大跨度公共建筑屋面鋼結構選型與設計研究

郁一帆

（杭州杭氧化醫工程有限公司，浙江杭州 310016）

0 引言

結構選型是結構設計中的重要組成部分，它是結構設計的靈魂，強調其與建筑使用功能、經濟造價之間的聯系探討，能夠保證建筑項目的順利開展。在大跨度公共建筑施工過程中應根據具體情況，對結構選型的各個環節進行細化思考，針對具體問題進行技術分析，為人們建造舒適、安全、可靠的現代化建筑。

1 大跨度建筑結構選型概念介紹

大跨度建筑結構是指橫向跨越60m 以上空間的各類結構形式的建筑，這種建筑結構常出現在影劇院、體育館、展覽館、大會堂、航空港候機大廳等建筑面積較大的施工項目中，如圖1 所示。建筑結構選型是指在建筑施工過程中對設備或零件選型，由幾種不同的設備或零件完成同一種功能，主要包括屋架、剛架、拱、薄壁空間結構、網架、網殼、懸索、拉力薄膜結構、混合空間結構等。在現代建筑結構設計過程中，建筑結構選型涉及的問題較為復雜，不僅要考慮到建筑設計的使用需求，還要考慮建筑的物資造價及進度控制。若建筑結構體系選型工作不到位，將會使得整個結構計算不準確，在建筑完工后其安全性及耐用性不符合相關標準。例如，對于高層建筑而言，其結構選型工作主要涉及結構體系與結構形式。由于高層建筑中包含大量鋼筋混凝土結構、鋼結構、鋼筋混凝土，且對其使用要求較高，在進行結構形式的選取工作時應考慮建筑的安全性與耐用性，考慮建筑成本，應滿足相關建筑規范要求[1]。

2 大跨度公共建筑屋面鋼結構選型方案要求

以某機場施工項目為例，其工程主要分為“主樓”及“側樓”，以及它們之間的連接部分，預計滿足年旅客吞吐量2500 萬人次。在造型設計方面，既要保證機場內視野開闊，方便人們進行物流運輸，又要體現當地風貌，展現民族傳統文化。因此，在進行屋面鋼方案選型時，首先要選擇結構重量較輕，且鋼材強度夠高的材料，保證大跨度公共建筑需求的同時，降低施工難度；其次要保證整體建筑造型美觀，作為機場建筑項目，在施工環節不僅要保證其實用性，更要具備一定的美觀度，滿足旅客的視覺觀賞效果；最后，施工鋼管的幾何性要強，截面回轉半徑大，保證良好的抗壓和抗拉性能。

圖1 大跨度建筑結構

3 大跨度公共建筑屋面鋼結構的設計施工策略

3.1 優化項目設計

傳統大跨度公共建筑屋面鋼結構的施工方法為網架，在這種屋面結構里，更容易承受豎向荷載，當所處環境溫差較大時，填充墻與鋼管之間會發生熱脹冷縮效應，造成墻體開裂。而進行大跨度公共建筑屋面鋼結構設計時，采取三角形管桁架，由腹桿與上弦雙支管共同形成穩定的框架，有效減少項目的施工工序，提高施工效率，減少施工時間。并且在一定程度上提高建筑表面整體性，減少出現結構斷裂的隱患。還要考慮抗震防災的基礎需求，將屋面鋼結構設置成連梁式結構，結合整體建筑，保證公共建筑屋面與墻體結構之間不存在墻垛砌體，減少二次施工次數沿著縱向方向設置，更好地傳遞水平力。

在實際施工環節，可以在大跨度公共建筑屋面鋼結構中間設置一個豎向和水平的柔性材料，保證構造墻體不參與整個結構計算。利用設置周期折減系數的方式，合理解決因設置構造體而導致的墻體剛度增大問題，外墻分割線條應結合結構拉縫進行設置，結構拉縫通常由高強度擠塑板或同等材料的內外U 型固定止水卡槽與拉縫材料組成，具備防火性、防水性、高彈性、高強度的結構特點。鋼結構套管同尼龍套管相比而言，尼龍套管是由尼龍高分子材料所制，其特點是造價低廉，但定位效果較差，主要用于公共建筑中的防水設置。一般情況下，尼龍套管要比施工所需管道直徑大1～2 個規格。而屋面鋼結構是指在項目混凝土結構中的槽鋼，它能夠支撐整個結構系統，將大跨度公共建筑工程需要承載的壓力傳遞到主體結構上，解決管道固定問題，延長項目使用壽命。雖然我國近年來在大跨度公共建筑屋面鋼結構選型與設計上取得較大突破，但仍改變不了其造價高昂的實際情況。實際施工環節，需要根據不同的造價投入及質量要求，選擇不同的設計方案[2]。

