中小學建筑大跨度樓蓋選型分析

蔣興笠，錢解煌，胡亮，胡懿 （深圳市建筑設計研究總院有限公司合肥分院，安徽 合肥 230000）

0 前言

隨著中國特色社會主義進入新時代，我國社會主要矛盾已經轉化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發展之間的矛盾。中小學建筑作為培養共產主義接班人的搖籃，人們對中小學的建筑的功能及空間需求也越來越高。新建的中小學建筑中，風雨操場、體育館、報告廳、圖書館等單體中往往都會設置高大空間，對于混凝土框架結構，樓蓋既要承受豎向荷載（含自重及使用荷載）并傳遞給框架柱，還負責協調框架柱在水平荷載作用下的側向變形。與結構總自重相比，樓蓋結構自重大約可以占到其一半左右，樓蓋結構的造價則一般可達到土建總造價的20%～30%。因此樓蓋結構體系選擇非常重要，適宜的樓蓋結構形式可以減輕整體結構的自重，減少豎向荷載及地震荷載，使結構受力更為合理，從而可以減少材料用量，降低工程成本，此外合理的樓蓋結構形式還能增加室內使用凈高，所以樓蓋結構選型具有非常重要的現實意義[1]。

根據上述背景，以下以合肥地區幾個不同的中小學建筑大跨空間樓蓋體系類型為例，對比各種不同大跨樓蓋體系的優缺點，并分析各種大跨樓蓋體系的注意事項及適用范圍，希望能對今后的工程設計提供一定的借鑒意義。

2 工程實例

2.1 單向梁大跨樓蓋案例分析

2.1.1 工程概況

合肥某小學綜合樓報告廳在地上一層，層高4.5m，報告廳底板結構隨坡，下方為地庫，屋面為室外活動平臺，尺寸為31.2x19.2m；采用框架結構（重點設防類、框架抗震等級二級、大跨框架抗震等級提高為一級）；屋蓋采用單向梁樓蓋形式，梁截面為400x1300，間距3m。詳見圖1。

2.1.2 分析總結

①適用范圍：跨度18～24m左右非種植屋面，單向梁間距3m左右。

②注意事項：a.大跨樓蓋抗震等級應按規范要求提高一度取值；b.應特別注意撓度變形控制，明確要求預起拱；c.盡量避免柱頂在一方向無拉結現象；d.報告廳梁高要控制，保證最不利點凈高。

③在保證結構安全適用的同時，注重建筑體驗，包括建筑美觀、空間感受、聲、光等要素。

④各專業間應協商優化，在層高限定的情況下做到凈高最優。

2.2 預應力混凝土大跨樓蓋案例分析

2.2.1 工程概況

合肥某小學綜合樓屋面總層數2層(二層帶夾層)，其中一層為食堂，二層為籃球館，由于籃球場凈高要求，籃球場上空屋面形成37.0×20.0m的大跨上人屋面；采用框架結構（重點設防類、框架抗震等級二級、大跨框架抗震等級提高為一級）；屋面結構采用雙向主次梁樓蓋模式，并在短跨主梁施加預應力，預應力梁截面為500×(1400～1600)mm（結構找坡，梁底平），間距9m，另一方向梁截面為300×600。詳見圖2。

2.2.2 分析總結

①優點：相對于普通混凝土樓蓋，能大幅減小梁撓度變形。

②適用范圍：荷載較重的大跨屋面（包含種植屋面、使用荷載較大的功能房間樓面等）、對梁高及變形控制較敏感的情形。

③注意事項：a.大跨屋面抗震等級應按規范要求提高一度取值；b.預應力混凝土強度等級不宜小于C40；c.考慮到預應力損失以及施工誤差，預應力梁中普通配筋應適當超配。

④預應力宜施加在主梁上。

圖1 單向梁大跨樓蓋案例

圖2 預應力混凝土大跨樓蓋案例

2.3 交叉管桁架大跨樓蓋案例分析

2.3.1 工程概況

合肥某中學風雨操場，地上2層（局部設有夾層），層高9.5m，柱網尺寸8.1m，跨度24.3m，采用框架結構（重點設防類、框架抗震等級二級），屋面結構體系采用短跨倒三角形空間管桁架+長跨平面管桁架的交叉管桁架體系，上鋪鋼筋桁架樓承板。倒三角桁架的矢高1.500m，約為跨度的1/16。

