公共建筑結構設計要點探討

楊淑斌

基準方中建筑設計股份有限公司 安徽 合肥 230071

引言

如今，隨著我國不斷加快的城市化進程，全國各大城市都在推進大型公共建筑的建設，其中很多大型公共建筑已經投入使用，或者一些公共建筑正處于建設階段。城市居民的重要活動場所是公共建筑，其結構設計直接影響人們的整體體驗，同時也會對建筑的質量有嚴重影響。因此，需要重點探討公共建筑的結構要點，文章通過對大型公共建筑概念設計理念進行分析，主要目的是為公共建筑結構設計提供建議。

1 公共建筑結構設計要點探析

1.1 基礎設計

由于公共建筑具有建筑體量大、跨度大、基底面積大等特征，因此，在設計地基階段，對建筑基礎結構設計提出較高要求，在設計前期，需要仔細閱讀項目巖土工程勘察報告，分析地質條件和土層分布情況，通過經濟技術對比選用合理的基礎方案，如樁基礎、天然基礎。另外在設計階段，還需要根據地勘報告中地下水位、抗浮水位情況等條件判斷是否需要進行抗浮設計。常見的抗浮方案有：增加基礎埋深用于回填材料，增加配重、抗浮錨桿、抗拔樁等。

1.2 主體結構設計

學校、影劇院、體育館以及醫院等大部分公共建筑，屋面造型復雜，都具有復雜的空間結構，因此，設計人員分析結構受力比較困難，如果在主體結構設計不合理，結構設計概念有誤，存在質量安全問題，通常會導致安全事故出現[1]。所以在設計時，對主體結構進行概念設計，使主體結構要有足夠彈性變形能力。這樣，在出現地震等突發狀況時，整個結構保持彈性狀態，就可以提升公共建筑安全性。在實際設計階段，復雜的空間結構體系為空間桁架結構或者網架結構，材料采用高強、重量輕的鋼結構。需要分析計算結構整體模型，重點進行節點設計，使底部混凝土與空間結構具有可靠的連接節點，在荷載作用下與建筑上部屋蓋具有協同變形能力。協同作用是指上部空間結構與主體混凝土結構之間保持密切聯系，在結構變形或荷載的作用下，二者關系協同良好，共同抵抗變形或者結構荷載，最大限度發揮材料性能。另外，通過優化空間結構的節點設計、優化混凝土結構截面，降低鋼結構用量，減輕結構自重，減少建筑材料用量，使得公共建筑更加經濟環保。

具體來講，對一些公共建筑，其上部空間結構在荷載作用下的支座反力會通過連接節點傳遞到混凝土主體結構柱頂位置，通過利用相關結構分析軟件，對公共建筑混凝土結構進行結構計算與受力分析，同時還需要進行地震作用下的抗震性能分析。對于公共體育館建筑，在整個建筑結構結構中，主要荷載位于整個建筑的看臺部分。其主要的抗側力構件，是看臺的框架柱和斜梁。在結構布置時，需要將結構的剛度中心稍微偏移。另外，同時，為了降低看臺柱的計算長度，可以在不影響建筑功能的前提下，通過在建筑上部結構的框架柱柱頂及中間部位，設置多道聯系環梁等方法。這樣可以最大限度地促使結構剛度中心位置偏移，減少因為剛度偏心對結構整體穩定性的影響，使整個結構剛度得到提升[2]。

1.3 預應力混凝土梁設置

在一些公共建筑設計中，如果公共建筑功能或者需求較為特殊，還需要考慮建筑的使用情況，對樓板舒適度進行驗算。如體育館建筑，經常會有籃球、網球等劇烈運動，如果區域梁跨度過大，則就會出現比較強烈的豎向振動，為了增強樓板的舒適度，消除使用者的不安全感，避免發生共振現象，建筑結構豎向自振頻率需要大于3Hz[3]。除此之外，對于體育館建筑，其使用功能及跨度的要求，不允許設置結構柱。同時，還需要保證凈高的要求，可以同時設置混凝土預應力梁，保證結構安全的前提下，減小混凝土梁的截面。預應力是指通過提前對混凝土結構施加壓力，使結構產生的預應力狀態。通過設置預應力梁來充分利用混凝土和鋼筋的抗壓、抗拉強度，以減小或抵消外荷載所引起的拉應力，從而控制預應力梁的裂縫及撓度。

