選取合理的荷載參數(shù)，如基本風(fēng)壓、抗震設(shè)防烈度、地震分組等關(guān)鍵參數(shù)。

1.4.3 附屬結(jié)構(gòu)。建筑頂部的主要附屬結(jié)構(gòu)，包含天溝支架結(jié)構(gòu)和天窗支架，根據(jù)實際情況觀察，由于公共建筑的頂部支架接觸最多外界環(huán)境，容易受到外界溫度變化的影響，導(dǎo)致天溝拉裂出現(xiàn)漏水情形。附屬結(jié)構(gòu)一般采用輕型鋼結(jié)構(gòu)，包含槽鋼、檀條、壓型鋼板等。而檀條的結(jié)構(gòu)主要包含實腹式結(jié)構(gòu)和蜂窩式結(jié)構(gòu)等，在項目設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用的實腹式結(jié)構(gòu)。對于局部凸出屋面的附注結(jié)構(gòu)，在設(shè)計過程中，需要對實際局部風(fēng)荷載系數(shù)進(jìn)行考慮，同時要加強局部分析，避免結(jié)構(gòu)設(shè)計出現(xiàn)問題。

1.5 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，抗震設(shè)計作為最重要部分，對于整個建筑的安全性有直接影響。目前最常用的抗震建筑材料為鋼結(jié)構(gòu)，材料的抗震性能較好，且重量較輕，使建筑整體性得到提升，建筑抗震性能也有所提高。由于鋼結(jié)構(gòu)材料具有較高強度，在地震作用下就會承受較大能量，且由于鋼結(jié)構(gòu)的材料特性容易僅僅出現(xiàn)變形，則會導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)倒塌、斷裂情況發(fā)生。

在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要選取正確的抗震設(shè)防參數(shù)。從抗震概念上，要特別重視剛度突變、樓板開洞等傳力不連續(xù)現(xiàn)象，避免由于應(yīng)力過于集中，對于建筑抗震性能有所影響[4]。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員需要重視梁和柱節(jié)點核心區(qū)，以及梁和剪力墻、結(jié)構(gòu)柱和剪力墻的布置等位置，這些位置結(jié)構(gòu)布置不合理，上下剛度不連續(xù)，就會導(dǎo)致作用力的傳接不夠通暢，導(dǎo)致整個建筑抗震性受到不良影響。

2 公共建筑結(jié)構(gòu)核心問題探討

公共建筑通常具有建筑功能復(fù)雜、人員密集等特點，不同類型公共建筑造型和功能不同，但結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心問題基本一致。醫(yī)療建筑是所有公共建筑中最常見的一類，下面就以醫(yī)療建筑中的醫(yī)院為例，探討公共建筑中結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心問題。

2.1 抗震設(shè)防分類

醫(yī)療建筑在搶救生命中具有非同尋常的作用，不僅在平時使用功能中作用重要，同時在抗震救災(zāi)中也顯得尤為重要。因此，醫(yī)療建筑不僅需要滿足在大地震中不倒，同時，還能夠在地震之后繼續(xù)擔(dān)負(fù)起救援的重要責(zé)任。所以，對醫(yī)療建筑抗震設(shè)防進(jìn)行分類，針對醫(yī)療建筑，確定其抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)，需要高于當(dāng)?shù)胤课萁ㄖ目拐鹪O(shè)計需求，使得醫(yī)療建筑在地震時也同樣具備使用功能不能中斷或盡快恢復(fù)搶險救災(zāi)、救治生命的功能。

例如，對于醫(yī)療建筑中三級醫(yī)院來說，需要承擔(dān)較為重要的醫(yī)療任務(wù)的門診、住院用房，將其規(guī)為特殊設(shè)防類，醫(yī)院建筑中提高抗震設(shè)防，主要是提高醫(yī)技、門診和住院等設(shè)防。而僅僅用于教學(xué)的行政樓和污水處理站等地，均不在設(shè)防提高范圍之內(nèi)，可按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類進(jìn)行抗震設(shè)計即可。

2.2 樓板設(shè)計

由于醫(yī)療建筑具有人流密集、設(shè)備較多等特征，因此一般選擇樓板的厚度為120mm，對于跨度和荷載較大處，可以適當(dāng)加厚樓板，滿足受力及變形要求。如果有特殊防腐需求，則樓板的厚度不能低于150mm。

另外，由于醫(yī)療建筑具有復(fù)雜的工藝流程，同時房間功能存在不同，因此，在室內(nèi)所配置的儀器設(shè)備也有所差異，所以在建筑醫(yī)療室階段，要重視荷載的取值，盡可能細(xì)致地確定不同功能房間的荷載，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要根據(jù)建筑圖與設(shè)備圖提供資源，預(yù)留好屋面、重型設(shè)備和載荷載，避免未考慮荷載現(xiàn)象的存在[5]。

