大跨度高层门式建筑设计的技术要点

2021-04-01曹侃

中华建设 2021年7期

曹侃

门作为建筑的基本构成元素之一，具有自身的功能属性，同时也具有明确的象征意义，建筑师们从美学的角度出发，将“门”在历史沉淀中演化而来的各种造型提炼出来，创作出各式各样的“门式建筑”。现代建筑中，门式建筑以其具有象征意义的造型，通常成为特定区域的地标性建筑。为取得大跨度门式建筑中使用功能与建筑设计理念的平衡，建筑设计方面的技术要点变得尤其重要。现有研究对平面布局、空间设计、结构选型等技术要点做了大量理论分析。然而，由于“门式”建筑设计要兼具“标志性”“象征性”与“实用性”等要求，在实践中的难点往往超前于理论研究。基于此，本文以醴陵华瓷汇产业园总部大厦为例，探讨大跨度高层门式建筑在设计中的技术要点，通过案例分析来丰富现有的门式建筑设计研究。

一、项目综述

华瓷汇产业园总部大厦位于湖南省醴陵市，是醴陵“中国陶瓷谷”以及整个经济开发区的核心总部基地，也是“一区一谷”的重要门户。建设方“华联瓷业集团”是醴陵市陶瓷产业的龙头企业，全球最大的日用陶瓷生产企业之一，拥有全世界最完整的彩色陶瓷色谱和最丰富的陶瓷造型模具。基于项目特殊的地理地位和鲜明的企业特色，总体建筑体现了“世界最全‘色谱’与世界最大‘模具’”两个象征意义，并以此作为核心构造元素，组成大跨度高挑空的高层门式建筑。建筑总长度162m，宽度40m，西侧部分87m，东侧部分39m，中部以拉开的模具造型形成高42m跨度36m的门式空间。

二、总平面设计

建筑在满足规划退界的前提下，充分利用临街面做连续的消防登高场地，并在场地内部形成环形消防车道。而对于长度超过了160m的建筑需设置中间穿行的消防车道，门式空间将建筑分为东西两部分，中间有条件设计满足消防车通行的隐形消防车道，也满足了规范上的需求。

三、建筑平面设计

建筑在三层和十层的位置联通，其余部分均通过“门”式造型空间将建筑分成东西两部分。联通部分的防火分区如何划分、疏散距离如何控制是需要重点关注的问题。

“门”式空间跨度36m，中间无法实现垂直交通，如果将联通部分与东西两侧垂直交通作为一个防火分区。受限于疏散距离和防火分区面积的要求，西侧部门需要增设一个防火分区，并需增加两部楼梯和一部消防电梯，而增加出来的垂直交通，对于其他中部断开的楼层则没有太多实际意义。

因此，设计中在联通层将防火分区界面设计在联通区中间部分，优化疏散楼梯的位置，用以满足疏散距离的要求，并合理控制各个防火分区的面积，使联通层与中空层都保持三个防火分区，让消防疏散达到最优。

四、结构选型

钢筋混凝土框架结构梁无法满足大跨度的设计要求，预应力混凝土框架梁虽常用于大跨度框架结构，本项目的跨度也恰好在预应力混凝土框架梁的经济跨度范围内，但混凝土结构自身重量较大，15～20的跨高比对建筑层高的要求比较高，因此设计中在大跨度挑空部分采用钢结构，而其他部分采用混凝土结构，使建筑整体形成混凝土结构与钢结构结合的横向混合结构体系。

与常见的高层大跨度门式建筑（如东方之门、拉德芳斯之门）整体采用钢结构不同，混合结构体系即满足了大跨度的空间要求，经济性也能得到保证。

五、空间设计

1.悬挑部分的空间设计

与常规的现代高层门式建筑中设计结构加强层不同，本项目共十层，钢结构体系仅用于中部大跨度区域，长度约为建筑总长度的1/5，同时考虑到建筑内部的空间使用需求，不形成高差，因此不适合在该区域设计整层的结构加强层。结合陶瓷模具造型与建筑之间的空腔，设计4根钢结构柱，形成虚拟端柱。

