大同未來能源館結(jié)構(gòu)設(shè)計

刁鵬展

1 工程概況

山西省大同未來能源館建筑面積約2.9 萬m2，展示面積約1.8 萬m2，包括地上3 層，地下1 層，是1 座集能源戰(zhàn)略規(guī)劃館、能源文明傳播館、能源革命示范館、能源科普教育館、能源生活體驗館以及能源技術(shù)展示館“六館合一”的綜合展覽館，也是目前國內(nèi)超低能耗最大規(guī)模的被動式建筑。

該建筑的結(jié)構(gòu)形式為少柱剪力墻體系，整個建筑考慮使用功能展廳，要求大空間無柱。主體結(jié)構(gòu)由6 個小核心筒作為豎向受力支撐構(gòu)件，核心筒間凈距32.5 m。3 層懸挑4.5 m，支撐32.5 m跨的大梁；2 層以上所有建筑空間實現(xiàn)了“全無柱設(shè)計”，這樣不僅能使場館采光及視線效果達到最佳，還能最大程度釋放空間，確保單個展廳的有效參展面積最大化以及整體空間的連通性。建筑剖面圖如圖1 所示。

圖1 建筑剖面圖（來源：作者自繪）

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重點與難點

2.1 地基處理

主體結(jié)構(gòu)由6 個小核心筒作為豎向支撐構(gòu)件，除地下室局部有柱子，1 層外側(cè)有柱子，沒有其他豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件。經(jīng)計算，核心筒下筏板考慮外擴的情況下，最大荷載約600 kPa 左右，基底位于第4層粉質(zhì)黏土，地基承載力為160 kPa，不能滿足上部結(jié)構(gòu)荷載要求，需采取樁基處理措施方可達到設(shè)計要求。方案設(shè)計時，通過3 種樁基方案進行比選。

（1）混凝土預(yù)應(yīng)力高強管樁。由于土層中存在粗礫砂，壓樁施工困難，樁長難以達到設(shè)計長度，在施工過程中容易爆樁，影響工期且難以控制，因此不予采用。

（2）水泥粉煤灰碎石（Cement Flyash Gravel，CFG）樁。CFG 樁單樁承載力低，復(fù)合地基變形沉降大，不能滿足核心筒下承載力的要求，也不予考慮。

（3）鋼筋混凝土后壓漿灌注樁。樁身強度高，單樁承載力高，樁長滿足設(shè)計要求，樁基沉降小，施工簡便，地層適應(yīng)性能廣泛。因此，本工程最終確定采用混凝土灌注樁。

2.2 整體結(jié)構(gòu)計算

建筑長寬比為1.7，X 向比Y 向長，6 個核心筒沿X 向3 列，Y 向2 行。核心筒X 向墻厚為0.6 m，Y 向墻厚為1 m。整體模型計算時通過調(diào)整墻厚盡量使XY兩個方向的剛度接近。1 層層高為7.8 m，局部9 m，在展廳區(qū)域外9 m 層高處做了夾層，與夾層相連的豎向構(gòu)件采用有夾層和無夾層兩種工況進行包絡(luò)設(shè)計。地下1 層框架柱較多，加之周圍擋土墻的剛度貢獻及核心筒上部洞口在地下封堵，地下1 層與地上1 層兩個方向的剪切側(cè)向剛度比很容易滿足大于2 的要求，嵌固端定在±0.00 標高的樓板處。地上1 層有部分框架柱，在規(guī)定的水平力作用下，結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的比值小于10%，應(yīng)按剪力墻結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。通過調(diào)整核心筒墻體布置及墻體厚度，整體指標均滿足規(guī)范要求。

2.3 大跨梁結(jié)構(gòu)措施

首層展廳樓面活荷載10 kN/m2,區(qū)域內(nèi)的地下展廳32.5 m×88.6 m，不允許有豎向構(gòu)件。展廳沿短邊Y 向布置主梁，與核心筒相連的大梁用型鋼混凝土梁增加剛度，梁截面700 mm×2 100 mm。與型鋼混凝土柱相連的大梁用純鋼梁，能減少自重且方便施工；鋼梁為箱型截面，尺寸600 mm×1 920 mm。樓板厚度為180 mm，鋼梁支撐在樓板下，型鋼混凝土梁和鋼梁在梁底同一標高，方便地下展廳吊頂。鋼梁上翼緣有樓板的約束可以避免平面外失穩(wěn)，鋼梁下翼緣尤其是在柱附近的位置存在受壓失穩(wěn)的問題，需設(shè)置側(cè)向支撐[1]。本項目工程在鋼梁與鋼梁、鋼梁與混凝土梁的下翼緣設(shè)置了剛性系桿隅撐，保證鋼梁下翼緣的平面外穩(wěn)定。

