淺談綜合體建筑結構設計難點及解決方案

肖新

【摘要】現代都市中，習慣快節奏的人們需要在一個方便、快捷、經濟、集多種功能于一體的綜合空間里，享受高效率的生活和工作，于是綜合體建筑便應運而生。由于其超大的體量，復雜豐富的外立面造型，居于城市優越的地段，往往成為城市的標志性建筑。多重功能的集合，注定了綜合體建筑的設計具有高難度，筆者通過總結多年的綜合體建筑結構設計經驗，對其結構設計的難點及解決方案一一剖析，供同行參考、借鑒。

【關鍵詞】綜合體建筑；設計難點；解決方案

Simple Talking about Difficulty and Solution of Architectural Structural Design of Complex Building

Xiao Xin

（Chengdu benchmark in the architectural design LimitedChengduSichuan610031）

【Abstract】Modern city， the habit of fast-paced people need a convenient， fast， economic， multi-functional integrated in an integrated space， enjoy high efficiency of life and work， so complex building came into being. Because of its large body mass， complex and rich facade modeling， living in the city of superior location， often become the citys landmark. Multi-function set， doomed complex building design is difficult， the author through years of comprehensive architectural design experience， its structural design difficulties and solutions one by one for peer reference， reference.

【Key words】Complex building；Design difficulty

1. 前言

（1）城市綜合體是將城市中的商業、辦公、居住、旅店、展覽、餐飲、會議、文娛和交通等城市生活空間的三項以上進行組合，并在各部分間建立一種相互依存、相互助益的能動關系，從而形成一個多功能、高效率的綜合體。一般酒店或寫字樓與購物中心的組合是最基本的組合，我們稱之為商業綜合體（圖1）。

（2）綜合體建筑不僅要滿足使用功能的要求，還需要滿足更高品質的要求，結構設計難度相應的不斷增加。綜合體建筑中結構設計難度主要體現在：超長超大體量、大跨度大懸挑、大跨度大懸挑的扭轉傾覆問題、樓板連接薄弱問題、樓板舒適度問題、豎向構件轉換問題以及造型復雜的大跨度采光頂和立面幕墻。

（3）如圖1所示，建筑中庭要求大跨空間，跨度一般在20米以上，30米也算正常，屋頂采光頂也是大跨的；二層以上內部步行街設置連通各層的扶梯，懸挑跨度一般在6米以上，10米也有。

（4）內部步行街中間開洞，以大跨度連橋連通（圖3），并可能是彎曲的連橋，使用過程中易出現較大的振動響應。

（5）初步的建筑方案還可能出現連橋的寬度極其狹窄，如果又是彎曲的連橋，極有可能只允許一根梁拉通，此時就會出現傾覆的問題，此問題一定要在方案階段與建筑充分配合，爭取兩根梁拉通，并采用抗扭性能強的梁構件形式，解決好大跨度梁的抗傾覆問題。如圖4中，主梁采用了矩形鋼梁，柱為鋼管混凝土柱。

（6）內部步行街區域往往也是設備管線最集中的區域，為了保證凈高，梁高控制的要求也極其嚴格。

（7）屋頂往往還有綠植而覆土，荷載較大，進一步加劇了大跨和大懸挑部位的設計難度（圖5）。

（8）由于各層商業布局不一致，往往導致柱無法伸直屋頂，帶來框架柱轉換問題。因為商業綜合體建筑常用柱網一般為9X9、9X11米等，還可能出現18米以上的大跨度轉換。

（9）最后，商業綜合體的外圍造型往往是非常復雜的（圖6），幕墻與主體結構的連接以及主體結構設計時考慮幕墻支座荷載也要求非常嚴格。

2. 現就商業綜合建筑中最關鍵的技術難點分別討論解決方案。

2.1超長超大體量

（1）商業綜合建筑常由大面積的商業裙房和辦公、酒店等塔樓組成，一般只在商業裙房和塔樓的相連部分設置沉降或抗震縫將二者分開，商業裙房則由于功能要求和立面處理等原因，被限制設置構造縫，這便要求結構設計時采取可靠措施處理混凝土收縮和溫度變化帶來的應力問題。