1.4 建筑頂部設計

1.4.1 建模。在設計建筑頂部時，需要對相關計算模型進行結構計算。一般情形下，需要單獨計算公共建筑的頂部，同時還需要實施建模計算，計算頂部與下部混凝土框架連接，總而言之，要以計算模型為核心，基于理論基礎上對計算結果進行判斷與使用，對整體結構進行分析與設計。

1.4.2 分析荷載。在對公共建筑頂部荷載進行分析階段，需要考慮建筑物的恒荷載、活荷載、風荷載，同時也要考慮到地震作用的實際情況，需要對上述荷載多種組合工況進行計算，如果建筑物在多地震帶，則還需要考慮雙向地震，其中包含豎向地震和水平地震。根據建筑所屬地理位置，選取合理的荷載參數，如基本風壓、抗震設防烈度、地震分組等關鍵參數。

1.4.3 附屬結構。建筑頂部的主要附屬結構，包含天溝支架結構和天窗支架，根據實際情況觀察，由于公共建筑的頂部支架接觸最多外界環境，容易受到外界溫度變化的影響，導致天溝拉裂出現漏水情形。附屬結構一般采用輕型鋼結構，包含槽鋼、檀條、壓型鋼板等。而檀條的結構主要包含實腹式結構和蜂窩式結構等，在項目設計中得到廣泛應用的實腹式結構。對于局部凸出屋面的附注結構，在設計過程中，需要對實際局部風荷載系數進行考慮，同時要加強局部分析，避免結構設計出現問題。

1.5 抗震結構設計

在結構設計中，抗震設計作為最重要部分，對于整個建筑的安全性有直接影響。目前最常用的抗震建筑材料為鋼結構，材料的抗震性能較好，且重量較輕，使建筑整體性得到提升，建筑抗震性能也有所提高。由于鋼結構材料具有較高強度，在地震作用下就會承受較大能量，且由于鋼結構的材料特性容易僅僅出現變形，則會導致整體結構倒塌、斷裂情況發生。

在抗震結構設計時，需要選取正確的抗震設防參數。從抗震概念上，要特別重視剛度突變、樓板開洞等傳力不連續現象，避免由于應力過于集中，對于建筑抗震性能有所影響[4]。因此，結構設計人員需要重視梁和柱節點核心區，以及梁和剪力墻、結構柱和剪力墻的布置等位置，這些位置結構布置不合理，上下剛度不連續，就會導致作用力的傳接不夠通暢，導致整個建筑抗震性受到不良影響。

2 公共建筑結構核心問題探討

公共建筑通常具有建筑功能復雜、人員密集等特點，不同類型公共建筑造型和功能不同，但結構設計的核心問題基本一致。醫療建筑是所有公共建筑中最常見的一類，下面就以醫療建筑中的醫院為例，探討公共建筑中結構設計的核心問題。

2.1 抗震設防分類

醫療建筑在搶救生命中具有非同尋常的作用，不僅在平時使用功能中作用重要，同時在抗震救災中也顯得尤為重要。因此，醫療建筑不僅需要滿足在大地震中不倒，同時，還能夠在地震之后繼續擔負起救援的重要責任。所以，對醫療建筑抗震設防進行分類，針對醫療建筑，確定其抗震設防分類標準，需要高于當地房屋建筑的抗震設計需求，使得醫療建筑在地震時也同樣具備使用功能不能中斷或盡快恢復搶險救災、救治生命的功能。

例如，對于醫療建筑中三級醫院來說，需要承擔較為重要的醫療任務的門診、住院用房，將其規為特殊設防類，醫院建筑中提高抗震設防，主要是提高醫技、門診和住院等設防。而僅僅用于教學的行政樓和污水處理站等地，均不在設防提高范圍之內，可按標準設防類進行抗震設計即可。

2.2 樓板設計

由于醫療建筑具有人流密集、設備較多等特征，因此一般選擇樓板的厚度為120mm，對于跨度和荷載較大處，可以適當加厚樓板，滿足受力及變形要求。如果有特殊防腐需求，則樓板的厚度不能低于150mm。