在中部悬挑梁的选择时，为了最大程度上缓解结构的高度对建筑空间的影响，经过结构专业的精细计算和对比，从空间尺寸、造价和施工作业的角度充分比较筛选，最终采用了钢桁架-支撑+普通窄翼缘H型钢梁的结构形式，使建筑整体在不出现明显层高变化的情况下，满足建筑内部空间的使用需求。

2.悬挑部分的镂空设计

单纯的门式造型不能完全表达出建筑设计想要体现的内涵。建筑分别在三层和十层联通层的中部设计了“一圆一方”两个透空空间，并在三层中空处设计了一个矩形树池，取自“上通天光、下采地气”之意。

六、技术措施

1.楼板变形缝

整体结构体系采用横向混合体系，出于对两种结构在伸缩、沉降、抗震方面要求不同的考虑，在两种结构体系交界处设置一条宽度为400mm的能够满足最大缝距要求的变形缝。而建筑西侧混凝土结构长度达到80m，根据《混凝土结构设计规范》中要求，“为减小由于温差（早期水化热或使用期季节温差）和体积变化（施工期或使用早期的混凝土收缩）等间接作用效应积累的影响，将混凝土结构分割为较小的单元，避免引起较大的约束应力和开裂，因此需要设置伸缩缝来削减混凝土的温度应力”。

而为了保持项目的整体性，设计中采用了混凝土膨胀加强带来取代伸缩缝。在西侧建筑中部混凝土收缩应力最大的部位设置2m宽的混凝土膨胀加强带；在加强带的两侧竖向绑扎密目钢筋网（一般网孔为5mm×5mm），将带内和带外区域分开，防止带外混凝土进入到加强带中；带中混凝土采用膨胀率为0.03～0.04%的微膨胀混凝土，使混凝土工程可以连续浇筑，同时省去了后浇带内部清理工作和防水设施，缩短了施工周期的同时也降低了施工成本。

2.屋顶变形缝

为了保证顶部联通层的使用高度，建筑设计中将中部钢结构部分提高，使钢结构梁底与混凝土梁底保持同一标高。钢结构主梁高度为1400mm，混凝土结构部分主梁高度为700mm。为了确保屋面变形缝的防水高度，减轻顶部荷载，钢结构屋面浇筑600mm高女儿墙，墙顶与混凝土顶板形成了1300mm的高差。建筑外立面设计了高度为1800mm的幕墙，女儿墙高度为1700mm，这会导致混凝土结构部分与钢结构部分的女儿墙高度不一致。

同时，为了保持整个屋顶的连通性，还需要设置楼梯解决三段结构的屋面通行。那么两种结构屋顶的变形缝如何处理，楼梯的搭接位置如何确定是需要着重考虑的问题。关于此的相关要点有：

（1）将临近钢结构一侧的混凝土结构女儿墙设计为1300mm的高度，使两个屋面的女儿墙高度保持一致，在混凝土结构顶板上设计钢楼梯，两段女儿墙在顶部设计满足楼梯宽度的缺口，缺口底部高度比钢结构屋面的建筑完成面高150mm，楼梯上部标高与缺口处的女儿墙齐平，错开变形缝的位置。

（2）两段女儿墙中间使用保温材料填充，女儿墙顶部变形缝按照标准图集实施。需要注意的是，常规上屋面女儿墙防水做法是在满足泛水高度的位置设置盖板，并固定好防水卷材和防水附加层，本项目为了满足楼梯通行，不能采用高低墙变形缝做法，因此设计中将防水材料直接从混凝土底板敷设至女儿墙顶部，留出变形余量后，继续延伸至钢结构屋面，并在角部做防水附加层。钢结构屋顶通过固定栏杆来限定通行路径，用以解决钢结构屋面女儿墙高度不足所产生的安全问题。

3.屋面排水

由于钢结构屋面与混凝土结构屋面的标高不同，雨水管不能穿越变形缝，屋面整体雨水排放系统被分成三段，因此建筑整体设计为雨水内排水系统。钢结构屋面在南北两侧设置两条排水沟，每条排水沟内设置4根落水管。由于钢结构部分为大跨度中空空间，因此设计中雨水管在十层的吊顶内部并管，由屋面的8个雨落口合并为4根雨落管，并通过中空空间的造型柱内部排放至室外雨水管网。