3.2 控制材料成本

大跨度公共建筑項目施工周期長、覆蓋面積廣、人員流動性大、資金投入多，物資核算復雜等實際問題。建筑造價成本管理是一個較為龐大的工作量，尤其是在施工方案設計環節，不同的項目方案其造價也不盡相同，為后續建筑決策帶來一定影響。在建筑施工過程中，部分施工單位為了獲取較高的工程利益，使用較為廉價的施工材料，導致一些危險性極高的質量缺陷隱藏于公共建筑屋面鋼結構中，存在一定的安全隱患。所以，應加強材料質量監管的同時，進行造價成本控制，從材質上避免建筑隱患的出現。強調材料成本控制，在項目設計環節計算出不同結構的建筑的成本耗用，經過比對后選擇其中質量符合結構施工標準，且價格更為低廉的建筑材料。

例如，某大跨度公共建筑屋面鋼有兩種結構選型，結構形式一型鋼占鋼材總用量的81%，而結構形式二型鋼占鋼材總用量的45%，這就表示兩種結構形式型鋼的占比相差較大。在實際施工選擇及物資分配時，結構形式一主要結構構件均為型鋼，其對鋼材的用量較大，混凝土與鋼筋的使用用量相對較少。而結構形式二考慮到鋼筋、型鋼、混凝土三種材料合理搭配，在保證建筑構件受力性能的同時，盡可能降低鋼材用量。最終單位面積造價結果也顯示，結構形式一的建筑單位面積造價為1968.4 元/平方米，結構形式一的建筑單位面積造價為1564.8 元/平方米，后者遠低于前者[3]。

3.3 造型施工技術

傳統大跨度公共建筑屋面檀條的設計，需要鋪設大量太陽能電池板，若每個支架都使用穿透支撐的方式，將會造成大量孔洞，影響項目美觀。而在大跨度公共建筑屋面上額外設置一個托梁，整體保持一個加工的狀態，將電池板支架連接到設置好的托架梁上方，能夠有效減少項目的施工工序，提高施工效率，滿足不同的建筑使用功能。并且在一定程度上增強外墻表面整體性，減少屋面鋼開裂的隱患。縮減豎向構件與對稱布置剪力墻、轉換柱，按照先澆筑構造墻段再澆筑結果墻段的施工順序，使公共建筑屋面鋼構造強度與內部墻體柱強度保持一致。在施工環節，如果使用過多的豎向構件進行建設結構，就需要通過轉換實現豎向構件，但這也會使得轉換層出現剛度突變的現象，影響到大跨度公共建筑屋面鋼結構抗震效果。可以將屋面鋼結構設置成全混凝土式墻體，窗框下方位置設置成連梁式結構，能夠符合抗震防災的要求。若必須開結構洞，應結合整體建筑，保證外墻與屋面結構之間不存在墻垛砌體，減少二次澆筑構件次數，還要考慮施工后荷載的增值，減少抹灰面層荷載。針對部分剛度要求較高的建筑，可以利用設置周期折減系數的結構選型，合理解決設置構造的問題。此外，外墻分割線條應結合結構拉縫進行設置，結構拉縫通常由高強度擠塑板或同等材料的內外U 型固定止水卡槽與拉縫材料組成，滿足建筑使用的防火性、防水性、高彈性、高強度等方面的要求。

例如，針對某些展示會場的建筑施工，在屋面鋼結構選型時可以利用EPS 材料，即聚苯乙烯泡沫，來調節施工墻體各個區域間的色差等參數，保證施工效果的統一。EPS 是一種高分子聚合物工程材料，具有質量小、運輸方便、結構性能強等特點，在利用EPS 進行墻體建筑時，即使出現脫落的問題，也不會造成傷害事故滿足了展示會場使用的需求。EPS 材料施工必須在其他工序完成后進行，對于接縫部分要進行溝平處理，保證EPS 的整體性。在材料干透后，如果墻體還存在著砂漿材料，要及時清理干凈，保證大跨度公共建筑的施工質量滿足屋面鋼結構選型設計要求。

4 結論

伴隨著我國建筑行業的不斷發展，大跨度公共建筑屋面鋼結構選型與設計探討，對于社會城市化發展的影響程度越來越高。提高大跨度公共建筑施工質量，保障項目工程建設安全，明確施工管理要點及施工工藝，實現項目全階段監管。針對不同的公共建筑工程，采取具有針對性的管理策略，適應屋面鋼結構選型與設計的實際建設需求。