淺談學校建筑中實現建筑愿景的結構技術運用

黃喆

摘要：近年來隨著隨著建筑功能需求的不斷提高，結構設計對建筑使用功能及造型要求的完成度顯的越發重要。文章主要以南京外國語方山分校項目為例，闡述實際工程中為實現建筑功能及造型需求結構常用的技術方法。

關鍵詞：結構體系;預應力混凝土;鋼結構;空間結構體系

1 工程概況

本學校項目位于南京市江寧區，學校由小學、中學兩部分構成。小學區有禮儀長廊、小學教學樓、小學體育館、小學食堂;中學區有初中教學樓、初中綜合樓、國際高中、科學高中、中學體育館，并配備有小學及中學宿舍，圖書行政中心、博雅中心、STEM中心和千人會場等共享建筑。學校占地面積322畝，總建筑面積達到26萬平方米。

如此規模的學校建筑群建筑使用功能涵蓋了教學和生活的方方面面，對建筑群的細節展現提出了更高的要求，同時也對我們結構設計的實現度提出了高要求。

2 合理的結構體系

本項目子項較多，各子項使用功能較為復雜。各子項多為5～7層建筑，采用框架結構，結構冗余度高、抗震性能好、安全度高。具有可以靈活配合建筑平面布置的有點，有利于安排較大使用空間。具有合理的地震作用傳遞途徑，具備良好變形能力和消耗地震能量的能力。

其中千人會場子項是一個小型劇院模式的建筑，建筑面積8千平米，建筑高度21.8m，5層，其一層建筑功能為開敞大空間食堂及餐飲配套，二層為一容納千人席位的微型劇院，輔以排練室、休息室、化妝室，主舞臺、側臺、觀眾廳、耳光室、燈光及音效控制室、臺頂檢修環道、舞臺馬道、面光橋等一應俱全。由于一層具有大空間食堂功能需求，整體建筑二層以上均呈現三面圓形形態，結構可布置墻體的空間幾乎為零，無法于整個結構平面均勻布置雙向墻肢。由于體量較小，經結構試算，最終沒有布置墻肢而采用了框架結構。由于舞臺和觀眾廳部位較為空曠，高差很大，樓板缺失很多，被開洞分開的各部分的連接較弱，在地震作用下各部分容易相對振動。在無條件采用框架-剪力墻結構的情形下，對此框架結構進行了中震及大震下的補充分析。對于各錯層柱，穿層柱進行了加強保證其在設防地震下的承載力，并控制其罕遇地震下的位移角稍高于規范要求。并對觀眾廳斜向臺座樓板及各標高被開洞分開的各部位樓板進行設防地震下的樓板應力分析，對應力較大部位針對性樓板加厚及配筋加強，保證設防地震下樓板有效的地震力傳遞。通過合理的結構體系選型，有效保證了建筑使用功能的需求。

千人會場剖面圖

3 不規則平面的規則化處理

小學教學樓子項建筑長159.5m，寬82m，建筑平面呈現細長C型布置，并存在平面凹進。設計中通過設置抗震縫，在滿足建筑使用功能條件下，將不規則的平面分割成多個規則平面。對局部薄弱部位，采取有效的抗震構造措施予以加強。

4 預應力技術的運用

預應力混凝土是指為了彌補混凝土過早出現裂縫而在結構承受外荷載以前，預先給混凝土施加一個預壓力，來抵消或部分抵消該區域內正常實用階段的使用荷載所帶來的拉應力。民用建筑結構設計中使用最廣泛的是預應力混凝土梁，即在混凝土受拉區，用人工作業將預應力筋張拉，利用預應力筋的回縮力使混凝土受拉區預先承受一部分壓力。這部分壓力被儲存下來，當梁正常使用承受樓面豎向荷載時，豎向荷載產生的梁底或支座頂的拉力首先被受拉區混凝土中儲存的壓力抵消一部分，此方法很好的限制了混凝土的伸長，延緩或不使裂縫出現。

千人會場子項因觀眾廳池座處不能設置框架柱，池座上空形成27.8x27.0m的大跨結構，小學體育館因籃球場的功能需求，籃球場上空也形成27x42m的大跨結構，中學體育館子項為滿足泳池的使用功能要求，泳池上空一層平面及二層籃球訓練場部位均形成26.4x33m的大跨結構。考慮使用有粘結預應力混凝土梁。其中千人會場和小學體育館大跨部位為屋面，面荷載較小，按短跨方向單項布置預應力混凝土梁，短跨主梁500x1600（4根），短跨次梁400x1600（2根）;中學體育館大跨部位為籃球館和一層活動場所，面荷載相對較大，按雙向布置預應力混凝土梁，主梁500x1100（2根），次梁400x700（1根）。預應力筋直徑15.2mm，極限強度標準值為1860MPa的低弛預應力鋼絞線，其性能滿足《預應力混凝土用鋼絞線》的規定。張拉端及固定端均采用OVM錨具，端部承壓板、局壓網片滿足局部承壓和張拉設備要求。預應力混凝土強度等級C40，不摻加氯化物外加劑，預應力筋封端混凝土采用微膨脹細石混凝土。

預應力混凝土梁可提供普通鋼筋混凝土梁更大的跨度，減小梁高，增加建筑使用空間高度，同時又沒有對施工設備提出過高要求，對工期不會有太大影響。

5 鋼結構空間結構體系的應用

隨著鋼結構技術在各跨度大、高度高等特殊工程的成熟及推廣，鋼結構空間結構體系也漸漸應用到普通公共民用建筑項目中。中學體育館的籃球訓練館需求33x46.2m的無柱空間，由于建筑需求籃球場館有大量的自然采光，屋面需開設將近屋面面積一半的采光天窗，采用正方四角錐螺栓球節點網架結構，主要桿件為圓鋼管。很好的解決籃球場館自然采光的需求，給予室內空間寬敞通透的視覺感受。

初中教學樓和初中綜合樓之間需有一連廊聯通，并要求連廊下室外空間達到無柱效果。連廊跨度30.9m，采用空間鋼桁架結構體系，利用連廊建筑層高4.1m作為桁架高度，將桁架桿件控制在較小的規格還能很好控制整體撓度。很好的滿足了建筑愿景，又達到經濟性目標。

操場看臺頂構架需根據建筑需求，單排柱，兩側懸挑，單面懸挑達到了8.9m。采用平面懸挑桁架體系，使桁架懸挑根部高度1m，遠端0.4m。構件整體尺寸很好的實現建筑輕薄簡單的訴求。

6 結語

本文通過實際項目對大型綜合學校這類建筑功能多樣化的項目中的結構實現經行了總結，主要得到以下幾點結論：

6.1 深入理解建筑功能需求，根據建筑體量、層數及建筑功能布置合理選擇結構體系;

6.2 對建筑平面過于復雜的建筑需對其經行規則化處理;

6.3 對有大空間無柱需求的部位，如結構跨度不大于30m，或室內環境潮濕環境下可運用預應力混凝土技術來解決混凝土大跨的承載力不足、裂縫開展過快、撓度過大的問題。

6.4 對有更大無柱空間需求的情況，可采用空間鋼結構體系。

參考文獻：

[1]GB50011-2010建筑抗震設計規范[S].2016年版.北京：中國建筑工業出版社，2016.

[2]JGJ7-2010 空間網格結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.