某辦公建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案探討

王炳煒（招金礦業(yè)股份有限公司，山東 煙臺 265400）

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是建筑行業(yè)中至關(guān)重要的一環(huán)，它關(guān)注的是建筑物的安全性和實用性，一個良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案可以保證建筑物的安全性、美觀度和舒適度?，F(xiàn)代人們對辦公建筑的要求不斷提高，需要更加舒適、方便、實用、美觀的建筑空間，因此，必須改進結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，在提高建筑物設(shè)計水平和結(jié)構(gòu)質(zhì)量的同時，還可以提高人們的生活品質(zhì)和幸福感。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的意義

眾所周知，高質(zhì)量的設(shè)計方案，不但能有效提高建筑物的實用價值，還能使建筑物的經(jīng)濟效益和美感得到明顯提高，同時還能將建筑物的原材料浪費降到最低，有效地保護周邊環(huán)境，營造一個溫馨和諧的居住環(huán)境?，F(xiàn)代建筑建設(shè)十分重視綜合效益和整體效益，如何利用建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計，減少材料的浪費和成本，在確保建筑的穩(wěn)固性、美觀性和耐久性的同時，更好地滿足不同類型、不同層次用戶的功能需求，已經(jīng)成為了建筑企業(yè)十分關(guān)心的問題。與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案相比，現(xiàn)代的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案能夠有效地降低建筑施工成本，最大限度地利用材料，使得平面設(shè)計和布置方式更為完美。同時，對建筑結(jié)構(gòu)中的各個部件和單元進行設(shè)計和重新組合，使其相互聯(lián)系，達到協(xié)同工作的目的。

2 實例分析

2.1 工程概況

案例工程占地6274m2，建筑總面積12348.73m2，容積率1.46，建筑密度為41.3%、綠地率為21.7%。建筑高度24.8m，其中地下一層，地上六層，地上建筑主要用途為：文秘、人防指揮、國土資源部三位一體的辦公樓，地下為車輛倉庫和器材房，戰(zhàn)時是人防指揮室。該項目選址得天獨厚，在山水之間，既可觀賞，又有私人空間，同時又能充分地保留原始地勢。建筑結(jié)構(gòu)是將上下兩層的折疊式掩埋在山中，上層是一個三層高的方形箱體，箱體位于三樓之外12m處，使得箱體在錯位中保持均衡。該建筑運用諸多不規(guī)則平臺與懸挑方式，使得建筑與周邊山水、天空等景色相互融合。

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)與基礎(chǔ)設(shè)計

該工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命為50年，安全等級為二級。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》規(guī)定，工程所在地震動峰值加速度在0.05g范疇之內(nèi)，故此工程不對抗震設(shè)計進行考量。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定的基礎(chǔ)風(fēng)壓力為0.35kN/m3，50 年一次的基礎(chǔ)風(fēng)壓力為0.50kN/m3，地面粗糙程度為B 級。該工程土層分布詳情見表1 所示?；A(chǔ)與樁基設(shè)計等級為丙級。通過對上部主體結(jié)構(gòu)荷載與現(xiàn)場實際土層分析后，地基為⑥級的中風(fēng)化泥灰?guī)r。通過對施工場地的挖掘，在施工場地中央有一條約6m 的凹陷，經(jīng)實地勘察，確定了施工場地⑥層深度最大，最大深度達到9m，地基采用鉆孔灌注樁基。樁端持力層為⑥級的風(fēng)化泥灰色巖體，墩（樁端處）入土厚度為0.5m，墩（樁）長度為3m~8m。

表1 工程土層物理力學(xué)指標

2.3 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3.1 結(jié)構(gòu)體系選擇

該工程的主體結(jié)構(gòu)全長104.4m、寬35.4m、地上6層、地下1 層。根據(jù)施工的實際情況，認為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)最為經(jīng)濟合理。然而，該工程建筑形式較為特殊，有較多折板和懸挑，尤其是東邊懸跨高為12.1m，由于高度的偏移，使其在建筑物的內(nèi)壁上會有很大的附加應(yīng)力，難以應(yīng)用常規(guī)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架。針對這種不規(guī)則或長懸挑的結(jié)構(gòu)，通常可采用下列結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

