多层教学楼的建筑和结构设计

张智真　卢宜飞

（洛阳古建园林设计院有限公司　河南　洛阳　471000）

多层教学楼的建筑和结构设计

张智真卢宜飞

（洛阳古建园林设计院有限公司河南洛阳471000）

教育是一个国家的基石，是社会进步的源泉。随着社会的快速发展，教育进入了前所未有的高速发展时期，我国传统教学楼已暴露出了很多弊端，当今世界科学技术正向着整体化趋势发展，一种可容纳多个专业，并使其得以交流和紧密联系的整体式综合教学楼的设计概念应运而生，对这一建筑类型的设计加以研究是十分有必要的。本文以某学校的综合教学楼为例子，简单讲述了多层教学楼的建筑结构设计。

框架结构；结构设计；应用

1　教学楼的设计理念

目前，中国教育进入了一个前所未有的迅猛发展期。与之相对应的是校园的规模越来越大，建设的速度越来越快，全国上下掀起一股建设新校园的热潮。新校园的设计正处在一个摸索阶段。由于大规模的新校区的建设占用了大量的土地资源，人们对集聚化校园、生态校园的呼声渐高，以节约有限的土地资源、保护生态环境和实现资源共享。具体而言，教学楼的设计理念有以下几点：

（1）布局要有关联性。现在的教学楼已经不在是独立的布局，教学楼的模式变得更加集中，更加具有整体性。可以增进师生之间的交流，并且实现了资源共亨，资源浪费情况也会降低。

（2）功能要有多样性。现在的教学楼功能更加丰富多彩，不仅仅可以教学，自习，还有了很多的服务功能。

（3）要有交往空间的设计。交往对于学生来说可以培养其良好的心理结构与智能结构。

2　工程概况

本工程为某学校综合教学楼，由主楼及附属裙房组成。根据建筑物使用功能和结构特点分为A、B、C、D、E五个分区。

主楼（A区）地下一层，层高4.2m，地上十二层，二～五层为教室，一层、六～九层为实训室，十、十一层为办公室。层高11×4.2m，3.2m（机房层）。主楼建筑高度46.5m。平面尺寸126.40m×19.70m。

B区（裙房）地下一层，层高为4.20m，地下室地面标高为-2.100m；地上五层，各层均为教室，层高均为3.90m。B区室内外高差0.40～1.20m。建筑高度19.90m，平面尺寸53.10m×10.40m。

C区（裙房）地上四层，一层为教室、门厅及报告厅，其中教室及门厅地面标高为6.0m，报告厅地面标高为4.20～6.00m；二层为报告厅上空及教室、门厅，教室及门厅楼面标高为9.90m；三层为报告厅屋面及教室，教室楼面标高为13.80m，报告厅屋面为屋顶花园，屋面结构标高12.00m；四层为教室，楼面标高为17.70m；屋顶标高为21.60m。C区室内外高差0.30m。平面尺寸59.00m× 33.63m。

D区（裙房）地上三层，一层地面标高为4.20m，一～三层层高分别为4.50m、5.10m、5.10m，各层均为阶梯教室。D区室内外高差0.30m。建筑高度15.00m，平面尺寸53.16m×27.50m。

E区（裙房）地下一层，层高为4.20m，地下室地面标高为-4.20m，地上四层，层高分别为4.20m、4.50m、5.10m、5.10m，各层均为教室。E区东侧、西侧、北侧室内外高差0.30m，南侧室内外高差3.30m。建筑高度19.20m，平面尺寸67.20m×33.90m。

本工程主楼（A区）上部结构为框架剪力墙的结构，基础为人工挖孔灌注桩基础。裙房（B、C、D、E区）上部结构为框架结构；基础为独立柱基。框架结构在现阶段的土木工程中应用十分广泛，其良好的受力性能和方便的施工程序让它成为建筑设计中首选的结构形式。

3　地基与基础

3.1地基情况

根据岩土工程勘查报告，该工程土层分布自上而下分别为粉质粘土、黄土、碎石混粉质粘土、粉质粘土、碎石混粉质粘土、中风化灰岩。

3.2基础设计

根据场地的土层分布极其物理力学性能，结合上部结构的特点，本工程主楼（A区）基础选用人工挖孔灌注桩，以第6层较完整中风化灰岩作为桩端持力层，持力层极限端阻力标准值qpk= 8000kPa。桩顶标高为-5.200（对应绝对标高145.10m）。

裙楼基础选用柱下独立基础和墙下条型基础。地下室基础以第4层粉质粘土为持力层，承载力特征值f=150kPa，其它基础以第3层黄土为持力层，承载力特征值f=120kPa。基础应全部落至老土上，第1、2层土应全部清除。第3层黄土为非自重湿陷性黄土，故基底以下设满堂3：7灰土垫层1m厚。局部超挖部分以3：7灰土垫层按宽高比2：1错台回填。灰土垫层顶面出基础边的距离不小于2.0m。灰土垫层应分层夯实，压实系数不小于0.95。

