浅谈综合体建筑结构设计难点及解决方案

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1、浅谈综合体建筑构造设计难点及解决方案作者：肖新来源：中华建设科技第10期【摘要】现代都市中，习惯快节奏的人们需要在一种以便、快捷、经济、集多种功能于一体的综合空间里，享有高效率的生活和工作，于是综合体建筑便应运而生。由于其超大的体量，复杂丰富的外立面造型，居于都市优越的地段，往往成为都市的标志性建筑。多重功能的集合，注定了综合体建筑的设计具有高难度，笔者通过总结近年的综合体建筑构造设计经验，对其构造设计的难点及解决方案一一剖析，供同行参照、借鉴。【核心词】综合体建筑；设计难点；解决方案Simple Talking about Difficulty and Solution of Archite

2、ctural Structural Design of Complex BuildingXiao Xin（Chengdu benchmark in the architectural design LimitedChengduSichuan610031）【Abstract】Modern city， the habit of fast-paced people need a convenient， fast， economic， multi-functional integrated in an integrated space， enjoy high efficiency of life an

3、d work， so complex building came into being. Because of its large body mass， complex and rich facade modeling， living in the city of superior location， often become the citys landmark. Multi-function set， doomed complex building design is difficult， the author through years of comprehensive architec

4、tural design experience， its structural design difficulties and solutions one by one for peer reference， reference.【Key words】Complex building；Design difficulty1. 前言（1）都市综合体是将都市中的商业、办公、居住、旅店、展览、餐饮、会议、文娱和交通等都市生活空间的三项以上进行组合，并在各部分间建立一种互相依存、互相助益的能动关系，从而形成一种多功能、高效率的综合体。一般酒店或写字楼与购物中心的组合是最基本的组合，我们称之为商业综合体（

5、图1）。（2）综合体建筑不仅要满足使用功能的规定，还需要满足更高品质的规定，构造设计难度相应的不断增长。综合体建筑中构造设计难度重要体目前：超长超大体量、大跨度大悬挑、大跨度大悬挑的扭转倾覆问题、楼板连接单薄问题、楼板舒服度问题、竖向构件转换问题以及造型复杂的大跨度采光顶和立面幕墙。（3）如图1所示，建筑中庭规定大跨空间，跨度一般在20米以上，30米也算正常，屋顶采光顶也是大跨的；二层以上内部步行街设立连通各层的扶梯，悬挑跨度一般在6米以上，10米也有。（4）内部步行街中间开洞，以大跨度连桥连通（图3），并也许是弯曲的连桥，使用过程中易浮现较大的振动响应。（5）初步的建筑方案还也许浮现连桥的宽

6、度极其狭窄，如果又是弯曲的连桥，极有也许只容许一根梁拉通，此时就会浮现倾覆的问题，此问题一定要在方案阶段与建筑充足配合，争取两根梁拉通，并采用抗扭性能强的梁构件形式，解决好大跨度梁的抗倾覆问题。如图4中，主梁采用了矩形钢梁，柱为钢管混凝土柱。（6）内部步行街区域往往也是设备管线最集中的区域，为了保证净高，梁高控制的规定也极其严格。（7）屋顶往往尚有绿植而覆土，荷载较大，进一步加剧了大跨和大悬挑部位的设计难度（图5）。（8）由于各层商业布局不一致，往往导致柱无法伸直屋顶，带来框架柱转换问题。由于商业综合体建筑常用柱网一般为9X9、9X11米等，还也许浮现18米以上的大跨度转换。（9）最后，商业综

7、合体的外围造型往往是非常复杂的（图6），幕墙与主体构造的连接以及主体构造设计时考虑幕墙支座荷载也规定非常严格。2. 现就商业综合建筑中最核心的技术难点分别讨论解决方案。2.1超长超大体量（1）商业综合建筑常由大面积的商业裙房和办公、酒店等塔楼构成，一般只在商业裙房和塔楼的相连部分设立沉降或抗震缝将两者分开，商业裙房则由于功能规定和立面解决等因素，被限制设立构造缝，这便规定构造设计时采用可靠措施解决混凝土收缩和温度变化带来的应力问题。（2）解决方式无外乎“抗”、“放”、“防”三种：抗：进行温度应力分析，增长楼板配筋，特别是通长钢筋，必要时还可设立楼板预应力筋。温度荷载的拟定1：构造温度荷载重要由