（2）處理方式無外乎“抗”、“放”、“防”三種：

抗：進行溫度應力分析，增加樓板配筋，特別是通長鋼筋，必要時還可設置樓板預應力筋。

溫度荷載的確定[1]：

結構溫度荷載主要由季節溫差荷載以及收縮當量溫差兩部分組成。

2.1.1季節溫差：樓屋蓋中面在施工和使用中所經受的溫差為各地區計算季節平均溫度T中與結構混凝土終凝溫度T凝的差值。按下式計算：

ΔTt=T中-T凝

以成都某工程為例（表1）：

2.1.2收縮當量溫差：由于有豎向構件的約束，混凝土收縮會在水平構件中產生拉應變，可以把混凝土的收縮值換算成等價的溫度差值作用，方便與結構溫差作用進行綜合計算。

ΔT= -εy（t）/α

式中α=1x10-5/℃為混凝土線膨脹系數，通常情況下混凝土極限收縮應變約為2～4x10-4，取90d后澆帶封閉時混凝土收縮量占極限收縮量的60%[1]，則混凝土的收縮當量為：

ΔT=-2x10-4x40%/α=-8℃

2.1.3微裂縫折減系數：混凝土構件的剛度折減源自于其在凝結或受力過程中產生的微裂縫，一般工程此系數取為k=0.8 。

綜合上述三點，此工程最終的溫度差值為：

ΔT=k*（季節溫差+收縮當量）=-18.4℃ （屋蓋）

-12.8℃ （樓蓋）

最后作為工況輸入程序進行樓板應力分析，可得到樓板的主拉應力值，配置相應的樓板鋼筋抵抗此拉應力即可。

（1）放：在施工中采取措施，使應力得到有效釋放，混凝土收縮得到補償，比如跳倉法施工；合理設置后澆帶、膨脹帶等。后澆帶設置應方便施工，不宜穿越大跨度梁（≥12m）、型鋼梁、轉換梁等，大懸挑的相鄰內跨也不宜有后澆帶穿越，間距宜控制在合理范圍。

（2）防：建筑采取保溫的構造措施，減少結構溫差；考慮屋面設音叉柱的方案；混凝土低溫入模、低溫養護；減小水灰比、改善水泥和砂石骨料質量；加強后期檢測等。

2.2大跨度、大懸挑的設計。

商業綜合建筑中庭是結構設計的焦點，大跨大懸挑都通常在此出現，且設備管線多，對梁截面高度有較高要求。處理方式通常有預應力混凝土梁、型鋼混凝土梁及鋼-混凝土組合梁等結構構件形式。

2.2.1預應力混凝土梁[2]：主要采用后張有粘結預應力梁。在普通混凝土梁內施加預應力并不直接增加受壓區混凝土的高度，因此預應力梁并不會增加梁的承載力，這樣也就限制了預應力梁的適用范圍，對于多數以承載力控制的轉換梁或者受力較大的梁，預應力的結構形式并不適用，而以撓度裂縫控制的大跨大懸挑梁就非常適合采用預應力梁的形式。

（1）基于以上結論，在是否能夠采用預應力梁的判斷上，首先判斷該梁按普通混凝土梁計算是否滿足承載力要求，且對框架梁來講，配筋率宜在1.8%以內，懸挑梁配筋率宜在1.5%以內，否則引入預應力筋后配筋率過大。

（2）在常規的商業樓面荷載下，懸挑梁的跨高比宜控制在1/7左右，大跨度連廊的跨高比宜控制在1/15～1/22左右。當構件的跨高比小于1/22時，建議適當放大梁底筋配筋率到3%～4%，增加構件安全性，減小構件長期撓度，但要注意跨中混凝土上皮受壓區高度不能超過限值要求，避免形成超筋梁。

（3）結構布置時，預應力梁宜簡單規則傳力明確，以常見單向梁布置為佳，避免與其他預應力梁或型鋼混凝土梁柱相交。在單向布置的樓蓋中，盡量將次梁設置為預應力梁，既有利于控制變形，也利于抗震的要求。

（4）預應力梁的張拉端通常設置在挑梁端頭和后澆帶位置，這樣可減少設置張拉后澆塊。

（5）預應力索控制點標高要適當留有余地，過于精細的設計可能由于施工中的各種困難而無法實現，導致實際有效高度低于設計要求的有效高度，產生安全隱患。一般波紋管中心點最高點至梁上皮最小宜取150mm，當支撐梁的面筋達到3排時實際施工很難達到150mm的要求，此時宜取200mm。最低點距梁下皮不宜小于150mm，不應小于120mm。

2.2.2型鋼混凝土梁[3]：由于在普通混凝土梁內置了型鋼，相同截面的梁抗彎、抗剪承載力都得到了極大的提升，與預應力梁形成了良好的互補，適用于大跨度轉換梁，跨高比宜控制在1/20以內。其缺點也非常明顯，那就是造假高昂、施工復雜，當可以采用預應力結構或鋼結構代替時，建議盡量不采用型鋼混凝土結構。

