浅谈学校建筑中实现建筑愿景的结构技术运用

黄喆

摘要：近年来随着随着建筑功能需求的不断提高，结构设计对建筑使用功能及造型要求的完成度显的越发重要。文章主要以南京外国语方山分校项目为例，阐述实际工程中为实现建筑功能及造型需求结构常用的技术方法。

关键词：结构体系;预应力混凝土;钢结构;空间结构体系

1 工程概况

本学校项目位于南京市江宁区，学校由小学、中学两部分构成。小学区有礼仪长廊、小学教学楼、小学体育馆、小学食堂;中学区有初中教学楼、初中综合楼、国际高中、科学高中、中学体育馆，并配备有小学及中学宿舍，图书行政中心、博雅中心、STEM中心和千人会场等共享建筑。学校占地面积322亩，总建筑面积达到26万平方米。

如此规模的学校建筑群建筑使用功能涵盖了教学和生活的方方面面，对建筑群的细节展现提出了更高的要求，同时也对我们结构设计的实现度提出了高要求。

2 合理的结构体系

本项目子项较多，各子项使用功能较为复杂。各子项多為5～7层建筑，采用框架结构，结构冗余度高、抗震性能好、安全度高。具有可以灵活配合建筑平面布置的有点，有利于安排较大使用空间。具有合理的地震作用传递途径，具备良好变形能力和消耗地震能量的能力。

其中千人会场子项是一个小型剧院模式的建筑，建筑面积8千平米，建筑高度21.8m，5层，其一层建筑功能为开敞大空间食堂及餐饮配套，二层为一容纳千人席位的微型剧院，辅以排练室、休息室、化妆室，主舞台、侧台、观众厅、耳光室、灯光及音效控制室、台顶检修环道、舞台马道、面光桥等一应俱全。由于一层具有大空间食堂功能需求，整体建筑二层以上均呈现三面圆形形态，结构可布置墙体的空间几乎为零，无法于整个结构平面均匀布置双向墙肢。由于体量较小，经结构试算，最终没有布置墙肢而采用了框架结构。由于舞台和观众厅部位较为空旷，高差很大，楼板缺失很多，被开洞分开的各部分的连接较弱，在地震作用下各部分容易相对振动。在无条件采用框架-剪力墙结构的情形下，对此框架结构进行了中震及大震下的补充分析。对于各错层柱，穿层柱进行了加强保证其在设防地震下的承载力，并控制其罕遇地震下的位移角稍高于规范要求。并对观众厅斜向台座楼板及各标高被开洞分开的各部位楼板进行设防地震下的楼板应力分析，对应力较大部位针对性楼板加厚及配筋加强，保证设防地震下楼板有效的地震力传递。通过合理的结构体系选型，有效保证了建筑使用功能的需求。

千人会场剖面图

3 不规则平面的规则化处理

小学教学楼子项建筑长159.5m，宽82m，建筑平面呈现细长C型布置，并存在平面凹进。设计中通过设置抗震缝，在满足建筑使用功能条件下，将不规则的平面分割成多个规则平面。对局部薄弱部位，采取有效的抗震构造措施予以加强。

4 预应力技术的运用

预应力混凝土是指为了弥补混凝土过早出现裂缝而在结构承受外荷载以前，预先给混凝土施加一个预压力，来抵消或部分抵消该区域内正常实用阶段的使用荷载所带来的拉应力。民用建筑结构设计中使用最广泛的是预应力混凝土梁，即在混凝土受拉区，用人工作业将预应力筋张拉，利用预应力筋的回缩力使混凝土受拉区预先承受一部分压力。这部分压力被储存下来，当梁正常使用承受楼面竖向荷载时，竖向荷载产生的梁底或支座顶的拉力首先被受拉区混凝土中储存的压力抵消一部分，此方法很好的限制了混凝土的伸长，延缓或不使裂缝出现。

千人会场子项因观众厅池座处不能设置框架柱，池座上空形成27.8x27.0m的大跨结构，小学体育馆因篮球场的功能需求，篮球场上空也形成27x42m的大跨结构，中学体育馆子项为满足泳池的使用功能要求，泳池上空一层平面及二层篮球训练场部位均形成26.4x33m的大跨结构。考虑使用有粘结预应力混凝土梁。其中千人会场和小学体育馆大跨部位为屋面，面荷载较小，按短跨方向单项布置预应力混凝土梁，短跨主梁500x1600（4根），短跨次梁400x1600（2根）;中学体育馆大跨部位为篮球馆和一层活动场所，面荷载相对较大，按双向布置预应力混凝土梁，主梁500x1100（2根），次梁400x700（1根）。预应力筋直径15.2mm，极限强度标准值为1860MPa的低弛预应力钢绞线，其性能满足《预应力混凝土用钢绞线》的规定。张拉端及固定端均采用OVM锚具，端部承压板、局压网片满足局部承压和张拉设备要求。预应力混凝土强度等级C40，不掺加氯化物外加剂，预应力筋封端混凝土采用微膨胀细石混凝土。

预应力混凝土梁可提供普通钢筋混凝土梁更大的跨度，减小梁高，增加建筑使用空间高度，同时又没有对施工设备提出过高要求，对工期不会有太大影响。

5 钢结构空间结构体系的应用

随着钢结构技术在各跨度大、高度高等特殊工程的成熟及推广，钢结构空间结构体系也渐渐应用到普通公共民用建筑项目中。中学体育馆的篮球训练馆需求33x46.2m的无柱空间，由于建筑需求篮球场馆有大量的自然采光，屋面需开设将近屋面面积一半的采光天窗，采用正方四角锥螺栓球节点网架结构，主要杆件为圆钢管。很好的解决篮球场馆自然采光的需求，给予室内空间宽敞通透的视觉感受。

初中教学楼和初中综合楼之间需有一连廊联通，并要求连廊下室外空间达到无柱效果。连廊跨度30.9m，采用空间钢桁架结构体系，利用连廊建筑层高4.1m作为桁架高度，将桁架杆件控制在较小的规格还能很好控制整体挠度。很好的满足了建筑愿景，又达到经济性目标。

操场看台顶构架需根据建筑需求，单排柱，两侧悬挑，单面悬挑达到了8.9m。采用平面悬挑桁架体系，使桁架悬挑根部高度1m，远端0.4m。构件整体尺寸很好的实现建筑轻薄简单的诉求。

6 结语

本文通过实际项目对大型综合学校这类建筑功能多样化的项目中的结构实现经行了总结，主要得到以下几点结论：

6.1 深入理解建筑功能需求，根据建筑体量、层数及建筑功能布置合理选择结构体系;

6.2 对建筑平面过于复杂的建筑需对其经行规则化处理;

6.3 对有大空间无柱需求的部位，如结构跨度不大于30m，或室内环境潮湿环境下可运用预应力混凝土技术来解决混凝土大跨的承载力不足、裂缝开展过快、挠度过大的问题。

6.4 对有更大无柱空间需求的情况，可采用空间钢结构体系。

参考文献：

[1]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].2016年版.北京：中国建筑工业出版社，2016.

[2]JGJ7-2010 空间网格结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.