多功能社區服務中心創新設計研究

湯冰巖，王學琨，呂佰毅，劉 梅

（山東大學土建與水利學院，濟南 250061）

社區作為城市基本單元，社區中心是基層服務的重要單位，對城市發展具有重要作用，也是提升居民居住體驗的重要環節。近年來，突發公共衛生問題引起人們的廣泛關注，社區服務中心在其中扮演極為重要的角色。本研究旨在設計一種多功能社區服務中心，在平時可作為社區居民的文化娛樂健身場所，在突發公共衛生事件情景下，可滿足檢測隔離、疫苗注射等功能要求。

1 設計概況

社區服務中心的日常功能包括社區辦公室、社區服務廳、閱覽室、籃球場、健身房、臺球室、文體活動室、調解室、殘疾人康復室、門衛用房及其他交通空間等；突發公共衛生事件時，功能包括等候室、登記室、臨時疫苗注射站、觀察室、臨時隔離病房、護士站及其他服務設施和交通空間等。

本社區服務中心總建筑面積為3 257.28 m2，地上主體結構4 層，中部2—4 層的大空間為標準籃球場地，配套設施可滿足籃球比賽的需求，同時可以兼做演藝等功能要求。兩側對稱結構用于社區活動用房及運動場地，以鬧區靜區區分。設置內側走廊于房間與大空間之間，走廊與內部大空間之間采用墻體分隔保證良好的隔音效果。一樓中部以走廊分隔，四周分布房間主要用于社區居委會辦公及社區警務室。兩側均設有樓梯電梯，連接一至四層。在一樓的西南角是主出入口，配套無障礙通道。東北及東南各有2 個次出入口，同時作為消防出入口。

結構主體采用鋼框架結構，結構柱采用鋼管混凝土柱，鋼管為焊接矩形鋼管，內填C30 混凝土，梁采用創新型圓角多邊形孔蜂窩梁，暖通管道可從梁孔穿過，節省建筑空間，大跨度梁采用創新型帶阻尼器的鋼筋桁架，受力性能好，節省鋼材。支撐采用多層套管防屈曲支撐，提高抗震性能。樓板采用200 mm 厚預制鋼筋混凝土板，屋面板采用ALC 板。

結構整體采用裝配式方案，避免現場焊接，梁柱與梁-梁之間通過螺栓連接。樓板采用預制鋼筋混凝土樓板，隔墻采用200 mm 厚蒸壓加氣砼板，中部大空間頂部設置鋼筋桁架大跨度梁，側面薄弱區域使用支撐加固，建筑外圍采用雙層玻璃幕墻，布置太陽能板，意在裝飾與實用性兼顧。

鋼結構材料統一采用Q345B。鋼材應保證抗拉強度、屈服強度、伸長率、冷彎試驗等力學性能和硫、磷等化學成分含量符合國家現行標準要求；尚應保證碳當量符合限值。鋼材的抗拉強度實測值與屈服強度實測值的比值不應小于1.2，管材不應小于1.25。鋼材應有明顯的屈服臺階；伸長率應大于20%；應具有良好的可焊性和合格的沖擊韌性。所有管材、型材壁厚截面公差只允許出現正公差，且正公差值應滿足規范要求。

2 功能轉換設計

平疫空間轉換需快速、方便，且隔墻需滿足防火要求。利用防火卷簾實現空間轉換。通過傳動裝置與控制系統來控制防火卷簾簾面升降。在大型商場、演出文化廳、圖書館等工業與民用建筑中防火卷簾隨處可見，外形美觀的同時，具有防火隔火效果，在火災等意外情況發生時，可以有效阻擋火勢的蔓延，保護人民生命財產安全，已成為現代建筑中必不可少的防火設施。在防疫期間需要加隔墻處設置防火卷簾，防火卷簾用作隔斷墻需加水幕保護，在平時，防火卷簾收起，疫情時期將防火卷簾放下作為隔墻，形成隔離室，可以不改變室內房間陳列布局，隔絕兩室間空氣流通，快速實現空間轉換，且防火卷簾方便更換維修。此外，結構設計有大跨度空間，可以在突發狀況下實現快速轉換利用。