（1）型鋼混凝土梁宜單向布置，避免與其他梁平面外相交，不開避免時應注意型鋼截面宜小于相交的鋼筋混凝土梁截面高度，使相交梁的上下縱筋能繞過型鋼；型鋼混凝土梁宜與框架柱正交，不宜斜交；同時應避免與預應力鋼絞線平面外相交。

（2）規范給出的型鋼保護層厚度主要從粘結強度、型鋼局部穩定性和耐火、耐久性上考慮，整體偏小，便于施工的保護層厚度宜為：梁不小于150mm，柱不小于250mm（根據鋼筋直徑、排數和根數、當施工困難時可再增加，如：300mm）

（3）梁縱筋與連接板或加勁板采用焊接連接時，梁縱筋凈距取≥60～70mm，梁縱筋至連接板或加勁板的邊距≥20～30mm。柱縱筋直徑d>25mm時，宜采用機械連接接頭。箍筋肢距不宜大于300，柱箍筋采用三級鋼，體積配箍率至少可按《型鋼混凝土組合結構技術規程》表6.2.2折減0.85。

（4）為便于梁中型鋼在柱子錨固，應在柱中設置與梁型鋼翼緣等寬的構造型鋼段，這就造成了梁上下縱筋與柱內型鋼的關系問題，部分縱筋彎折后可繞過型鋼，而部分縱筋不可避免的需要與柱內型鋼連接，可通過連接板焊接、套筒連接等方式連接（當然也可在柱型鋼翼緣上開孔讓少量鋼筋穿越，但開孔削弱型鋼，應控制數量）。若有多排鋼筋，第二、三排建議控制縱筋數量使之能全部繞過柱內型鋼（圖7，與圖7對應的不同截面型鋼梁縱筋配筋見表2）。

（5）根據上述鋼筋排布，我們可以反算出各種截面的型鋼梁在不同的配筋、不同型鋼截面下所能承受的彎矩，前期初選型鋼梁截面時我們就能根據初算的彎矩選定合適的梁截面。

（6）如假定混凝土強度等級C30，鋼材材質為Q345B，鋼筋為直徑32mm的四級鋼（強度435MPa），A=150mm（圖7），型鋼翼緣保護層取150mm，對不同截面分別反算縱筋配筋為構造配筋，一排鋼筋，三排鋼筋，極限彎矩（理論值）時的抗彎承載力結果如下（表3中彎矩M單位為102KN*m）。

（7）若計算得到梁的彎矩為100X102 KN*m，根據表3，我們可以初步確定所需型鋼梁截面為800X1200，梁內型鋼尺寸為H500X900X30Xhw（hw為腹板厚度，滿足構造要求即可），由此還可以相應確定型鋼梁兩端柱截面邊長取到900mm以上比較合適。

2.2.3鋼-混凝土組合梁[4]：

（1）具有自重輕、適用跨度大的特點，能充分發揮鋼、混凝土各自的優點。對商業建筑中的大跨度連廊、天橋及樓屋蓋均適用。鋼-混凝土組合梁隨著跨度不斷增加，其控制因素分別為強度（穩定）、撓度、舒適度（頻率和峰值加速度）；在常規的商業樓面荷載作用下，鋼-混凝土組合梁的跨高比宜控制在1/25左右。

（2）鋼-混凝土組合梁宜單向布置，與周邊構件的連接通常采用鉸接，周邊構件可為型鋼混凝土梁、或埋有構造型鋼段的普通混凝土梁。其截面形式可采用H型和箱型。鋼-混凝土組合梁也常用于連接不同塔樓之間的天橋，其支座形式常采用滑動支座或橡膠支座，在支座節點設計時需要根據地震作用預留足夠的縫寬。

2.3框架柱的轉換問題。

（1）上面型鋼梁已經提供了一個解決方向，我們還可以采用調整結構布置，讓多根梁共同承擔轉換柱荷載（圖8）；空腹桁架轉換（圖9）；上柱與下柱錯開不多時還可以采用斜柱或搭接柱（圖10）等方式處理。

（2）空腹桁架轉換往往是利用整個建筑層高來作為空腹桁架的高度，利用兩層甚至三層梁來實現轉換，設計時應注意將這幾層梁定義為同一施工次序，施工時應等到這幾層框架梁混凝土均達到強度后再一次性拆模，從而實現幾層梁共同受力。

（3）斜柱和搭接柱設計時應重點關注水平分力的傳遞，相關梁板加大截面及配筋，并采用通長配筋的方式，建筑允許時還可設置斜撐。設計時通過樓板的應力分析及節點有限元分析，保證樓板和節點傳力的可靠性。