8、季节温差荷载以及收缩当量温差两部分构成。2.1.1季节温差：楼屋盖中面在施工和使用中所经受的温差为各地区计算季节平均温度T中与构造混凝土终凝温度T凝的差值。按下式计算：Tt=T中-T凝以成都某工程为例（表1）：2.1.2收缩当量温差：由于有竖向构件的约束，混凝土收缩会在水平构件中产生拉应变，可以把混凝土的收缩值换算成等价的温度差值作用，以便与构造温差作用进行综合计算。T= -y（t）/式中=1x10-5/为混凝土线膨胀系数，一般状况下混凝土极限收缩应变约为24x10-4，取90d后浇带封闭时混凝土收缩量占极限收缩量的60%1，则混凝土的收缩当量为：T=-2x10-4x40%/=-82.1.3微

9、裂缝折减系数：混凝土构件的刚度折减源自于其在凝结或受力过程中产生的微裂缝，一般工程此系数取为k=0.8 。综合上述三点，此工程最后的温度差值为：T=k*（季节温差+收缩当量）=-18.4 （屋盖）-12.8 （楼盖）最后作为工况输入程序进行楼板应力分析，可得到楼板的主拉应力值，配备相应的楼板钢筋抵御此拉应力即可。（1）放：在施工中采用措施，使应力得到有效释放，混凝土收缩得到补偿，例如跳仓法施工；合理设立后浇带、膨胀带等。后浇带设立应以便施工，不适宜穿越大跨度梁（12m）、型钢梁、转换梁等，大悬挑的相邻内跨也不适宜有后浇带穿越，间距宜控制在合理范畴。（2）防：建筑采用保温的构造措施，减少构造温差

10、；考虑屋面设音叉柱的方案；混凝土低温入模、低温养护；减小水灰比、改善水泥和砂石骨料质量；加强后期检测等。2.2大跨度、大悬挑的设计。商业综合建筑中庭是构造设计的焦点，大跨大悬挑都一般在此浮现，且设备管线多，对梁截面高度有较高规定。解决方式一般有预应力混凝土梁、型钢混凝土梁及钢-混凝土组合梁等构造构件形式。2.2.1预应力混凝土梁2：重要采用后张有粘结预应力梁。在一般混凝土梁内施加预应力并不直接增长受压区混凝土的高度，因此预应力梁并不会增长梁的承载力，这样也就限制了预应力梁的合用范畴，对于多数以承载力控制的转换梁或者受力较大的梁，预应力的构造形式并不合用，而以挠度裂缝控制的大跨大悬挑梁就非常适合

11、采用预应力梁的形式。（1）基于以上结论，在与否可以采用预应力梁的判断上，一方面判断该梁按一般混凝土梁计算与否满足承载力规定，且对框架梁来讲，配筋率宜在1.8%以内，悬挑梁配筋率宜在1.5%以内，否则引入预应力筋后配筋率过大。（2）在常规的商业楼面荷载下，悬挑梁的跨高比宜控制在1/7左右，大跨度连廊的跨高比宜控制在1/151/22左右。当构件的跨高比不不小于1/22时，建议合适放大梁底筋配筋率到3%4%，增长构件安全性，减小构件长期挠度，但要注意跨中混凝土上皮受压区高度不能超过限值规定，避免形成超筋梁。（3）构造布置时，预应力梁宜简朴规则传力明确，以常用单向梁布置为佳，避免与其她预应力梁或型钢混

12、凝土梁柱相交。在单向布置的楼盖中，尽量将次梁设立为预应力梁，既有助于控制变形，也利于抗震的规定。（4）预应力梁的张拉端一般设立在挑梁端头和后浇带位置，这样可减少设立张拉后浇块。（5）预应力索控制点标高要合适留有余地，过于精细的设计也许由于施工中的多种困难而无法实现，导致实际有效高度低于设计规定的有效高度，产生安全隐患。一般波纹管中心点最高点至梁上皮最小宜取150mm，当支撑梁的面筋达到3排时实际施工很难达到150mm的规定，此时宜取200mm。最低点距梁下皮不适宜不不小于150mm，不应不不小于120mm。2.2.2型钢混凝土梁3：由于在一般混凝土梁内置了型钢，相似截面的梁抗弯、抗剪承载力都得

