大跨度網監大廳結構設計研究

趙敏越 董 磊 姚文軍 趙宇娟

(中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080)

1 概述

通信網絡監控大廳一般設置于電信大樓里，是電信運營和維護者進行網絡監控、日常維護、指揮調度等活動的重要場所，要求有高大的內部空間，以設置滿足視覺舒適度要求的監控大屏幕，設置監控臺及指揮調度室。由此結構需要解決如下問題：監控大廳屋蓋的大跨度結構設計、大空間對大樓主體結構的削弱引起薄弱的驗算及結構補強設計、監控大屏幕荷載及與結構主體連接及其他項目的具體問題。

空間網格鋼結構即網架結構具有結構傳力簡單、自重輕、安裝便捷、構件工廠生產，便于標準化、規格化等優點；同時其結構形式較易滿足大跨度的建筑空間要求。在建材技術及計算技術飛速發展的今天，空間網格結構已廣泛應用于各種工業及民用建筑。在技術創新的時代浪潮下，空間網格結構應用于通信建筑的探索研究，相關技術發展成熟助力通信建筑整體技術水平的提升。網架結構與鋼筋混凝土主體形成組合結構可解決監控大廳所需的大空間問題，適用于抗震高烈度區，具有廣泛的應用前景。

鋼筋混凝土大跨度框架在低烈度區用于網監大廳屋蓋設計能很好地與大樓主體結構形成整體。整體采用鋼筋混凝土結構的，不需要進行鋼結構分包采購，實施方便。同時在控制跨度和承載力驗算的前提下，鋼筋混凝土框架屋蓋可應用于上人屋面，屋面上可根據需要考慮布置冷卻塔等設備。 本文通過實際工程設計過程的展示、對鋼筋混凝土大跨框架、空間網格鋼網架應用于網監大廳的結構設計要點進行分析，為此類通信建筑的應用和優化設計提供參考。通過不同適用條件下的兩種方案的對比，為大跨度網監大廳屋蓋結構設計的結構方案的選擇確定提供思路。

2 設計案例分析

2.1 空間網格鋼結構屋蓋案例工程概述

該網監大廳為全網絡網管某功能監控中心，大廳內設置有超大監控屏幕、操作控制臺區域、指揮觀摩室等。項目所在地為北京昌平,為8度抗震設防區,第二組,當地50年一遇基本風壓為0.45 kN/m2，場地類別為Ⅲ類場地。網監大廳設置于一棟四層鋼筋混凝土框架結構通信辦公綜合樓頂層及次頂層的中部。局部空間網格鋼結構屋蓋與下部鋼筋混凝土框架結構主體組成組合結構體系。鋼屋蓋采用正交正放四角錐螺栓球網架，上弦支撐。網監大廳跨度為33.6 m×42 m，見圖1。

2.2 鋼筋混凝土結構屋蓋案例工程概述

該網監大廳為廣西南寧五象某運營商某省網管監控中心，大廳內設置有超大監控屏幕、操作控制臺區域、指揮觀摩室等。項目所在地為6度抗震設防區,第一組,當地50年 一遇基本風壓為0.35 kN/m2，場地類別為Ⅱ類場地。

網監大廳設置于一棟16層通信辦公綜合樓頂層及次頂層的中部。主體結構為鋼筋混凝土框架剪力墻結構，網監大廳跨度為23.4 m×33.6 m，其中拔柱形成的大跨結構跨度為15.6 m。其上屋蓋為上人屋面且需要設置冷卻塔設備，采用鋼筋混凝土框架結構屋蓋，見圖2。

2.3 案例工程分析

案例一需要解決高烈度區超大跨度結構的實現問題，同時屋面為不上人屋面，采用大跨度網架結構來實現較為經濟合理。采用3D3S結構軟件對網架進行計算分析。規范JGJ 7—2010空間網格結構技術規程第4.4.1條在抗震設防烈度為8度的地區，對于周邊支承的中小跨度網架結構應進行豎向抗震驗算。對其他網架結構均應進行豎向和水平抗震驗算。本工程采用的3D3S軟件采用各種工況下38種荷載組合對用于屋蓋的網架結構進行地震作用下內力計算，采用內力包絡結果進行設計符合規范要求。