（1）鋼結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)設(shè)計方法可以選用一般的鋼框架，即鋼柱+CRC+鋼梁。然而，由于其上吊的長度過大，會造成鋼柱和鋼梁的截面增加，對其正常工作造成不利后果[1]。為了克服梁高、變形等問題，在上部三個樓層可設(shè)懸挑式鋼桁式構(gòu)型，由三個樓層聯(lián)合作用力，從而有效地提高了梁高和舒適性。但其缺點為：為了克服懸挑應(yīng)力，必須設(shè)置一定數(shù)量的傾斜桿件，會對局部結(jié)構(gòu)使用性能產(chǎn)生一定不利作用；鋼結(jié)構(gòu)需要進行定期的后期維修；根據(jù)初步的調(diào)研，本地建筑公司沒有大跨度、高難度鋼材結(jié)構(gòu)，由于業(yè)主和建筑單位都不愿使用鋼制構(gòu)件，成為該方案被放棄的因素。

（2）混凝土結(jié)構(gòu)。綜合各方面影響，提出一種傳統(tǒng)現(xiàn)澆式鋼筋混凝土框架，以解決長懸挑問題，并通過對梁柱高度進行調(diào)控，采用上層3樓布置的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，按建筑物用途需要，在箱體左右兩邊各設(shè)有一個縱梁，共有兩個。經(jīng)分析，認為由于高強剪力，造成斜拉柱的橫斷面和配筋都偏大，使施工難度增大，同時也會對工程正常運行造成一定不利影響。同時，懸挑梁因其高度過大，在懸挑端處附近的數(shù)個跨中皆出現(xiàn)較大張應(yīng)力。經(jīng)分析對比，建議采用適當數(shù)量剪力墻取代斜撐，在懸挑端部的適當部位（例如樓梯等）處安裝適當?shù)募袅Γ瑥亩朔捎趹姨舳a(chǎn)生的內(nèi)部張應(yīng)力，形成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。經(jīng)過大量的軟件對比，證明了該方案設(shè)計具有較強可行性[2]。

（3）懸挑段構(gòu)造方式。在懸挑端兩邊各設(shè)置一對剪力墻，在必要位置上開孔，與樓層橫梁一起構(gòu)成一個敞開型實心剪力墻，并由四個梁板構(gòu)成一個整體，通過增加上下兩層的厚度，最終得到一個具有箱型斷面的實心桁架。本設(shè)計具有如下優(yōu)勢：采用開孔剪力墻取代垂直縱梁，既不占建筑物面積，也不凸起墻體，不會對其造成任何影響；在懸挑末端處，采用了剪力壁，對其進行合理調(diào)節(jié)，使其應(yīng)力集中程度大大降低，從而改善結(jié)構(gòu)安全性；在懸挑端部適當部位還設(shè)有適當剪力壁，以抵御因偏吊而產(chǎn)生內(nèi)向外應(yīng)力，從而構(gòu)成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；采用常規(guī)的現(xiàn)澆混凝土，減少工程難度，增加工程穩(wěn)定性?？紤]到成本控制、后期維護、施工界面交接和施工技術(shù)等諸多方面，提出一套施工穩(wěn)定、可控制現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，其能夠充分地滿足設(shè)計師所提的“浮動箱”和“折疊式”概念，并有效地克服功能流線、成本控制、結(jié)構(gòu)合理性等諸多不利條件的制約[3]。

同時，在本建筑設(shè)計當中嚴格遵守安全性原則，具有較高安全性的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠大幅提升建筑整體質(zhì)量，切實增加建筑使用壽命，為使用者生命與財產(chǎn)安全提供有力保障。另外，建筑結(jié)構(gòu)抗自然災(zāi)害能力也應(yīng)納入至安全性范疇之內(nèi)，例如抗震、抗臺風(fēng)等能力，因此，相關(guān)人員應(yīng)在設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)將安全性作為首要遵循原則。