對于有特殊功能的房間需要考慮其特殊的結(jié)構(gòu)布置和荷載需求，如CT高壓氧艙等房間，荷載需求較大，一般會設(shè)置在地下室頂板，或者首層地面荷載較強的部位，需要設(shè)置專門檢修管溝，樓板需要降板值高于300mm，低于700mm，在一般設(shè)備區(qū)域，需要設(shè)置鋼筋混凝土作為基礎(chǔ)設(shè)備，如果不是設(shè)備區(qū)域，則可以采用陶?；炷恋容p質(zhì)材料進(jìn)行回填，需要考慮到降梁降板之后，下部凈高的影響效果[6]。結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要考慮回填材料的荷載。

除此之外，醫(yī)療建筑的設(shè)備在經(jīng)過廠家深化之后，需要從發(fā)展角度進(jìn)行調(diào)整，醫(yī)院在未來發(fā)展中，將會擴(kuò)大規(guī)模，一般會擴(kuò)充醫(yī)療設(shè)備，從此角度出發(fā)，考慮后期改造的可能性，為后期改造預(yù)留條件，結(jié)構(gòu)設(shè)計配筋包絡(luò)設(shè)計。

在樓板設(shè)計時，還需要考慮設(shè)備吊掛荷載，由于醫(yī)療建筑中需要很多用水的點，部分房間有潔凈要求，除此之外，頂部樓板嚴(yán)禁樓板開洞走管線，因此，會有潔凈要求的房間頂部上層設(shè)置雙層板。

2.3 墻體設(shè)計

醫(yī)療建筑過程中，為了減輕建筑物自重，會選用輕質(zhì)墻體材料，一般內(nèi)部隔墻通常會應(yīng)用蒸壓加氣混凝土挑板（ALC板）。但對于一些特殊的意義及用法，例如CT、DSA等，都有不同程度的防輻射要求，同時對于墻壁的材質(zhì)和厚度也有一些要求，如果有防輻射要求的墻體，則需要采用密度大于15kN/m3，同時厚度要使用240mm的水泥，實心磚砌體不能出現(xiàn)缺損，磚縫處的水泥砂漿要飽滿。如果墻體有防輻射要求，則可以根據(jù)需求采用200厚至500厚的鋼筋混凝土墻，但是需要考慮到鋼筋混凝土對結(jié)構(gòu)剛度是否存在影響，對于剪力墻墻不能落地的情況，還需要考慮荷載影響?？梢栽趬w外掛鉛板，或者在墻體分層涂刷鋇水泥，進(jìn)一步提升墻體的防輻射能力。

如核磁共振房間需要直線加速器等功能，鋼筋混凝土墻的厚度需要大于1.2m小于2.5m，同時需要巨大荷載，可以在基礎(chǔ)層內(nèi)設(shè)置荷載。同時在沒有防護(hù)情形下，直線加速器機(jī)房內(nèi)的電磁輻射會導(dǎo)致周邊人員造成傷害。加速器室的混凝土結(jié)構(gòu)需要避免出現(xiàn)射線穿透的裂縫，所以在澆筑大體積混凝土過程中，需要嚴(yán)格要求施工質(zhì)量。在設(shè)計文件中需要考慮大體積混凝土處理方案，在選擇水泥階段，可以選擇水化熱較低的礦渣硅酸鹽水泥，可以參加少量添加劑。施工時，對施工單位進(jìn)行交底，施工單位編制專項的大體積混凝土施工方案，采用連續(xù)澆筑方法。

2.4 設(shè)備運輸安裝

對于一些設(shè)備在安裝階段，需要考慮大型醫(yī)療設(shè)備運送寬度，運送通道寬度為3.0m，通道樓板荷載要按照設(shè)備荷載提資要求進(jìn)行預(yù)留。進(jìn)入CT 等房間，要在墻體預(yù)留門洞，設(shè)備進(jìn)入之后封堵，一般情況下，預(yù)留門洞的尺寸要高于2.8m×2.8m，CT的預(yù)留門洞尺寸要高于1.5m×2.1m，如果設(shè)備運輸階段需要轉(zhuǎn)彎，也需要留出足夠的位置。

3 結(jié)束語

現(xiàn)如今，我國逐漸走向新型城鎮(zhèn)化的進(jìn)程，因此人們對城市公共建筑的需求量逐漸增多，在設(shè)計公共城市建筑結(jié)構(gòu)階段，需要考慮公共設(shè)施的安全性和穩(wěn)定性，同時也要考慮公共建筑的舒適感，為人們提供理想的建筑，設(shè)計優(yōu)質(zhì)的公共建筑，對于社會長遠(yuǎn)發(fā)展有重要價值，為其奠定良好基礎(chǔ)。