试论未来科技城学校的建筑结构设计

摘 要 通过对浙江未来科技城第二幼儿园九年一贯制学校项目的介绍， 探讨混凝土斜屋面的设计方法，对大坡度斜屋面的施工工艺做法进行研究和分析并结合工程实践，对施工时采取的措施进行阐述。

关键词 斜屋面;计算模型;软件分析;构造措施;施工工艺

1工程概况

未来科技城第二幼儿园九年一贯制学校位于杭州市余杭区未来科技城内，本次第二幼儿园、九年一贯制工程由幼儿园、小学及中学组成，总用地面积为41667.87平方米，总建筑面积为47190.93平方米，其中地上建筑面积为28790.93平方米，地下建筑面积为18400平方米。（见图1）本工程主要由小学教学楼、初中教学楼、食堂、办公、看台、传达室及幼儿园组成，层高2～5层，框架结构。幼儿园、小学田径场地下设有地下室一层。整个工程于2016年开始设计，2017年10月结构封顶并通过结构验收，中学楼斜屋面坡度最大为 54度，小学斜屋面坡度最大为44度，幼儿园斜屋面最大坡度为53度见下图1[1]。

2结构设计

2.1 结构软件分析

在结构软件方面，ANSYS有限元软件，SAP2000及ETABS与PKPM软件进行分析的结果与PKPM软件的计算结果对比已证实PKPM分析是合理的，该项目采用计算PKPM版本（V2.2）中可以在结构分析时考虑屋面斜板对结构整体刚度的贡献，并自动将坡屋面的斜板定义为弹性膜进行分析，能较好地模拟结构的整体受力状态。实际工程中可以将斜屋面定义为弹性膜，只计算楼板的平面内刚度，这样对梁的弯矩和配筋的减少的影响会比定义为弹性板6的情况降低，上下支撑梁考虑了斜屋面的推力，并对其抗扭进行加强现有的软件技术手段，可以让结构工程师按着实际模型进行建模，在PKPM设计斜梁和斜屋面结构时，不能完全照搬平屋面设计的参数，否则会影响计算结构的准确性，降低斜梁斜屋面结构的安全度。

应注意以下几个计算特点：

（1）荷载输入时，由于PMCAD中“荷载输入”只有沿水平和垂直方向的荷载，所以对于斜梁和斜板等倾斜构件，应输入倾斜构件沿水平和垂直方向的荷载，并不是沿倾斜方向的荷载。

（2）地震作用分析方法，选用地震作用分析方法时，应注意采用“总刚分析方法”，不应采用“侧刚分析方法”。

斜屋面采用PMSAP核算，上下支撑支撑梁考虑了斜屋面的推力，并对其抗扭进行加强。计算模型见图一：

2.2 结构计算结果

本工程的各单体计算结果满足规范要求。中学部分主要计算结果见下表：

2.3 斜屋面和斜梁的构造措施

斜屋面对整体结构体系的刚度贡献是真实存在的，无论结构工程师在设计中是否按真实模型，或者选取何种弹性板算法，而且已证实跨度越大，屋面越陡、斜屋面板对框架的内力和刚度影响越大，所以应在完成斜梁和斜屋面计算后，采取一些特殊的构造措施，也是结构工程师需要考虑的重要方面。

（1）斜屋面钢筋：由于斜屋面的空间作用和平面内外的综合力，斜屋面板不仅需要抗弯设计，也应适当加强其抗轴力措施，而且支撑斜屋面的斜屋面梁也承受一定的轴力作用.斜屋面应双层双向贯通配筋。

（2）斜屋面板钢筋锚固：若采用折板弯折交汇形成交错斜屋面，注意板钢筋采取逐层交叉锚固形式.若弯折角度过大，使斜屋面板承受较大轴力，在板弯折部位应采取加强措施，加大弯折节点截面尺寸，加纵筋和箍筋，弯折角度很大的斜屋面板.屋面折角为应力复杂处，两边板上部钢筋应锚固于折角处梁或暗梁内。

（3）暗梁设置：完全按梁板体系处理坡屋面对施工及设计都较复杂，当然可对其加以简化，在凸凹折角处，当角度较小时，可考虑板的平面刚度，在折角处均设暗梁即可[2]。

3施工工艺及施工措施

斜坡屋面板厚度和混凝土的坍落度有很大关系，本工程坡道在20～54度，设计厚度应达到120mm，这是因为在混凝土振捣时受混凝土的自重以及混凝土的坍落度影响，可能最高处的混凝土厚度偏薄，水灰比过大，混凝土将产生较多的细水通道，抗渗性能下降，同时容易产生裂缝。水灰比过低，容易产生蜂窝等缺陷。以上情况均将直接影响屋面结构的防水性能。施工方法上不在单独采用板底支模，坡度较大时采取双侧支模，以确保混凝土的浇筑质量。

根据斜屋面倾角大小按40度分界，采用不同的施工方法。

对于40度以上的斜屋面主要考虑混凝土浇筑时的流动性大、不易成型，采用类似剪力墙的双层夹模体系，为保证混凝土下料后流动顺畅及便于振捣，沿坡面在上面层模板分段设置水平向混凝土浇筑槽，待下层各坡面混凝土对称浇筑完成、振捣充分后，封闭本段预留槽，转入上层混凝土的浇筑。这样逐层对称浇筑、逐层封闭，直至浇筑结束。

对于40度以下的斜屋面主要考虑浇筑时混凝土料向下缓慢流淌，密实度、厚度、标高不易保证。采取沿两侧破脊线设置纵向钢筋引导导轨，坡面间隔2米设置混凝土截留网，实现了分块浇筑振捣，保证混凝土的成型质量。由于坡度较大，对施工人员的专业技能、工作经验以及心理素质等都是一个较大的考验。掌握建筑工程较大坡度斜屋面渗漏问题的成因，采取积极有效的防治措施以避免渗漏问题的发生是非常重要的。

脚手架的搭设需能抵抗水平推力作用，因斜屋面在浇筑时，自重及施工荷载均会产生水平分力，由于混凝土尚未凝固，结构本身无法平衡此部分荷载。因此搭设脚手架时需充分考虑这不利的影响，以免施工时出现倒塌事故[3]。

4结论与建议

本文主要阐述了斜屋面工程中斜梁和斜屋面的建模方法，计算特点以及不同于平屋面结构体系的特殊构造措施，结构建模时尽量采用真实模型进行建模，考虑斜屋面面内和面外刚度，在PKPM中斜屋面采用弹性膜算法，总刚分析方法，跨度大时增加水平拉梁，高低跨时采用层间斜梁方法，建立起真实模型的斜屋面结构，PMSAP核算，對于大坡度斜屋面根据坡度采用不同的施工方法，对于大于40的坡度采用双层模板，设置混凝土浇筑槽，对于小于40度的坡屋面采用导轨与截流网将屋面分割成块，对称浇筑，既保证了混凝土的施工质量，又降低了施工中的安全风险，取得良好的效果。

参考文献

[1] GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3] GB50009-2012.建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

作者简介

陈伟（1983-），男，浙江杭州人;学历：研究生学历，中级职称，现就职单位：浙江省建筑设计研究院，研究方向：建筑结构设计。