13、到了极大的提高，与预应力梁形成了良好的互补，合用于大跨度转换梁，跨高比宜控制在1/20以内。其缺陷也非常明显，那就是造假高昂、施工复杂，当可以采用预应力构造或钢构造替代时，建议尽量不采用型钢混凝土构造。（1）型钢混凝土梁宜单向布置，避免与其她梁平面外相交，不开避免时应注意型钢截面宜不不小于相交的钢筋混凝土梁截面高度，使相交梁的上下纵筋能绕过型钢；型钢混凝土梁宜与框架柱正交，不适宜斜交；同步应避免与预应力钢绞线平面外相交。（2）规范给出的型钢保护层厚度重要从粘结强度、型钢局部稳定性和耐火、耐久性上考虑，整体偏小，便于施工的保护层厚度宜为：梁不不不小于150mm，柱不不不小于250mm（根据钢筋直

14、径、排数和根数、当施工困难时可再增长，如：300mm）（3）梁纵筋与连接板或加劲板采用焊接连接时，梁纵筋净距取6070mm，梁纵筋至连接板或加劲板的边距2030mm。柱纵筋直径d25mm时，宜采用机械连接接头。箍筋肢距不适宜不小于300，柱箍筋采用三级钢，体积配箍率至少可按型钢混凝土组合构造技术规程表6.2.2折减0.85。（4）为便于梁中型钢在柱子锚固，应在柱中设立与梁型钢翼缘等宽的构造型钢段，这就导致了梁上下纵筋与柱内型钢的关系问题，部分纵筋弯折后可绕过型钢，而部分纵筋不可避免的需要与柱内型钢连接，可通过连接板焊接、套筒连接等方式连接（固然也可在柱型钢翼缘上开孔让少量钢筋穿越，但开孔削弱型

15、钢，应控制数量）。若有多排钢筋，第二、三排建议控制纵筋数量使之能所有绕过柱内型钢（图7，与图7相应的不同截面型钢梁纵筋配筋见表2）。（5）根据上述钢筋排布，我们可以反算出多种截面的型钢梁在不同的配筋、不同型钢截面下所能承受的弯矩，前期初选型钢梁截面时我们就能根据初算的弯矩选定合适的梁截面。（6）如假定混凝土强度级别C30，钢材材质为Q345B，钢筋为直径32mm的四级钢（强度435MPa），A=150mm（图7），型钢翼缘保护层取150mm，对不同截面分别反算纵筋配筋为构造配筋，一排钢筋，三排钢筋，极限弯矩（理论值）时的抗弯承载力成果如下（表3中弯矩M单位为102KN*m）。（7）若计算得到梁

16、的弯矩为100X102 KN*m，根据表3，我们可以初步拟定所需型钢梁截面为800X1200，梁内型钢尺寸为H500X900X30Xhw（hw为腹板厚度，满足构造规定即可），由此还可以相应拟定型钢梁两端柱截面边长取到900mm以上比较合适。2.2.3钢-混凝土组合梁4：（1）具有自重轻、合用跨度大的特点，能充足发挥钢、混凝土各自的长处。对商业建筑中的大跨度连廊、天桥及楼屋盖均合用。钢-混凝土组合梁随着跨度不断增长，其控制因素分别为强度（稳定）、挠度、舒服度（频率和峰值加速度）；在常规的商业楼面荷载作用下，钢-混凝土组合梁的跨高比宜控制在1/25左右。（2）钢-混凝土组合梁宜单向布置，与周边构件

17、的连接一般采用铰接，周边构件可为型钢混凝土梁、或埋有构造型钢段的一般混凝土梁。其截面形式可采用H型和箱型。钢-混凝土组合梁也常用于连接不同塔楼之间的天桥，其支座形式常采用滑动支座或橡胶支座，在支座节点设计时需要根据地震作用预留足够的缝宽。2.3框架柱的转换问题。（1）上面型钢梁已经提供了一种解决方向，我们还可以采用调节构造布置，让多根梁共同承当转换柱荷载（图8）；空腹桁架转换（图9）；上柱与下柱错开不多时还可以采用斜柱或搭接柱（图10）等方式解决。（2）空腹桁架转换往往是运用整个建筑层高来作为空腹桁架的高度，运用两层甚至三层梁来实现转换，设计时应注意将这几层梁定义为同一施工顺序，施工时应等到这