3 創新技術應用

3.1 單邊螺栓技術

單邊螺栓是一種具備普通螺栓的基本力學性能，還能夠實現單側安裝，單側擰緊的功能，可以很好地解決使用封閉式截面鋼材的鋼構件之間的連接問題的新型螺栓。本工程為鋼結構，主要受力構件包括H 型鋼梁、鋼管柱。H 型鋼梁的梁-梁連接節點采用普通高強螺栓連接較為容易實現；然而，對于鋼管柱而言，由于鋼管柱壁的遮擋，在擰緊螺栓時存在手無法進入的位置，對于高強螺栓的安裝十分困難，如果能在不破壞鋼管其他部位的前提下，完成高強度螺栓連接，則可大大縮減對具備高技術水平焊工等技術力量的需求，只采用較為簡便的方法便可以保證鋼結構連接節點的安裝質量，大大節省施工成本，提高安裝效率。

單邊螺栓是一種可以滿足上述要求的工程解決方案。首先，通過合理的構造設計能夠實現單邊螺栓與國內外標準螺栓相近甚至相同的力學性能，包括抗拉、抗剪承載力等；其次，單邊螺栓可以從單側擰緊而不破壞鋼管，施工簡單方便。

本項目中單邊螺栓連接節點形式共2 種：方鋼柱-H 型鋼梁連接，方鋼柱-柱連接。采用了新型單邊螺栓即螺紋錨固單邊螺栓，方鋼柱-H 型鋼梁節點采用帶內置加強段的螺紋錨固單邊螺栓連接技術；方鋼柱-柱連接采用外置套筒-螺紋錨固單邊螺栓連接技術。

本設計使用的螺紋錨固單邊螺栓特點為：①不需要特殊的螺栓制造工藝和安裝工具，避免了螺栓預緊力的損失。②與傳統螺栓相比，節省了螺母和墊片。③對厚度較大的連接板，還可減小螺桿長度，因此更方便和經濟。

3.2 圓角多邊形孔蜂窩梁

傳統蜂窩梁（蜂窩鋼梁常用孔型包括圓孔、矩形孔和六邊形孔）是通過將H 型鋼梁沿腹板曲線切割，然后錯位焊接制成。相比原型鋼，蜂窩梁使得截面高度增加，且抗彎剛度也變大。開孔不僅可以達到減輕結構自重、節約鋼材的效果，而且可使管道設備穿過孔洞布置以降低建筑層高，外形美觀。

由于孔洞破壞了腹板的連續性，相比實腹型梁，蜂窩梁可能在孔洞處發生塑性破壞或在孔洞間因受剪而屈曲破壞。當孔洞較大時，孔洞4 個角部受豎向剪力二階彎矩的影響易形成塑性鉸，形成費氏剪力塑性機制破壞；當孔間距較小時，豎向剪力在狹長的孔間腹板內形成斜向受壓區域，易發生S 形彈塑性屈曲破壞。

當孔間腹板中部的對接焊縫長度過小時，腹板中的水平剪力可能引起水平焊縫破壞。無加強措施的孔間腹板在集中力作用下還可能發生局部壓曲破壞。

蜂窩鋼梁常用孔型包括圓孔、矩形孔和六邊形孔。設計提出一種新型圓角多邊形孔蜂窩梁，圓角多邊形孔蜂窩梁與六邊形孔相比，孔角處圓弧可減少應力集中，承載力可提高10%～15%。與圓孔相比，僅需切割一次，且減少了鋼材浪費，不損失擴展比（切割拼接成的蜂窩梁高與原實腹梁高之比）。

首先，與拉長圓孔蜂窩梁相比，由于在圓角多邊形孔蜂窩梁制作過程中浪費的鋼材較少，所以，當2 種蜂窩梁孔間距相同時，圓角多邊形孔蜂窩梁的孔間腹板寬度更大。在相同的孔間距下，新孔形蜂窩梁相比于拉長圓孔蜂窩梁承載力提高率大概在40%左右。同時，切割成本節省一半。

六邊形孔、圓孔及孔角修圓的多邊形孔蜂窩梁的截面高度、孔高、孔間距和跨度相同時。六邊形孔蜂窩梁和圓角多邊形孔蜂窩梁的位移-荷載曲線基本重合，圓孔梁的整體剛度比前兩種蜂窩梁略高，3 種梁的應力發展的趨勢一致，應力集中首先出現在孔洞周邊，然后從孔角發展至翼緣。