考慮增加建筑凈高，鋼梁截面大，設(shè)備管道及風(fēng)管避開梁跨中和端部在鋼梁腹板中間留孔穿越。鋼梁開孔圖如圖2所示，由圖2 可以看出，各種管線穿梁時均做了局部補強。對于1 層展廳屋頂室外展示區(qū)，屋頂種植覆土考慮0.6 m厚，活荷載應(yīng)為4.0 kN/m2，2 層結(jié)構(gòu)模型如圖3 所示。從模型上可以看出，沿3 個方向都不能設(shè)柱，只有4 個核心筒支撐。利用2 層建筑局部抬高屋面處做Y 向支撐大梁，梁高為3.3 m，X 向做鋼梁一端與鋼柱連接，一端與Y 向支撐大梁連接。核心筒之間采用型鋼混凝土梁連接，增加結(jié)構(gòu)剛度。

圖2 鋼梁開孔圖 （來源：作者自繪）

圖3 2 層結(jié)構(gòu)模型（來源：作者自繪）

大跨度展廳具備布展靈活性和空間應(yīng)變能力，有效解決了展陳設(shè)計工作開展延后及存在較大不確定性而造成的技術(shù)銜接難題。充分應(yīng)用結(jié)構(gòu)截面綜合布設(shè)管線，有效增強了展館內(nèi)部空間的序化效果，最終使建筑設(shè)計滿足了展廳的使用功能。

2.4 剪壓比超限的結(jié)構(gòu)對策

2.4.1 剪壓比超限

6 個核心筒作為主要豎向構(gòu)件，也是整個建筑的抗側(cè)力構(gòu)件，承擔(dān)著結(jié)構(gòu)體系在水平地震作用下所產(chǎn)生的水平剪力。該建筑與普通建筑相比活荷載大，跨度大，豎向構(gòu)件剪力墻比較集中，部分筒體墻體的剪壓比很難滿足。通過增加墻厚來提高墻體的受剪面積，不但占用建筑的有效使用空間，而且增加了自重，提高了地震作用效應(yīng)。開設(shè)洞口降低了剪力墻的剛度，可以減少地震作用，但也存在一些問題。例如，開洞形成的一些短肢墻，其剪壓比很容易超限[2]。

2.4.2 超限結(jié)構(gòu)措施

第一，減小連梁截面高度，結(jié)合層高設(shè)置雙連梁；連梁剪壓比不夠可設(shè)置抗剪鋼板。第二，除了結(jié)合建筑設(shè)備專業(yè)要求在筒體留洞，還在剪力墻受力較大的部位開設(shè)結(jié)構(gòu)洞口。第三，筒體四角加設(shè)型鋼，一是為了連接型鋼混凝土大梁，二是補償此處墻體邊緣構(gòu)件暗柱配筋及受剪箍筋。第四，若墻體剪壓比很難滿足，尤其是短肢剪力墻處，則可增設(shè)鋼板，設(shè)置鋼板剪力墻。

2.5 超長結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力計算

工程主體結(jié)構(gòu)東西長度約為109 m，南北寬度約為71 m，按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010-2010）的規(guī)定，現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距為45 m，該結(jié)構(gòu)嚴重超長，應(yīng)進行溫度應(yīng)力計算。按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）第9.2.1 條 和9.3.2 條 的規(guī)定，基本氣溫可采用規(guī)范中附錄E 規(guī)定的50 年重現(xiàn)期的月平均最高氣溫Tmax和月平均最低氣溫Tmin。

根據(jù)收集的氣象資料顯示，大同屬中溫帶重半干旱氣候，1 月份最冷，平均氣溫-10.9oC，年極端最低氣溫-29.1oC；7月份最熱，月平均氣溫21.8oC，最熱月14 時平均氣溫26.2oC，年極端最高氣溫為37.7oC；氣溫年、日溫差都較大，分別為32.7oC 和13.2oC。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）的規(guī)定，大同月平均最高氣溫Ts,max=32oC，月平均最低氣溫Ts,min=-22oC，根據(jù)現(xiàn)場的施工組織安排，后澆帶合攏時間大約為6月，為降低合攏溫度，可采用冰塊降溫的辦法，合攏溫度取15 ～20oC[3]。本工程采用YJK 軟件進行溫度應(yīng)力計算,結(jié)構(gòu)計算時，樓板采用彈性樓板6，按照有限元計算樓板內(nèi)力，并根據(jù)計算結(jié)果增設(shè)溫度鋼筋以滿足規(guī)范要求。