2.3.2 分析總結

①適用范圍：主受力方向為單跨框架，跨度24m及以上的非種植屋面。

②注意事項：a.支座的形式選擇對內力分析有較大影響；b.模型中應正確處理桁架屋面與主體結構的連接。

③相對優點輕鋼屋面的優點：a.隔聲、防水較好；b.耐久性好，后期維護成本相對較低。

④缺點：a.現場感受桿件截面很大，不輕盈；b.現場焊接質量堪憂、節點施工質量難以保證。

2.4 型鋼混凝土梁大跨樓蓋案例分析

2.4.1 工程概況

合肥某中學綜合樓地上3層，建筑高度14.00m，主要房間柱距8.1x8.1m，采用框架結構（重點設防類、框架抗震等級二級、大跨框架抗震等級提高為一級）；因報告廳區域2層～屋面通高。形成了3跨×3跨（約24m×24m）的大跨度屋蓋。屋蓋的SRC主梁截面：500×1400～1760（結構找坡，梁底平）；型鋼截面：H800×300×24×20；型鋼柱截面：900×800，柱內型鋼截面：500×300×24×18，材質均為Q345B。

2.4.2 分析總結

①適用范圍：各種大跨屋面均可使用，可根據具體建筑條件及當地施工水平決定是否選擇該方案。

②注意事項：a.設計時應充分考慮型鋼穿筋影響，細化鋼筋排布圖，否則會使現場工人無法實施而影響到工程質量；b.為了方便工人操作，設計中要減少穿筋以及二排鋼筋數量；c.鋼骨距混凝土邊距宜適當加大，保證足夠的施工空間。

③優點：在混凝土結構內設置型鋼從設計計算角度可以解決很多超筋或是剛度不足的問題。

圖3 交叉管桁架大跨樓蓋案例

圖4 型鋼混凝土梁大跨樓蓋案例

④缺點：由于內嵌型鋼，梁截面會變得非常肥大，很可能會影響到建筑功能和美觀。設計時應提前與相關專業溝通。

2.5 密肋大跨樓蓋案例分析

2.5.1 工程概況

合肥某中學行政樓報告廳在地上一層，下方為地下車庫，屋面為上人保溫屋面，跨度為23.4×26.7m。采用框架結構（重點設防類、框架抗震等級二級、大跨框架抗震等級提高為一級），屋蓋采用密肋樓蓋體系，肋梁截面為200×1100mm，肋間距1.1m。

2.5.2 分析總結

①適用范圍：對層高有限制，凈高要求比較高的大跨屋面。

②注意事項：a.設計時應提前讓專業的廠家介入配合；b.膜殼的選用對最終的成型質量影響很大。

③優點：a.能較大幅度的減小梁高，可以獲得較好的空間效果；b.造價較經濟。

④缺點：a.對施工水平要求較高；b.結構安全儲備及抗震性能有待驗證。

2.6 輕型鋼結構大跨樓蓋案例分析

2.6.1 工程概況

合肥某小學風雨操場單體總層數2層，其中一層為食堂，二層為籃球館，由于籃球場凈高要求，籃球場上空屋面形成21.7x36m的大跨不上人屋面，項目前期作為售樓部使用。主體采用框架結構（重點設防類、框架抗震等級二級），屋頂采用平面桁架結構，上鋪金屬屋面板。桁架高度為1.5m，高跨比約為1/15。

圖5 密肋大跨樓蓋案例

圖6 輕型鋼結構大跨樓蓋案例

2.6.2 分析總結

①適用范圍：對造價比較敏感，后期能較好維護的大跨樓蓋。

②注意事項：a.屋蓋形式的選擇要結合功能、美觀、造價、施工等多方面考慮；b.支座的形式選擇對內力分析有較大影響；c.與鋼結構深化單位積極溝通，提前做好交底優化工作，有助于工程達到預期效果。

③優點：a.輕盈、經濟；b.造型可塑性強。

④缺點：a.防水、隔聲效果差；b.耐久性差，后期維護成本高。

3 結論

以上詳細介紹了合肥地區中小學建筑中大跨空間的6個不同類型樓蓋體系的結構設計案例，并分析了各種不同大跨樓蓋體系的適用范圍、優缺點以及注意事項等。后期設計時，可根據具體的建筑功能、造價預算、當地施工水平、后期維護水平以及業主其它要求進行對比分析，擇優選擇。