2.3.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置

在此項目中，剪力墻安裝數(shù)目與布置地點為關(guān)鍵因素，在結(jié)構(gòu)規(guī)劃中，應(yīng)考慮到建筑物需要與作用，并經(jīng)過多個項目對比和分析，最后得出較為合適的方案。圖1和圖2為樓層建筑平面布置圖，主要是在兩個懸挑桁架、鄰近桁架的內(nèi)部一層和一樓的升降平臺之間。該結(jié)構(gòu)柱的橫截面積為800mm×1200mm。

圖1 2層平面布置圖

圖2 4層平面布置圖

2.3.3 結(jié)構(gòu)舒適度驗算

由于此工程懸挑較大，為能夠確保此部分撓度與舒適度需求得到充分滿足，本文利用MIDAS 軟件對其進行變形與舒適性分析。經(jīng)分析可以看出，最大變形都出現(xiàn)在懸挑最外面的中部，最大變形值為26.9mm，大約為吊桿的1/900，符合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（即“混規(guī)”）所規(guī)定的限值，其舒適度超過標準規(guī)定，保證使用舒適度。另外，根據(jù)“混規(guī)”的規(guī)定，其起拱不低于0.2%L（L是設(shè)計的跨距），可以很好地彌補因吊頂而產(chǎn)生的變形。為保證安全，按規(guī)定，在工程建設(shè)的各個環(huán)節(jié)（包括土建工程完工并達到強度，卸載過程、卸載后、砌體與外墻完成度、裝修后等階段），對懸挑端部變形進行監(jiān)控。在工程竣工后，將現(xiàn)場實際測量結(jié)果與理論值進行比較，結(jié)果表明，實際測量結(jié)果要比理論值稍低。在此基礎(chǔ)上，對樓頂?shù)拇怪闭駝雍妥哉竦募铀俣冗M行了分析（表2）。從表2 可以看出，在高層建筑的垂直振動中，每個樓層垂直振動頻率都不低于3Hz，而在垂直方向上，其最大的垂直振動峰值加速度都在0.05m/s2以內(nèi)，滿足建筑標準規(guī)定的建筑舒適性[4]。

表2 樓蓋結(jié)構(gòu)豎向振動加速度和自振頻率

2.4 施工現(xiàn)場控制與卸載方案設(shè)計

由于懸挑部分有三層，構(gòu)件荷載較大，而且高度較高，屬大型支撐模板，通過與施工單位配合，設(shè)計多種支架結(jié)構(gòu)，并進行比較和分析，經(jīng)過與施工方充分交流并與專業(yè)人員商榷，最后得出如下結(jié)構(gòu)形式：在懸挑端部外側(cè)下部布置3個垂直現(xiàn)澆鋼筋混凝土支架，在柱頂與懸挑底部位置分別設(shè)置鋼梁，并在各個梁接合點安裝一個千斤頂，共計35個。在工程建設(shè)中，所有懸挑件都由吊車支承，通過對懸挑件卸荷變形和裂縫進行分析和計算，給出具體的卸荷方法，按各千斤頂位置最后位移，分為5個階段進行卸荷，由內(nèi)到外依次遞增，對各個構(gòu)件變形和開裂情況進行實時監(jiān)測。

3 結(jié)語

由于此工程頂部三層?xùn)|側(cè)有12.1m的懸挑，在對成本、后期維護、施工交接點、實際施工水平等因素加以綜合考慮后，采用具有較強合理性、可控性的現(xiàn)場鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，同時通過開洞剪力墻與梁板組成箱型界面，實腹空間桁架對大跨度懸挑與梁高制約問題加以有效解決，此結(jié)構(gòu)對建筑南側(cè)與北側(cè)立面與平面功能并未造成任何影響，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與建筑的有效結(jié)合。