18、几层框架梁混凝土均达到强度后再一次性拆模，从而实现几层梁共同受力。（3）斜柱和搭接柱设计时应重点关注水平分力的传递，有关梁板加大截面及配筋，并采用通长配筋的方式，建筑容许时还可设立斜撑。设计时通过楼板的应力分析及节点有限元分析，保证楼板和节点传力的可靠性。2.4大跨度、大悬挑的舒服度问题。商业综合建筑中一般涉及大跨、轻质和低阻尼构造，如大跨度连桥、中庭位置的大跨度狭窄楼板；如果设计不当，其梁板构造会在人的行走、运动和使用过程中浮现较大的振动响应，特别是当楼面自振频率接近人的步行频率时，易产生楼面共振，从而引起人体的不适反映5。2.4.1计算模型的选用。分析人行走引起的楼板振动舒服度时，可以简化

19、采用单层计算模型，对不同的楼层分别进行计算；当位于五层以上且柱变形较大时，需要考虑柱变形的影响，应采用整体构造计算模型。当构造平面布置较复杂时，计算模型需要进行合适简化。2.4.2不利振动点的选用。楼板的面积较大，在均布动荷载作用下，各点的振动响应不同，一般可根据构造平面布置的状况，选用楼板构造刚度较小的部位（挠度较大处）作为不利振动点，通过对不利振动点的振动响应判断楼板舒服度与否满足规定。根据建筑构造的使用功能，楼板舒服度的评价原则可采用自振频率和加速度限值的双控指标。2.4.3楼板构造自振频率计算。对于楼板振动舒服度来说，楼板构造自身的动力特性非常重要，而自振频率集中反映了楼板质量和刚度的

20、关系。自振频率与挠度的平方根成反比，挠度和变形计算采用荷载原则值，故计算楼板构造自振频率时采用的荷载均为原则值。此外，在人行鼓励的动力荷载作用下，混凝土的弹性模量要不小于静荷载作用时，因此在计算楼板惯性矩时，对钢-混凝土组合楼板和混凝土楼板，混凝土弹性模量可分别放大1.35倍和1.2倍。2.4.4荷载模型的选用。将人的活动分为两类，行走和有节奏运动。人行走波及的建筑类别涉及医院、居民楼、办公楼、教堂、商场、餐厅及人行天桥；有节奏运动波及的建筑涉及健身房、体育馆、舞厅和俱乐部。对于人行走，需要考虑恒载荷有效均布活荷载；对于有节奏运动，还需要计及参与活动的人的等效均布荷载。舒服度分析中荷载取值比构

21、造设计的荷载取值小诸多。2.4.4.1人行走荷载模型。研究表白简谐波随着频率的增长振幅逐渐减小，前三、四个简谐波构成了动力荷载的绝大部分，且可以忽视静荷载的影响，采用简化计算得到行走鼓励下的动力响应，人行荷载可只考虑前三阶荷载频率。且由于人行走的随机性，人群引起的动力荷载很少产生舒服度问题，因此可仅考虑单人行走引起的楼板振动问题。F（t）=P0icos（2fit+i）考虑前三阶荷载P0人的重量，一般取0.7KN；i第i阶荷载频率动力因子；fi第i阶荷载频率；i第i阶荷载频率的相位角；t时间；表7人行走简谐波的模型参数荷载频率阶数 i人行走fi /Hzii11.62.20.5023.24.40.

22、2/234.86.60.1/246.48.80.05/22.4.4.2有节奏运动荷载模型有节奏运动的人一般较多，不能用单个集中荷载来模拟，一般用等效均布栋荷载来反映其对楼板体系振动的影响。荷载函数用一系列简谐波来表达，可自振频率及时程分析计算中均布荷载原则值涉及恒载、有效均布活载荷和人的等效均布荷载，但由于有节奏运动场地一般较空旷，有效均布活载一般不考虑（有节奏运动作用下的荷载频率和动力因子见表8）。2.4.5舒服度阻尼比取值。根据材料和鼓励不同，阻尼取值也不同（人行走作用下的楼板构造阻尼比（%）见表9，有节奏运动下的楼板构造阻尼比（%） 见表10）。将荷载函数作用于最不利振动点，经时程分析得到峰值加速度，从而判断楼板舒服度与否满足规定。计算时荷载函数不适宜少于5个周期，步长取1/（72 fi）。参照文献1傅学怡. 实用高层建筑构造设计（第二版）. 北京：中国建筑工业出版社，.2张瀑，鲁兆红，淡洁. 预应力混凝土框架构造实用设计措施. 北京：中国建筑工业出版社，.3刘维亚等. 型钢混凝土组合构造构造与计算手册. 北京：中国建筑工业出版社，.4钢构造设计规范：GB 50017-S. 北京：中国筹划出版社，.5娄宇，黄健，吕佐超. 楼板体系振动舒服度设计. 北京：科学出版社，.