另外，由于醫療建筑具有復雜的工藝流程，同時房間功能存在不同，因此，在室內所配置的儀器設備也有所差異，所以在建筑醫療室階段，要重視荷載的取值，盡可能細致地確定不同功能房間的荷載，在結構設計中，需要根據建筑圖與設備圖提供資源，預留好屋面、重型設備和載荷載，避免未考慮荷載現象的存在[5]。

對于有特殊功能的房間需要考慮其特殊的結構布置和荷載需求，如CT高壓氧艙等房間，荷載需求較大，一般會設置在地下室頂板，或者首層地面荷載較強的部位，需要設置專門檢修管溝，樓板需要降板值高于300mm，低于700mm，在一般設備區域，需要設置鋼筋混凝土作為基礎設備，如果不是設備區域，則可以采用陶粒混凝土等輕質材料進行回填，需要考慮到降梁降板之后，下部凈高的影響效果[6]。結構設計時需要考慮回填材料的荷載。

除此之外，醫療建筑的設備在經過廠家深化之后，需要從發展角度進行調整，醫院在未來發展中，將會擴大規模，一般會擴充醫療設備，從此角度出發，考慮后期改造的可能性，為后期改造預留條件，結構設計配筋包絡設計。

在樓板設計時，還需要考慮設備吊掛荷載，由于醫療建筑中需要很多用水的點，部分房間有潔凈要求，除此之外，頂部樓板嚴禁樓板開洞走管線，因此，會有潔凈要求的房間頂部上層設置雙層板。

2.3 墻體設計

醫療建筑過程中，為了減輕建筑物自重，會選用輕質墻體材料，一般內部隔墻通常會應用蒸壓加氣混凝土挑板（ALC板）。但對于一些特殊的意義及用法，例如CT、DSA等，都有不同程度的防輻射要求，同時對于墻壁的材質和厚度也有一些要求，如果有防輻射要求的墻體，則需要采用密度大于15kN/m3，同時厚度要使用240mm的水泥，實心磚砌體不能出現缺損，磚縫處的水泥砂漿要飽滿。如果墻體有防輻射要求，則可以根據需求采用200厚至500厚的鋼筋混凝土墻，但是需要考慮到鋼筋混凝土對結構剛度是否存在影響，對于剪力墻墻不能落地的情況，還需要考慮荷載影響。可以在墻體外掛鉛板，或者在墻體分層涂刷鋇水泥，進一步提升墻體的防輻射能力。

如核磁共振房間需要直線加速器等功能，鋼筋混凝土墻的厚度需要大于1.2m小于2.5m，同時需要巨大荷載，可以在基礎層內設置荷載。同時在沒有防護情形下，直線加速器機房內的電磁輻射會導致周邊人員造成傷害。加速器室的混凝土結構需要避免出現射線穿透的裂縫，所以在澆筑大體積混凝土過程中，需要嚴格要求施工質量。在設計文件中需要考慮大體積混凝土處理方案，在選擇水泥階段，可以選擇水化熱較低的礦渣硅酸鹽水泥，可以參加少量添加劑。施工時，對施工單位進行交底，施工單位編制專項的大體積混凝土施工方案，采用連續澆筑方法。

2.4 設備運輸安裝

對于一些設備在安裝階段，需要考慮大型醫療設備運送寬度，運送通道寬度為3.0m，通道樓板荷載要按照設備荷載提資要求進行預留。進入CT 等房間，要在墻體預留門洞，設備進入之后封堵，一般情況下，預留門洞的尺寸要高于2.8m×2.8m，CT的預留門洞尺寸要高于1.5m×2.1m，如果設備運輸階段需要轉彎，也需要留出足夠的位置。

3 結束語

現如今，我國逐漸走向新型城鎮化的進程，因此人們對城市公共建筑的需求量逐漸增多，在設計公共城市建筑結構階段，需要考慮公共設施的安全性和穩定性，同時也要考慮公共建筑的舒適感，為人們提供理想的建筑，設計優質的公共建筑，對于社會長遠發展有重要價值，為其奠定良好基礎。