可持续理念在钢结构设计中的应用——厦门某可拆装钢结构停车楼设计

陈德平,杨彦

(厦门合道工程设计集团有限公司 福建厦门 361004)

可持续理念在钢结构设计中的应用
——厦门某可拆装钢结构停车楼设计

陈德平,杨彦

(厦门合道工程设计集团有限公司 福建厦门 361004)

厦门市某大型商城停车楼设计是在传统钢结构框架设计的基础上，引入“可拆装”的设计概念；并围绕“可拆装的设计”这一目标，研究了结构体系选型、板梁柱节点、构件的拆卸与组装等设计问题，从而实现建筑的异地再利用。可拆装设计是实现资源可持续发展的设计，本文阐述了此可拆装结构的设计方法，由此对可持续性建筑的设计提出了新思路，可供类似项目参考。

可持续;可拆装;钢框架-支撑;停车楼

E-mail:13095529@qq.com

引 言

钢结构以其轻质高强、造型丰富灵活等多方面优势广泛应用于现代建筑，相比传统建筑材料不仅应用更多元化，而且还是一种绿色环保型产品。一方面，钢材能回炉重新冶炼后重复使用，可达100%回收率；另一方面，钢结构构件可通过螺栓或其他便于拆装的方法进行连接，形成可拆装的钢结构，适用于临时和需迁移的建筑。

钢结构可重复使用、可拆装的特点恰符合可持续发展的政策要求，尤其可拆装的钢结构体现出结构设计中的可持续性概念。厦门某可拆卸停车楼就是在这方面的一个有益尝试。

1 项目概况

可拆卸钢结构停车楼位于厦门市仙岳路和嘉禾路交界处的大型商城旁。该商城一二期均已投入使用，现正筹建第三期项目。由于第三期项目的A、B、C三个地块项目均是利用一二期的室外露天停车场进行建设，故在三期项目的地下停车场未投入使用前，整个商城将出现停车位不足的情况，故业主决定在商城一期项目西北侧的B地块建设一座可拆卸式停车楼，解决三期项目建设过程中的商场停车问题，待三期项目完成后此停车楼还可迁移至其他城市的商城再次使用。

该项目的建筑方案是一座两层自行式直坡道钢结构立体车库，无地下室，总建筑面积为9403.239m2，建筑占地面积为4490.340m2，建筑高度6.55m，总停车位489个。建筑平面及立面均为规则矩形，楼梯等设备间设置在矩形两角，外立面设防撞栏板及栏杆，坡道两侧设全高防火墙。建筑整体视野开阔，自然采光通风，规则简洁的造型中透露出鲜明的现代感。

图1 项目效果图

2 项目的可拆装要求

本工程主要为解决第三期项目建设期间的停车问题，使用年限仅三～五年，若使用完成后直接拆除，将造成较大的资源浪费。应业主要求，本停车楼应设计成可拆装停车楼，在本建设地点完成使命后，迁移至其余城市的城市广场继续使用。

现阶段工程上应用的可拆装钢结构多用于建筑工地等野外作业临时用房的骨架，供一般的生产和生活使用，结构跨度及荷载均较小，使用时振动及噪音较大，舒适性较差。本工程为自行式停车楼，使用荷载较大，需考虑车辆行走时的冲击荷载，以及可停车屋面的防水问题，因此对于结构总体刚度、楼面整体性及楼面竖向刚度的要求较高。以土建的方式无法实现建筑结构完全可拆装，故我们引入了可拆率的概念。钢结构实现90%以上的可拆装率，即钢结构主构件全部可重复利用，次构件及连接件根据拆卸时的损伤程度，视实际情况部分重复利用。砼楼板实现90%以上可拆装率，即除部分因吊装、运输等原因损坏的楼板外，均可重复利用。砼基础不考虑再利用。