3.3台阶式基础设计

C区一楼为阶梯座位式报告厅，地面高差相差最大处达到近2m，同时场地为坡地。现根据现场并结合建筑地面要求，采用台阶性独立基础形式。考虑基础距离较近，采用毛石回填多阶放坡以满足规范要求。

4　上部结构设计

4.1A区立面Y形柱子处理

因建筑立面需要，要求在二、三层立面范围没外墙轴线内退1100mm，且在三层楼面不能有梁在立面之外出现。考虑到若采用梁上起柱的方法实现建筑要求，将在梁端部附近产生较大剪力，不利于结构安全。结合结构底部楼层柱子截面较大的特点，采用Y形柱的方案。在二至三层范围内，该立面柱子一分为二，外侧为长度为两层高的框柱，内侧为三层楼面架设在其上的小框柱。

采用Y形柱方案，一方面完全实现了建筑里面的造型要求，同时充分考虑了结构的可靠性和经济合理性，体现了建筑适用、坚固与美观的完美融合。

4.2C区大跨度屋顶花园结构设计

根据建筑功能安排，C区为一依山而建的阶梯座位式报告厅，扇形平面，两个方向的最大跨度分别达到22m及20m，报告厅屋面为屋顶花园，其上有600mm厚的覆土。

根据建筑条件并结合业主要求，考虑采用现浇钢筋混凝土双向密肋梁结构，梁截面截面为350mm×1200mm，间距为2100mm左右。同时结合建筑平面，充分利用东西向各自外伸一跨的条件，将大跨度梁各自向外延伸至外侧立面处，从而使单跨简支梁变成多跨连续梁，减小中间框架柱的柱顶弯矩，加强整个屋顶结构的整体性。外伸段梁截面为350mm×700mm。

4.3D、E区阶梯教室结构设计

根据建筑功能安排，D区及E区的北侧为阶梯教室，宽度达到15m。结构阶梯教室的建筑特点，考虑采用现浇钢筋混凝土单向密肋梁结构，梁截面截面为250mm×800mm，间距为1500mm左右。

4.4A区顶层立面内退设计

根据建筑立面要求，A区顶上两层南北两侧立面均内退1600mm。结构上考虑梁上起柱做法实现。同时按照转换梁构造要求对起柱梁进行加强。同时落地框架柱截面不变，一直通到屋顶，尽量保证竖向构件的侧向刚度及抗剪承载力。

4.5模型计算

本工程结构计算中采用多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE进行结构分析计算。按照抗震缝分隔成的7个独立单元各自进行地震作用计算分析，计算结果均满足规范要求。

另对于部分不规则单元，采用结构空间有限元分析软件SATWE和PMSAP两种计算软件进行结构对比分析，按单向地震并考虑偶然偏心和双向地震不考虑偶然偏心分别计算分析，按不利的结果进行扭转位移比的控制和构件的设计。

在本工程的结构计算和分析中，始终贯穿结合建筑特点，重视概念设计，对薄弱部位采取合理加强措施，是本工程的计算结果和结构设计更加合理。

5　主要技术构造措施

（1）充分结合现场场地，重视坡地的地基处理，合理选用基础型式。

（2）在计算结构位移、位移比时，强制采用刚性楼板假定，目的是避免由于局部振动而影响结构位移比的正确计算。在计算结构受力配筋时，根据结构楼层布置实际情况，合理采用弹性膜假定。

（3）加强错层柱及跃层柱、洞口四周框架梁、Y形柱子、转换梁柱等各关键构件的截面及钢筋配置。

（4）对于高度较高楼层，在填充墙内加强构造柱和圈梁的设置。

该工程建筑平面布置复杂，立面多变。结构设计需要更好的结合建筑功能要求和造价控制，重视概念设计，重视关键部位的关键构件的结构设计。

6　结束语

教学楼的设计要重视布局的关联性，也要从学生的心理与行为出发，设计出来的教学楼更加具有整体性，同时可以减少资源的浪费，在设计上要改变传统的教学楼模式，建立新型的科学合理的教学楼模式。

[1]李雪丽，陈建强，苏云燕.土木建筑工程框架结构设计[J].湖北建筑，2014，12（11）：101～103.

[2]孙晓莉.土木工程框架结构与框剪结构设计[J].土木工程，2013，9（12）：74～75.

[3]王伟轩.多层框架结构设计在教学楼的应用[J].建筑工程，2014，11（10）：63～65.

TU318+.2

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1673-0038（2015）39-0019-02

2015-9-7