根據規范JGJ 7—2010空間網格結構技術規程第4.1.6條空間網格結構分析時,應考慮上部網格結構與下部支承結構之間的相互影響。一般網架支承條件有以下幾種情況:

1)空間網格結構直接支承在地面上;

2)空間網格結構各支座支承在柱子上，網架單獨作為建筑屋蓋;

3)空間網格結構直接支承在整體剛度和質量很大的混凝土結構上，空間網格結構屋蓋僅為屋蓋的一部分。本工程屬于第三種情況，對網架+鋼筋混凝土結構組合體系進行整體建模分析，主要分析網架結構對下部支承結構的影響。根據整體計算顯示下部剛度大質量大的大樓主體對網架結構的影響很小。

案例二需要解決大跨度結構上需要承載大型設備，屋蓋為上人屋面，采用鋼筋混凝土框架結構屋蓋，經濟合理。本工程采用PKPM建筑結構設計軟件對鋼筋混凝土結構進行整體計算分析，各項計算結果均滿足規范要求。計算控制關鍵點是樓板大開洞形成的薄弱層的位移，并取按剛性樓板假設及非剛性樓板假設的結果進行包絡設計。

3 結構方案

3.1 網監大廳結構工程案例共性方案

1)抗震設防分類：監控的網管中心屬于重要通信建筑。根據GB 50223—2008建筑工程抗震設防分類標準及YD 5054—2010通信建筑抗震設防分類標準相關規定，抗震設防分類為重點設防類(乙類)。

2)結構安全等級及結構重要性系數：根據YD 5003—2014通信建筑工程設計規范第3.2.2條1款：特別重要的及重要的通信建筑結構安全等級為一級。結構安全等級為一級，結構重要性系數為1.1。

3)對于主體結構設計方案處理：因網監大廳空間要求，次頂層樓板大開洞，形成平面不規則結構。需要在計算和構造設計方面進行處理。

a.計算時采用PKPM設計軟件建模對薄弱層進行驗算，取按非剛性樓板假定計算和剛性樓板假定計算的包絡結果進行設計。樓板大洞周圍形成的穿層柱進行特殊構件計算和設計，對穿層柱采用計算系數調整，設計參數調整的計算處理。無梁拉結的方向按兩層層高計算柱高，計算長度系XY向均取為1.25，同時構件抗震構造等級提高一級。

b.構造加強處理：該層開大洞周圍樓板加厚加強，及樓板雙層雙向通長配筋進行加強。樓板大洞周圍形成的穿層柱按角柱通長加密箍筋等措施進行加強處理。

4)網監大廳功能要求結構方案：網監大廳功能要求根據設備布置確定大廳地面荷載(在設備資料未有時可按6.0 kN/m2)，大屏幕所在墻面需考慮大屏剛架錨固及荷載(根據監控屏幕大小，綜合考慮屏幕重量及支撐鋼架和檢修馬道的重量，按實際重量考慮)。

3.2 設計案例方案特殊處理

3.2.1案例一結構方案

為達到建筑限高要求，將建筑限制在非高層建筑的高度范圍內，鋼網架結構采取上弦支撐，并縮小網架主體平面尺寸(網架主體平面覆蓋范圍縮小為41 m×33 m)、將網架鑲嵌入鋼筋混凝土結構主體的中庭空間中。超出中庭頂部標高通過檁條體系向四周懸挑滿足大廳42 m×33.6 m的平面覆蓋要求。網監大廳屋蓋結構根據當地抗震設防烈度，跨度大小，確定整體結構體系和桿件截面。考慮屋面板及其上防水、保溫做法，網架消防管空調風管等的懸掛荷載檢修荷載，并根據GB 50009—2012建筑結構荷載規范第5.3.1條：確定恒、活荷載如表1所示。