2.6 膨脹加強帶做法

本工程工期緊張，在施工中將原設(shè)計的溫度后澆帶改成了膨脹加強帶，具體做法如下。第一，加強帶寬2 m，中心與現(xiàn)有溫度后澆帶中心重合，在兩側(cè)水平結(jié)構(gòu)（全部水平構(gòu)件）混凝土內(nèi)摻10%～12%的鎂質(zhì)高性能抗裂劑。第二，加強帶的混凝土比主體結(jié)構(gòu)部位高一強度等級，且混凝土內(nèi)摻14%～15%的鎂質(zhì)高性能抗裂劑。采用膨脹加強帶可以連續(xù)施工，超長混凝土結(jié)構(gòu)不留縫且不易開裂，減少了分縫處理帶來的麻煩，大大縮短了工期，取得了顯著的經(jīng)濟效益。目前，該項目已經(jīng)投入使用3 年，使用狀態(tài)良好[4]。

2.7 大懸挑結(jié)構(gòu)設(shè)計

3 層核心筒外挑為4.5 m、梁后支撐為32.5 m 跨的大梁，懸挑結(jié)構(gòu)的運用使建筑獲得了開放空間，建筑空間也得到進一步延伸。懸挑梁在整個結(jié)構(gòu)設(shè)計中非常關(guān)鍵，由于是靜定結(jié)構(gòu)體系，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，將對整個建筑造成極大的安全隱患。

結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮豎向地震作用，取反應(yīng)譜分析和10%重力荷載代表值的包絡(luò)值，并考慮以豎向地震作用為主的組合效應(yīng)[5]。需要注意的是，懸挑結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件以及與之相鄰的主體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的抗震等級應(yīng)提高一級。

另外，應(yīng)嚴格控制裂縫和撓度。梁內(nèi)設(shè)型鋼，懸挑梁做成變截面，根部為1.8 m 高，端部為0.8 m 高，方便風(fēng)管和設(shè)備管道從梁端部通過，增加建筑凈高。封口大跨梁跨度為32.5 m，應(yīng)進行撓度控制。沿與大跨梁垂直方向每間隔4.2 m設(shè)懸挑型鋼梁并向內(nèi)延伸1 跨，減少封口梁的計算跨度，調(diào)整后的封口梁高度為1 m（上翻0.2 m）。整個懸挑結(jié)構(gòu)不顯臃腫，凈高增加，使用舒適。

3 大型公共建筑設(shè)計策略

本工程工期非常緊張，施工單位百天建成，設(shè)計單位現(xiàn)場全程進行服務(wù)跟蹤。通過項目實踐，提出以下幾點設(shè)計策略以供同類項目參考。

第一，對于大型公共建筑的結(jié)構(gòu)專業(yè)，應(yīng)從方案階段就提前介入，理解和領(lǐng)會建筑創(chuàng)作意圖，及時提出結(jié)構(gòu)處理措施和解決建議，專業(yè)間的有效配合才能保證項目設(shè)計的性能合理，進而實現(xiàn)設(shè)計優(yōu)化的目標。

第二，設(shè)計應(yīng)和施工現(xiàn)場緊密配合，根據(jù)工程的特殊性，及時做出相應(yīng)的調(diào)整。例如，原設(shè)計防水板和基礎(chǔ)承臺上平，由于本工程工期緊張，現(xiàn)場及時調(diào)整了圖紙，改為防水板和基礎(chǔ)承臺下平。這種做法雖然增加了土方和房心土回填量，但卻減少了施工難度，加快了施工進度。

第三，對于大跨度的公共建筑，結(jié)構(gòu)專業(yè)不能為了給建筑提供更大的使用空間而過分優(yōu)化截面，尤其是豎向構(gòu)件。本工程核心筒的墻厚偏薄，為了控制剪力墻墻體剪壓比，設(shè)置了很多鋼板，增加了施工難度，影響了施工工期，同時也增加了造價。由此可見，優(yōu)化結(jié)構(gòu)截面在大開敞的展廳空間內(nèi)效果微乎其微。

4 結(jié)語

大同未來能源館是我國第一個以“超低能耗”“綠建三星”“LEED 金級”及“健康建筑”4 個認證標準為總體設(shè)計目標的高性能建筑，也是國內(nèi)首例實現(xiàn)“近零能耗建筑”目標的大型展館類公共建筑。該建筑功能復(fù)雜，存在荷載較大、結(jié)構(gòu)超長、大跨度以及大懸挑等問題，通過合理的方案選型、結(jié)構(gòu)布置、計算模型的分析和對比以及特殊的結(jié)構(gòu)加強措施，較好地實現(xiàn)了建筑設(shè)計意圖，滿足了規(guī)范要求，進而保證了結(jié)構(gòu)安全[6]。