試論未來科技城學校的建筑結構設計

摘 要 通過對浙江未來科技城第二幼兒園九年一貫制學校項目的介紹， 探討混凝土斜屋面的設計方法，對大坡度斜屋面的施工工藝做法進行研究和分析并結合工程實踐，對施工時采取的措施進行闡述。

關鍵詞 斜屋面;計算模型;軟件分析;構造措施;施工工藝

1工程概況

未來科技城第二幼兒園九年一貫制學校位于杭州市余杭區未來科技城內，本次第二幼兒園、九年一貫制工程由幼兒園、小學及中學組成，總用地面積為41667.87平方米，總建筑面積為47190.93平方米，其中地上建筑面積為28790.93平方米，地下建筑面積為18400平方米。（見圖1）本工程主要由小學教學樓、初中教學樓、食堂、辦公、看臺、傳達室及幼兒園組成，層高2～5層，框架結構。幼兒園、小學田徑場地下設有地下室一層。整個工程于2016年開始設計，2017年10月結構封頂并通過結構驗收，中學樓斜屋面坡度最大為 54度，小學斜屋面坡度最大為44度，幼兒園斜屋面最大坡度為53度見下圖1[1]。

2結構設計

2.1 結構軟件分析

在結構軟件方面，ANSYS有限元軟件，SAP2000及ETABS與PKPM軟件進行分析的結果與PKPM軟件的計算結果對比已證實PKPM分析是合理的，該項目采用計算PKPM版本（V2.2）中可以在結構分析時考慮屋面斜板對結構整體剛度的貢獻，并自動將坡屋面的斜板定義為彈性膜進行分析，能較好地模擬結構的整體受力狀態。實際工程中可以將斜屋面定義為彈性膜，只計算樓板的平面內剛度，這樣對梁的彎矩和配筋的減少的影響會比定義為彈性板6的情況降低，上下支撐梁考慮了斜屋面的推力，并對其抗扭進行加強現有的軟件技術手段，可以讓結構工程師按著實際模型進行建模，在PKPM設計斜梁和斜屋面結構時，不能完全照搬平屋面設計的參數，否則會影響計算結構的準確性，降低斜梁斜屋面結構的安全度。

應注意以下幾個計算特點：

（1）荷載輸入時，由于PMCAD中“荷載輸入”只有沿水平和垂直方向的荷載，所以對于斜梁和斜板等傾斜構件，應輸入傾斜構件沿水平和垂直方向的荷載，并不是沿傾斜方向的荷載。

（2）地震作用分析方法，選用地震作用分析方法時，應注意采用“總剛分析方法”，不應采用“側剛分析方法”。

斜屋面采用PMSAP核算，上下支撐支撐梁考慮了斜屋面的推力，并對其抗扭進行加強。計算模型見圖一：

2.2 結構計算結果

本工程的各單體計算結果滿足規范要求。中學部分主要計算結果見下表：

2.3 斜屋面和斜梁的構造措施

斜屋面對整體結構體系的剛度貢獻是真實存在的，無論結構工程師在設計中是否按真實模型，或者選取何種彈性板算法，而且已證實跨度越大，屋面越陡、斜屋面板對框架的內力和剛度影響越大，所以應在完成斜梁和斜屋面計算后，采取一些特殊的構造措施，也是結構工程師需要考慮的重要方面。

（1）斜屋面鋼筋：由于斜屋面的空間作用和平面內外的綜合力，斜屋面板不僅需要抗彎設計，也應適當加強其抗軸力措施，而且支撐斜屋面的斜屋面梁也承受一定的軸力作用.斜屋面應雙層雙向貫通配筋。

（2）斜屋面板鋼筋錨固：若采用折板彎折交匯形成交錯斜屋面，注意板鋼筋采取逐層交叉錨固形式.若彎折角度過大，使斜屋面板承受較大軸力，在板彎折部位應采取加強措施，加大彎折節點截面尺寸，加縱筋和箍筋，彎折角度很大的斜屋面板.屋面折角為應力復雜處，兩邊板上部鋼筋應錨固于折角處梁或暗梁內。

（3）暗梁設置：完全按梁板體系處理坡屋面對施工及設計都較復雜，當然可對其加以簡化，在凸凹折角處，當角度較小時，可考慮板的平面剛度，在折角處均設暗梁即可[2]。

3施工工藝及施工措施

斜坡屋面板厚度和混凝土的坍落度有很大關系，本工程坡道在20～54度，設計厚度應達到120mm，這是因為在混凝土振搗時受混凝土的自重以及混凝土的坍落度影響，可能最高處的混凝土厚度偏薄，水灰比過大，混凝土將產生較多的細水通道，抗滲性能下降，同時容易產生裂縫。水灰比過低，容易產生蜂窩等缺陷。以上情況均將直接影響屋面結構的防水性能。施工方法上不在單獨采用板底支模，坡度較大時采取雙側支模，以確保混凝土的澆筑質量。

根據斜屋面傾角大小按40度分界，采用不同的施工方法。

對于40度以上的斜屋面主要考慮混凝土澆筑時的流動性大、不易成型，采用類似剪力墻的雙層夾模體系，為保證混凝土下料后流動順暢及便于振搗，沿坡面在上面層模板分段設置水平向混凝土澆筑槽，待下層各坡面混凝土對稱澆筑完成、振搗充分后，封閉本段預留槽，轉入上層混凝土的澆筑。這樣逐層對稱澆筑、逐層封閉，直至澆筑結束。

對于40度以下的斜屋面主要考慮澆筑時混凝土料向下緩慢流淌，密實度、厚度、標高不易保證。采取沿兩側破脊線設置縱向鋼筋引導導軌，坡面間隔2米設置混凝土截留網，實現了分塊澆筑振搗，保證混凝土的成型質量。由于坡度較大，對施工人員的專業技能、工作經驗以及心理素質等都是一個較大的考驗。掌握建筑工程較大坡度斜屋面滲漏問題的成因，采取積極有效的防治措施以避免滲漏問題的發生是非常重要的。

腳手架的搭設需能抵抗水平推力作用，因斜屋面在澆筑時，自重及施工荷載均會產生水平分力，由于混凝土尚未凝固，結構本身無法平衡此部分荷載。因此搭設腳手架時需充分考慮這不利的影響，以免施工時出現倒塌事故[3]。

4結論與建議

本文主要闡述了斜屋面工程中斜梁和斜屋面的建模方法，計算特點以及不同于平屋面結構體系的特殊構造措施，結構建模時盡量采用真實模型進行建模，考慮斜屋面面內和面外剛度，在PKPM中斜屋面采用彈性膜算法，總剛分析方法，跨度大時增加水平拉梁，高低跨時采用層間斜梁方法，建立起真實模型的斜屋面結構，PMSAP核算，對于大坡度斜屋面根據坡度采用不同的施工方法，對于大于40的坡度采用雙層模板，設置混凝土澆筑槽，對于小于40度的坡屋面采用導軌與截流網將屋面分割成塊，對稱澆筑，既保證了混凝土的施工質量，又降低了施工中的安全風險，取得良好的效果。

參考文獻

[1] GB50011-2010.建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2] GB50010-2010.混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[3] GB50009-2012.建筑結構荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

作者簡介

陳偉（1983-），男，浙江杭州人;學歷：研究生學歷，中級職稱，現就職單位：浙江省建筑設計研究院，研究方向：建筑結構設計。