表1 網架屋面設計荷載一覽表

根據GB 50009—2012建筑結構荷載規范第8.1.2條及規范附錄E.5采用50年重現期的基本風壓0.45 kN/m2。并統一按照24 m高度輸入計算網架風壓高度系數。溫度作用考慮計算正溫差1：30.0 ℃，計算負溫差2：-30.0 ℃。考慮溫度應力影響結合支座豎向及水平最大反力選用平板橡膠支座。為便于生產安裝，平板橡膠支座的平面尺寸統一按反力最大的支座統一規格。

屋蓋結構方案的處理：整個結構方案傳力簡單，網架設計成對稱結構便于設置桿件、檢查計算結果和桿件設計優化，也使得網架廠家生產及施工更方便。結構方案需滿足建筑限高及網架下空間要求，滿足網管大廳內監控大屏幕、控制臺、指揮席等的功能要求。同時需兼顧屋面排水組織、建筑防水保溫處理等各專業配合問題。

3.2.2案例二結構方案

網監大廳屋蓋結構根據當地抗震設防烈度，跨度大小及其上需要設置大型屋面設備等情況，采用與主體結構一致的鋼筋混凝土現澆結構。根據本項目實際情況，考慮屋面設備重量及其上防水、保溫做法，并根據GB 50009—2012建筑結構荷載規范第5.3.1條確定恒、活荷載如表2所示。

表2 鋼筋混凝土結構屋面設計荷載一覽表

4 案例結構方案設計總結

根據以上不同結構網監大廳屋蓋的設計介紹，為進一步梳理總結，給出兩方案在結構跨度，抗震設防烈度等不同方面的對比。混凝土屋蓋結構施工較網架結構簡單便捷，較為經濟，且工期更短。其他方面的比較詳見表3。

表3 案例結構方案對比表

案例結構方案效果如下：

1)方案一較好的解決了抗震設防高烈度區，安全等級為一級的大跨度網監大廳結果設計問題，空間跨度達到33.6 m，監控大廳內部空間開闊。經濟效果良好，總用鋼量為51 t，每平方米用鋼量為36 kg。

2)方案二較好的解決了抗震設防低烈度區，需要利用大廳屋蓋頂部擺放大型設備，安全等級為一級的大跨度網監大廳結果設計問題，空間跨度約16 m，施工便捷，工期短，方案效果良好。

3)案例方案設計解決了主體結構因網監大廳空間要求樓板大開洞形成的薄弱部位的驗算和薄弱處構件設計加強問題。其中案例一為地震高烈度區大跨度網架結構與鋼筋混凝土組合結構，其中網架結構部分與主體結構部分協調受力與變形，整體抗震性能良好。

5 結論

本文通過對實際工程案例的設計總結，對不同基本抗震設防烈度區，不同跨度大小以及不同屋面設備擺放條件下，在主體結構因網監大廳大開間要求拔柱，結構削弱情況設計補強設計問題和網監大廳功能實現等問題進行研究探討，得出以下結論：

1)鋼筋混凝土框架屋蓋空間跨度較小。一般根據柱網設計情況按拔一行柱子考慮，跨度一般為15.6 m～16.8 m；空間網格鋼網架屋蓋適用跨度更大，當有更大空間要求時應考慮采用空間網格結構。

2)大跨度鋼筋混凝土框架屋蓋適用于低烈度區，因為自身重量大不容易滿足高烈度區抗震驗算要求。空間網格鋼結構屋蓋自重輕，自身結構特點較容易滿足高烈度抗震要求。

3)大跨度鋼筋混凝土框架屋蓋造價較低，可以與大樓主體一起實施不用進行鋼結構分包施工，施工較為便捷，工期相對較短。

4)在跨度滿足要求的前提下，經過承載力和抗震驗算，鋼筋混凝土框架屋蓋可以設置大型設備。而空間網格結構屋蓋承載力有限一般為不上人屋面。

5)由于網監大廳功能特點，兩種方案主體結構均形成穿層柱及樓板大開洞需要進行相關補充驗算及構造加強處理。

6)網監大廳功能要求根據設備布置確定大廳地面荷載(在設備資料未有時可按6.0 kN/m2)，大屏幕所在墻面考慮大屏剛架錨固及荷載(根據監控屏幕大小按實際重量考慮)。