为满足该可拆率的要求，我们从结构体系选型、节点构造及楼屋面板的可拆装等方面进行专项设计及优化，在满足停车楼功能要求的同时兼顾经济、效率与安全舒适。

3 结构体系

本工程层高较小，结构型式简单，采用钢框架结构较为合适，要实现结构的可拆装，重要的一条是避免工地拼装节点中出现焊接的情况，所有节点应采用全螺栓的连接方式。但是采用全栓刚接节点会带来以下两个问题：一是螺栓数量较多，经济性较差；二是大量的摩擦型高强螺栓拆除时均应采用切除方式，拆除困难，且易损伤主体结构构件。鉴于这种情况我们采用钢框架-支撑结构体系，框架承担所有竖向荷载，柱间支撑承担水平荷载及地震作用。释放框架梁柱节点的转动约束，所有梁柱节点均采用铰接连接，使拆装变得简易方便；支撑与柱节点采用销轴连接；同时为加强楼面刚度，在柱间支撑对应的跨内设置楼面水平支撑，使其形成完整的受力体系。柱采用焊接箱形柱，截面尺寸为□300×300×12，考虑到结构的整体性，柱采用通高设置，不设可拆装点；梁采用国标H型钢，主要截面尺寸为HN396×199×7×11、HN446×199×8×12及HN496×199×9×14；支撑采用热轧无缝钢管，柱间支撑为D180×10，水平支撑为D168×8；楼屋面及坡道采用钢筋桁架现浇砼板并预设可拆装构造。基础形式为柱下独立基础，采用外包式柱脚设计。楼梯采用现浇混凝土板式楼梯，梯板部分不考虑可拆装。最终确定上部结构方案如(图2、图3)所示。

4 计算分析

本工程使用中国建筑科学研究院的PKPM系列软件进行设计，用STS模块建模，SATWE模块进行结构电算，计算结果：结构自振周期为第一周期0.3976s(X向)，第二周期0.3452s(Y向)，第三周期0.2921s(扭转)，竖向自振周期小于0.1s，可满足舒适度要求；X向最大层间位移1.74mm，Y向最大层间位移2.20mm；钢构件强度，稳定性及长细比等均满足规范要求。

图2 结构典型平面布置图

图3 结构典型立面布置图

由于结构型式较简单，本文中对电算不做具体描述，主要阐述结构可拆装的实现。

5 结构可拆装细部设计

本工程主要考虑上部结构框架、楼板的可拆装性，而对基础、楼梯等砼构件不再利用，这样在保证安全适用情况下将可拆装率最大化，满足经济合理及停车楼再利用的需求。

5.1 节点的可拆装设计

梁-柱及梁-梁节点设计。梁柱节点均为铰接，相比刚接形式可省去上下翼板处连接螺栓，所需螺栓数量节约近1/2。为提高结构的冗余度，主梁与柱节点设置双排螺栓，考虑其能承受部分次弯矩，次梁与主梁节点处仍用单排螺栓,如(图4、图5)。节点的拆卸是其可拆装性设计的关键，拆卸应不损伤主体构件，否则再组装的结构将存在种种不安全因素，或者构件根本无法再使用。针对这一关键点，我们采用以下措施：采用大六角头承压型高强螺栓，同时在腹板两侧都设置连接板。主要目的有以下两方面：一是大六角头的承压型高强螺栓工艺简单，对接触面的处理及螺栓的终拧压力要求较低，拆卸时可直接拧下，无需切割；二是设于螺母一侧的连接板可以有效保护梁腹板在拆卸螺栓时不受损。再次安装时，螺栓及连接板可视具体损伤情况部分重复利用，但作为主体构件的梁柱均可循环利用。

支撑节点设计。支撑为热轧无缝钢管，传统的支撑与节点区连接方式是采用等强焊接或栓焊连接，这一方法虽传力可靠但无法拆装；本工程中支撑节点设计为双剪销轴连接。如(图6)所示，同时对销轴开孔大小做出严格限制，避免开孔过大引起结构的晃动及不必要的噪音。这种处理方式不仅可保证传力可靠，而且造型新颖美观，作为立面外露节点恰融入建筑整体的风格设计。

图4 框架梁柱连接大样图

图5 次梁与柱连接大样图

图6 柱间支撑与梁连接大样图

5.2 楼板的可拆装设计

钢筋桁架楼承板是将工厂预制的钢筋桁架与底模钢板连接成一体的组合模板，有受力合理、抗震性好、施工便捷等特点，已在现浇钢筋混凝土结构、钢结构、高速铁路枕轨等领域项目得到应用。钢筋桁架楼承板可用于现浇楼板或预制楼板，由于车库对舒适度及楼板的整体性要求较高，且本停车楼二层顶板即屋面，其防水性也有较高要求，因此楼板首次施工选择采用现浇式并预留可拆装能力。

