某辦公建筑結構設計方案探討

王炳煒（招金礦業股份有限公司，山東 煙臺 265400）

建筑結構設計是建筑行業中至關重要的一環，它關注的是建筑物的安全性和實用性，一個良好的結構設計方案可以保證建筑物的安全性、美觀度和舒適度。現代人們對辦公建筑的要求不斷提高，需要更加舒適、方便、實用、美觀的建筑空間，因此，必須改進結構設計方案，在提高建筑物設計水平和結構質量的同時，還可以提高人們的生活品質和幸福感。

1 建筑結構設計的意義

眾所周知，高質量的設計方案，不但能有效提高建筑物的實用價值，還能使建筑物的經濟效益和美感得到明顯提高，同時還能將建筑物的原材料浪費降到最低，有效地保護周邊環境，營造一個溫馨和諧的居住環境。現代建筑建設十分重視綜合效益和整體效益，如何利用建筑結構的設計，減少材料的浪費和成本，在確保建筑的穩固性、美觀性和耐久性的同時，更好地滿足不同類型、不同層次用戶的功能需求，已經成為了建筑企業十分關心的問題。與傳統的建筑結構設計方案相比，現代的建筑結構設計方案能夠有效地降低建筑施工成本，最大限度地利用材料，使得平面設計和布置方式更為完美。同時，對建筑結構中的各個部件和單元進行設計和重新組合，使其相互聯系，達到協同工作的目的。

2 實例分析

2.1 工程概況

案例工程占地6274m2，建筑總面積12348.73m2，容積率1.46，建筑密度為41.3%、綠地率為21.7%。建筑高度24.8m，其中地下一層，地上六層，地上建筑主要用途為：文秘、人防指揮、國土資源部三位一體的辦公樓，地下為車輛倉庫和器材房，戰時是人防指揮室。該項目選址得天獨厚，在山水之間，既可觀賞，又有私人空間，同時又能充分地保留原始地勢。建筑結構是將上下兩層的折疊式掩埋在山中，上層是一個三層高的方形箱體，箱體位于三樓之外12m處，使得箱體在錯位中保持均衡。該建筑運用諸多不規則平臺與懸挑方式，使得建筑與周邊山水、天空等景色相互融合。

2.2 結構參數與基礎設計

該工程的結構設計壽命為50年，安全等級為二級。根據《中國地震動參數區劃圖》規定，工程所在地震動峰值加速度在0.05g范疇之內，故此工程不對抗震設計進行考量。根據《建筑結構荷載規范》規定的基礎風壓力為0.35kN/m3，50 年一次的基礎風壓力為0.50kN/m3，地面粗糙程度為B 級。該工程土層分布詳情見表1 所示。基礎與樁基設計等級為丙級。通過對上部主體結構荷載與現場實際土層分析后，地基為⑥級的中風化泥灰巖。通過對施工場地的挖掘，在施工場地中央有一條約6m 的凹陷，經實地勘察，確定了施工場地⑥層深度最大，最大深度達到9m，地基采用鉆孔灌注樁基。樁端持力層為⑥級的風化泥灰色巖體，墩（樁端處）入土厚度為0.5m，墩（樁）長度為3m~8m。

表1 工程土層物理力學指標

2.3 主體結構設計

2.3.1 結構體系選擇

該工程的主體結構全長104.4m、寬35.4m、地上6層、地下1 層。根據施工的實際情況，認為現澆鋼筋混凝土框架結構最為經濟合理。然而，該工程建筑形式較為特殊，有較多折板和懸挑，尤其是東邊懸跨高為12.1m，由于高度的偏移，使其在建筑物的內壁上會有很大的附加應力，難以應用常規的現澆鋼筋混凝土框架。針對這種不規則或長懸挑的結構，通常可采用下列結構系統。

（1）鋼結構。傳統設計方法可以選用一般的鋼框架，即鋼柱+CRC+鋼梁。然而，由于其上吊的長度過大，會造成鋼柱和鋼梁的截面增加，對其正常工作造成不利后果[1]。為了克服梁高、變形等問題，在上部三個樓層可設懸挑式鋼桁式構型，由三個樓層聯合作用力，從而有效地提高了梁高和舒適性。但其缺點為：為了克服懸挑應力，必須設置一定數量的傾斜桿件，會對局部結構使用性能產生一定不利作用；鋼結構需要進行定期的后期維修；根據初步的調研，本地建筑公司沒有大跨度、高難度鋼材結構，由于業主和建筑單位都不愿使用鋼制構件，成為該方案被放棄的因素。

（2）混凝土結構。綜合各方面影響，提出一種傳統現澆式鋼筋混凝土框架，以解決長懸挑問題，并通過對梁柱高度進行調控，采用上層3樓布置的鋼筋混凝土結構，按建筑物用途需要，在箱體左右兩邊各設有一個縱梁，共有兩個。經分析，認為由于高強剪力，造成斜拉柱的橫斷面和配筋都偏大，使施工難度增大，同時也會對工程正常運行造成一定不利影響。同時，懸挑梁因其高度過大，在懸挑端處附近的數個跨中皆出現較大張應力。經分析對比，建議采用適當數量剪力墻取代斜撐，在懸挑端部的適當部位（例如樓梯等）處安裝適當的剪力墻，從而克服由于懸挑而產生的內部張應力，形成框架-剪力墻結構。經過大量的軟件對比，證明了該方案設計具有較強可行性[2]。