采用圓角多邊形孔蜂窩梁的諸多優勢：①相比較于傳統實腹梁，蜂窩梁可以減輕結構自重。②相比較于傳統實腹梁，蜂窩梁可以節約鋼材。以上2 點在本次設計中的體現是，通過計算，采用圓角多邊形孔蜂窩梁后鋼材節省大約8%～12%。③相較于傳統的實腹梁，蜂窩梁更有助于管道布置，降低建筑層高。④相較于傳統的蜂窩梁，采用圓角多邊形蜂窩梁切割次數少，不損失擴展比。⑤在相同的孔間距下，新孔形蜂窩梁相比于拉長圓孔蜂窩梁承載力提高率大概在40%左右。

3.3 帶阻尼器的鋼筋桁架梁

以鋼筋為上弦、下弦及腹桿，通過電阻點焊連接而成的桁架叫做鋼筋桁架。而鋼筋桁架梁是在鋼筋桁架基礎上對其尺寸及上下弦桿進行改裝，得到了由型鋼組成上下弦桿，鋼筋構成腹桿梁的一種形式。鋼筋桁架大跨度梁則是由一個鋼筋桁架梁組成，將梁和桁架的優點集于一身，具有良好的性能。鋼筋桁架梁的下弦通過一段型鋼與阻尼器進行連接，可以通過阻尼器來提高建筑結構的穩定性。

鋼筋桁架梁結合了桁架和梁這2 種構件的優點，不僅在強度上滿足建筑承載力的要求，在自重方面也具有一定優勢。我們以大跨度鋼管桁架為比較對象，對鋼筋桁架梁的優點進行敘述。

鋼筋桁架梁更節約空間。鋼筋桁架豎向尺寸約為660 mm，約為大跨度鋼管桁架的0.6～0.8 倍，極大節約了豎向空間。在一些對豎向空間有一定要求的建筑中，鋼筋桁架梁和大跨度鋼管桁架相比就有較大的優勢。另一方面，大跨度鋼管桁架更偏立體，占用空間較大，適合充當運動館等大跨度建筑的樓面支撐，而不適合用于承擔樓板結構。

鋼筋桁架梁自重更小，節約了用鋼量。因為鋼筋桁架梁體積小，能夠節約用鋼量，所以和大跨度鋼管桁架相比，鋼筋桁架梁能夠有效地降低結構的自重，既節約了鋼材，又降低了其他結構的承重。所以鋼筋桁架梁在一些建筑中更有競爭力。

鋼筋桁架梁更便于制造和組裝。鋼筋桁架梁主要由鋼筋和型鋼等部分組成，組成材料較簡單，易于制造加工，生產周期短。在組裝方面，和大跨度鋼管桁架相比，鋼筋桁架梁的結構簡單，便于組裝，其所要求的工藝并不復雜，使其在生產組裝方面具有一定優勢。

鋼筋桁架梁和建筑結構有良好的相容性。鋼筋桁架梁在建筑結構中主要起到承受豎向荷載，承載樓板或屋面。其結構能夠作為樓板和屋面安裝結構的一部分。當鋼筋桁架梁承載樓板時，其鋼筋腹桿的上部尖角處起到剪力釘的作用，能夠減少剪力釘的使用，簡化工序。鋼筋桁架梁承載裝配式屋面（如ALC 屋面板）時，其鋼筋腹桿尖角處能和屋面板的安裝構件結合，有利于屋面板的固定安裝。

鋼筋桁架梁安裝方便。鋼管桁架在許多大跨度建筑中得到了應用，但是安裝方法和步驟往往是建筑建造過程的一個重難點，其安裝較復雜，這在一定程度上增長了建筑工期，對建筑過程產生一些影響。而鋼筋桁架主梁主要由柱和鋼筋橫向桁架支撐，所以其安裝步驟和工序較簡單，能有效提高建筑施工效率。

鋼筋桁架大跨度梁的承載能力完全能夠符合建筑要求。鋼筋桁架大跨度梁主要起到承載屋面板的作用。該建筑中的屋面板主要采用ALC 板，其輕質高強的特點在一定程度上降低了鋼筋桁架大跨度梁承載的重量，所以鋼筋桁架大跨度梁的承載能力完全能夠滿足建筑所需要求。

3.4 交叉布置式三重鋼管防屈曲支撐

傳統的防屈曲支撐（BRB）通常是由內置的芯材鋼板、限制芯材屈曲的外套管，以及芯材和外套管之間的填充材料組成。填充材料通常為較低抗拉強度的材料，比如混凝土，其受壓破碎后會極大降低BRB 的滯回性能。