2.4大跨度、大懸挑的舒適度問題。

商業綜合建筑中通常包括大跨、輕質和低阻尼結構，如大跨度連橋、中庭位置的大跨度狹窄樓板；如果設計不當，其梁板結構會在人的行走、運動和使用過程中出現較大的振動響應，特別是當樓面自振頻率接近人的步行頻率時，易產生樓面共振，從而引發人體的不適反應[5]。

2.4.1計算模型的選取。

分析人行走引起的樓板振動舒適度時，可以簡化采用單層計算模型，對不同的樓層分別進行計算；當位于五層以上且柱變形較大時，需要考慮柱變形的影響，應采用整體結構計算模型。當結構平面布置較復雜時，計算模型需要進行適當簡化。

2.4.2不利振動點的選取。

樓板的面積較大，在均布動荷載作用下，各點的振動響應不同，通常可依據結構平面布置的情況，選取樓板結構剛度較小的部位（撓度較大處）作為不利振動點，通過對不利振動點的振動響應判斷樓板舒適度是否滿足要求。根據建筑結構的使用功能，樓板舒適度的評價標準可采用自振頻率和加速度限值的雙控指標。

2.4.3樓板結構自振頻率計算。

對于樓板振動舒適度來說，樓板結構自身的動力特性非常重要，而自振頻率集中反映了樓板質量和剛度的關系。自振頻率與撓度的平方根成反比，撓度和變形計算采用荷載標準值，故計算樓板結構自振頻率時采用的荷載均為標準值。另外，在人行激勵的動力荷載作用下，混凝土的彈性模量要大于靜荷載作用時，因此在計算樓板慣性矩時，對鋼-混凝土組合樓板和混凝土樓板，混凝土彈性模量可分別放大1.35倍和1.2倍。

2.4.4荷載模型的選取。

將人的活動分為兩類，行走和有節奏運動。人行走涉及的建筑類別包括醫院、居民樓、辦公樓、教堂、商場、餐廳及人行天橋；有節奏運動涉及的建筑包括健身房、體育館、舞廳和俱樂部。對于人行走，需要考慮恒載荷有效均布活荷載；對于有節奏運動，還需要計及參與活動的人的等效均布荷載。舒適度分析中荷載取值比結構設計的荷載取值小很多。

2.4.4.1人行走荷載模型。

研究表明簡諧波隨著頻率的增加振幅逐漸減小，前三、四個簡諧波構成了動力荷載的絕大部分，且可以忽略靜荷載的影響，采用簡化計算得到行走激勵下的動力響應，人行荷載可只考慮前三階荷載頻率。且由于人行走的隨機性，人群引起的動力荷載很少產生舒適度問題，因此可僅考慮單人行走引起的樓板振動問題。

F（t）=P0∑αicos（2πfit+φi）考慮前三階荷載

P0——人的重量，一般取0.7KN；

αi——第i階荷載頻率動力因子；

fi——第i階荷載頻率；

φi——第i階荷載頻率的相位角；

t——時間；

表7人行走簡諧波的模型參數

荷載頻率階數 i人行走fi /Hzαiφi

11.6～2.20.50

23.2～4.40.2π/2

34.8～6.60.1π/2

46.4～8.80.05π/2

2.4.4.2有節奏運動荷載模型

有節奏運動的人一般較多，不能用單個集中荷載來模擬，一般用等效均布棟荷載來反映其對樓板體系振動的影響。荷載函數用一系列簡諧波來表示，可

自振頻率及時程分析計算中均布荷載標準值包括恒載、有效均布活載荷和人的等效均布荷載，但由于有節奏運動場地一般較空曠，有效均布活載通常不考慮（有節奏運動作用下的荷載頻率和動力因子見表8）。

2.4.5舒適度阻尼比取值。

根據材料和激勵不同，阻尼取值也不同（人行走作用下的樓板結構阻尼比β（%）見表9，有節奏運動下的樓板結構阻尼比β（%） 見表10）。

將荷載函數作用于最不利振動點，經時程分析得到峰值加速度，從而判斷樓板舒適度是否滿足要求。計算時荷載函數不宜少于5個周期，步長取1/（72 fi）。

參考文獻

[1]傅學怡. 實用高層建筑結構設計（第二版）. 北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2]張瀑，魯兆紅，淡潔. 預應力混凝土框架結構實用設計方法. 北京：中國建筑工業出版社，2012.

[3]劉維亞等. 型鋼混凝土組合結構構造與計算手冊. 北京：中國建筑工業出版社，2004.

[4]鋼結構設計規范：GB 50017-2003[S]. 北京：中國計劃出版社，2003.

[5]婁宇，黃健，呂佐超. 樓板體系振動舒適度設計. 北京：科學出版社，2012.