（3）懸挑段構造方式。在懸挑端兩邊各設置一對剪力墻，在必要位置上開孔，與樓層橫梁一起構成一個敞開型實心剪力墻，并由四個梁板構成一個整體，通過增加上下兩層的厚度，最終得到一個具有箱型斷面的實心桁架。本設計具有如下優勢：采用開孔剪力墻取代垂直縱梁，既不占建筑物面積，也不凸起墻體，不會對其造成任何影響；在懸挑末端處，采用了剪力壁，對其進行合理調節，使其應力集中程度大大降低，從而改善結構安全性；在懸挑端部適當部位還設有適當剪力壁，以抵御因偏吊而產生內向外應力，從而構成框架-剪力墻結構；采用常規的現澆混凝土，減少工程難度，增加工程穩定性。考慮到成本控制、后期維護、施工界面交接和施工技術等諸多方面，提出一套施工穩定、可控制現澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，其能夠充分地滿足設計師所提的“浮動箱”和“折疊式”概念，并有效地克服功能流線、成本控制、結構合理性等諸多不利條件的制約[3]。

同時，在本建筑設計當中嚴格遵守安全性原則，具有較高安全性的建筑結構設計能夠大幅提升建筑整體質量，切實增加建筑使用壽命，為使用者生命與財產安全提供有力保障。另外，建筑結構抗自然災害能力也應納入至安全性范疇之內，例如抗震、抗臺風等能力，因此，相關人員應在設計建筑結構設計過程中應將安全性作為首要遵循原則。

2.3.2 結構構件布置

在此項目中，剪力墻安裝數目與布置地點為關鍵因素，在結構規劃中，應考慮到建筑物需要與作用，并經過多個項目對比和分析，最后得出較為合適的方案。圖1和圖2為樓層建筑平面布置圖，主要是在兩個懸挑桁架、鄰近桁架的內部一層和一樓的升降平臺之間。該結構柱的橫截面積為800mm×1200mm。

圖1 2層平面布置圖

圖2 4層平面布置圖

2.3.3 結構舒適度驗算

由于此工程懸挑較大，為能夠確保此部分撓度與舒適度需求得到充分滿足，本文利用MIDAS 軟件對其進行變形與舒適性分析。經分析可以看出，最大變形都出現在懸挑最外面的中部，最大變形值為26.9mm，大約為吊桿的1/900，符合《混凝土結構設計規范》（即“混規”）所規定的限值，其舒適度超過標準規定，保證使用舒適度。另外，根據“混規”的規定，其起拱不低于0.2%L（L是設計的跨距），可以很好地彌補因吊頂而產生的變形。為保證安全，按規定，在工程建設的各個環節（包括土建工程完工并達到強度，卸載過程、卸載后、砌體與外墻完成度、裝修后等階段），對懸挑端部變形進行監控。在工程竣工后，將現場實際測量結果與理論值進行比較，結果表明，實際測量結果要比理論值稍低。在此基礎上，對樓頂的垂直振動和自振的加速度進行了分析（表2）。從表2 可以看出，在高層建筑的垂直振動中，每個樓層垂直振動頻率都不低于3Hz，而在垂直方向上，其最大的垂直振動峰值加速度都在0.05m/s2以內，滿足建筑標準規定的建筑舒適性[4]。

表2 樓蓋結構豎向振動加速度和自振頻率

2.4 施工現場控制與卸載方案設計

由于懸挑部分有三層，構件荷載較大，而且高度較高，屬大型支撐模板，通過與施工單位配合，設計多種支架結構，并進行比較和分析，經過與施工方充分交流并與專業人員商榷，最后得出如下結構形式：在懸挑端部外側下部布置3個垂直現澆鋼筋混凝土支架，在柱頂與懸挑底部位置分別設置鋼梁，并在各個梁接合點安裝一個千斤頂，共計35個。在工程建設中，所有懸挑件都由吊車支承，通過對懸挑件卸荷變形和裂縫進行分析和計算，給出具體的卸荷方法，按各千斤頂位置最后位移，分為5個階段進行卸荷，由內到外依次遞增，對各個構件變形和開裂情況進行實時監測。

3 結語

由于此工程頂部三層東側有12.1m的懸挑，在對成本、后期維護、施工交接點、實際施工水平等因素加以綜合考慮后，采用具有較強合理性、可控性的現場鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，同時通過開洞剪力墻與梁板組成箱型界面，實腹空間桁架對大跨度懸挑與梁高制約問題加以有效解決，此結構對建筑南側與北側立面與平面功能并未造成任何影響，實現結構與建筑的有效結合。