楼板可拆装能力的设计思路：在首次建造时采用现浇楼板，同时设置可拆拼缝，再次搭建时则作为预制楼板，相互拼接浇筑成一体。可见楼板的可拆装重点主要为楼板间拼缝设计及楼板与钢梁连接设计。具体而言：本工程所选用的钢筋桁架楼承板的基本宽度为600mm，底模钢板可相扣组合成更大宽度的楼承板，考虑到楼板拼缝数量及拆卸后的吊装能力，故使用双片楼承板和单片楼承板两种形式。同样为使得拆卸不损伤主体构件，我们在楼承板底模周边焊接角钢作为护角。设置分布钢筋及箍筋，并将箍筋与角钢护角焊接。楼板厚度为120mm，在楼板拼缝处，距板底80mm范围内用厚15mm泡沫板填塞，其上范围内为混凝土，并且在接缝处设置拉筋，楼面栓钉改为抗剪板，设于拼缝处。拆卸楼板时，根据楼板拼缝处标记的凹槽切割成单片或双片楼板单元，利用基本单元内设置的吊钩进行吊装。楼板再次拼接时，拼缝下部用钢板将角钢护角焊接起来成整体，拼缝上部按预制板构造连接进行钢筋连接及混凝土浇筑。楼板仅考虑一次拆装，若需再次拆装时，仅有部分无破损的楼板可继续使用。

图7 钢筋桁架楼板构造图

图8 楼板与钢梁连接大样图 图9 楼板拼缝大样图

5.3 柱及柱脚设计

本工程总高较小，设计时柱不考虑分段，以现有的运输及吊装能力可一次成型，故不设置可拆除构造，这样可提高结构可靠度；柱脚采用外包式设计，考虑到柱的重要性及柱脚的等强连接，不考虑其可拆装，而是在拆卸时于端部截断，再次安装时等强连接相同规格的管后按外包式柱脚施工。

6 结语

面对迫在眉睫的能源危机、环境危机，可持续性建筑的经济价值及生态、人类的健康利益早已不言而喻，建筑不应再仅仅追求高度、跨度的提高，而该努力摒弃高能耗、高浪费的粗犷生产方式，寻求建筑可持续发展的途径。Holcim可持续建筑大奖赛提出更广泛的可持续性，它认为“可持续性意味着对现在与未来，资源与耗能，需求与机遇之间和谐平衡之追求”。鉴于此，建筑的可持续不局限于新型材料、施工工艺或建筑使用过程中的节约能耗技术等，对建筑结构的设计也需融入可持续的概念，将环境、经济、文化及需求因素考虑在内，实现空间、资源、功能各方面的可持续性。

本工程在传统自行式停车楼的基础上融入新的设计概念，相比机械式停车楼从不同的角度诠释可持续的设计理念。本工程与机械式停车楼钢结构骨架的区别在于：可拆装钢结构停车楼是从土建结构设计上实现结构的拆卸与组装，不单纯是节点的连接方式，它包括结构体系选型、构造设计及人员的安全舒适多方面内容。同时本工程的优势还在于其不依赖机械设备，免去了设备运营和维护费用，更加安全可靠，可异地建设再利用，真正实现经济节能、可持续化。

[1]GB50017-2003, 钢结构设计规范[S].

[2]GB50009-2012, 建筑结构荷载规范[S].

[3]GB50011-2010, 建筑抗震设计规范[S].

The Application of Sustainable Idea in Steel Structure Design——Designing of A Removable Steel Parking Garage in Xiamen

CHENDeping,YANGYan

(Xiamen Hordor Architecture & Engineering Design Group Co., Ltd. Xiamen 361004)

On the basis of the traditional steel frame, the removable design concept was introduced into a parking garage of a mall in Xiamen. This project design studied some questions such as structural system selection, joints and disassembly and assembly of members, so as to realize removable and recyclable structure. Removable design is sustainable. This paper presented design method of removable steel structure, and also put forward new ideas for structural design of sustainable architecture.

Sustainable; Removable; Steel frame-bracing construction; Parking garage

陈德平(1974.04- )，男，高级工程师。

2015-05-18

TU318

A

1004-6135(2015)07-0035-03