傳統防屈曲支撐的缺點：①鋼材浪費。由于傳統防屈曲支撐主要受力元件為芯材部分截面面積集中，長細比較大，容易發生屈曲。為防止芯材屈曲需增加截面尺寸較大的外套筒，外套筒主要防止芯材發生整體屈曲，不參與承受軸力，未充分利用鋼材，導致鋼材浪費，而且需要在芯材與套管之間填充混凝土類材料，材料用量大。②自重大。芯材與外套筒之間的混凝土類填充材料自重大，強度低。③芯材與外套筒之間的約束混凝土，在地震往復荷載作用下，容易被壓碎而失去約束與防屈曲作用，致使防屈曲支撐的耗能能力大幅降低。④如需降低防屈曲支撐的承載力，需要在芯材上開槽或者開孔以此削弱芯材，施工工藝麻煩，品質控制難度大，降低支撐可靠度。

三重鋼管防屈曲支撐采用鋼管作為芯材，是主要受力件。設置在支撐芯材內部的內套管，以對支撐芯材提供環向預拉應力并提高支撐芯材的整體穩定和局部穩定承載力。設置在支撐芯材外部的外套管，以提高支撐芯材局部穩定承載力和整體穩定承載力。

三重鋼管防屈曲支撐優點：①節省鋼材。受力的主要部件鋼管采用閉口空心的截面，相比較于普通一字型實心截面，空心閉口截面的截面擴展，回轉半徑大，本身即具有較大的抗屈曲能力，受力合理，可減小外約束套管和內約束套管的材料用量。②自重小。本發明橫截面雖然為三層鋼管，但組合后的截面仍然為空心截面。相對于實心截面，構件重量大幅度降低。③耐久性和滯回性能好。支撐芯材、外套管和內套管均勻鋼材，強度高，耐久性好，滯回性能好。④對芯材施加環向預應力，造成芯材在軸向承載能力下降，從而使支撐芯材更容易進入屈服的特點，提高抗震耗能能力。

本次設計采用交叉布置，相比于人字形布置的支撐，交叉布置的支撐減小了支撐平面內的計算長度，減小了防屈曲套筒的材料用量。人字形支撐大幅度削減了結構的最大承載力、整體剛度以及耗能能力，此外，使得支撐的等效黏滯阻尼比在屈服后快速下降；交叉布置的防屈曲支撐的等效黏滯阻尼比在支撐出現屈服后均勻增長，具有更加穩定的耗能能力。

通常情況下，屈曲約束支撐在設計時，與框架結構連接方式為鉸接連接，所以，在節點構造設計時，應盡量減少二次彎矩，降低轉動剛度。常用的鉸接節點連接方式有銷軸連接和螺栓連接。本工程屈曲約束支撐端部采用鑄鋼件方式與連接板銷軸連接。在不影響建筑使用的情況下，方便更換大震后產生較大屈服的屈曲約束支撐。此外，由于節點區段長度和剛度對防屈曲耗能支撐的綜合剛度影響很大，節點區段的構造對支撐綜合剛度的影響應該和計算假定相符。節點板的穩定性也是節點構造中需要仔細斟酌的內容，避免因節點失穩使得防屈曲支撐的耗能能力降低。節點區的長度越長，作為耗能元件的約束區段越短，支撐的耗能能力越差。

4 結束語

本社區服務中心功能多樣，在滿足日常功能需求的同時，可以有效應對突發公共衛生事件。本結構為裝配式鋼結構，具有施工周期短、堅固耐久等特點。各部件運抵現場組裝，設計中梁柱節點、柱柱拼接節點采用螺紋錨固單邊螺栓，從而減少使用具有高技術要求的焊工等技術力量，能夠用比較簡單的方法保證節點連接的質量，節省施工量和人工費。通過布置鋼筋桁架和圓角多邊形蜂窩梁，大大減少了鋼材用量和結構自重，且承載力有一定幅度提高。通過合理布置防屈曲支撐為結構提供抗側剛度，避免地震時發生嚴重破壞，確保結構安全，并且新型交叉布置式三重鋼管防屈曲支撐相比普通支撐有更好的耐久性能和滯回性能。施工現場文明程度高，噪聲粉塵和建筑垃圾少，并且受季節及天氣影響較小，可以現場安裝與工廠制作平行進行，甚至一些標準化構件可以隨時訂貨，隨時施工，縮短建造周期及資金占用時間。