中小学建筑大跨度楼盖选型分析

蒋兴笠，钱解煌，胡亮，胡懿 （深圳市建筑设计研究总院有限公司合肥分院，安徽 合肥 230000）

0 前言

随着中国特色社会主义进入新时代，我国社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾。中小学建筑作为培养共产主义接班人的摇篮，人们对中小学的建筑的功能及空间需求也越来越高。新建的中小学建筑中，风雨操场、体育馆、报告厅、图书馆等单体中往往都会设置高大空间，对于混凝土框架结构，楼盖既要承受竖向荷载（含自重及使用荷载）并传递给框架柱，还负责协调框架柱在水平荷载作用下的侧向变形。与结构总自重相比，楼盖结构自重大约可以占到其一半左右，楼盖结构的造价则一般可达到土建总造价的20%～30%。因此楼盖结构体系选择非常重要，适宜的楼盖结构形式可以减轻整体结构的自重，减少竖向荷载及地震荷载，使结构受力更为合理，从而可以减少材料用量，降低工程成本，此外合理的楼盖结构形式还能增加室内使用净高，所以楼盖结构选型具有非常重要的现实意义[1]。

根据上述背景，以下以合肥地区几个不同的中小学建筑大跨空间楼盖体系类型为例，对比各种不同大跨楼盖体系的优缺点，并分析各种大跨楼盖体系的注意事项及适用范围，希望能对今后的工程设计提供一定的借鉴意义。

2 工程实例

2.1 单向梁大跨楼盖案例分析

2.1.1 工程概况

合肥某小学综合楼报告厅在地上一层，层高4.5m，报告厅底板结构随坡，下方为地库，屋面为室外活动平台，尺寸为31.2x19.2m；采用框架结构（重点设防类、框架抗震等级二级、大跨框架抗震等级提高为一级）；屋盖采用单向梁楼盖形式，梁截面为400x1300，间距3m。详见图1。

2.1.2 分析总结

①适用范围：跨度18～24m左右非种植屋面，单向梁间距3m左右。

②注意事项：a.大跨楼盖抗震等级应按规范要求提高一度取值；b.应特别注意挠度变形控制，明确要求预起拱；c.尽量避免柱顶在一方向无拉结现象；d.报告厅梁高要控制，保证最不利点净高。

③在保证结构安全适用的同时，注重建筑体验，包括建筑美观、空间感受、声、光等要素。

④各专业间应协商优化，在层高限定的情况下做到净高最优。

2.2 预应力混凝土大跨楼盖案例分析

2.2.1 工程概况

合肥某小学综合楼屋面总层数2层(二层带夹层)，其中一层为食堂，二层为篮球馆，由于篮球场净高要求，篮球场上空屋面形成37.0×20.0m的大跨上人屋面；采用框架结构（重点设防类、框架抗震等级二级、大跨框架抗震等级提高为一级）；屋面结构采用双向主次梁楼盖模式，并在短跨主梁施加预应力，预应力梁截面为500×(1400～1600)mm（结构找坡，梁底平），间距9m，另一方向梁截面为300×600。详见图2。

2.2.2 分析总结

①优点：相对于普通混凝土楼盖，能大幅减小梁挠度变形。

②适用范围：荷载较重的大跨屋面（包含种植屋面、使用荷载较大的功能房间楼面等）、对梁高及变形控制较敏感的情形。

③注意事项：a.大跨屋面抗震等级应按规范要求提高一度取值；b.预应力混凝土强度等级不宜小于C40；c.考虑到预应力损失以及施工误差，预应力梁中普通配筋应适当超配。

④预应力宜施加在主梁上。

图1 单向梁大跨楼盖案例

图2 预应力混凝土大跨楼盖案例

2.3 交叉管桁架大跨楼盖案例分析

2.3.1 工程概况

合肥某中学风雨操场，地上2层（局部设有夹层），层高9.5m，柱网尺寸8.1m，跨度24.3m，采用框架结构（重点设防类、框架抗震等级二级），屋面结构体系采用短跨倒三角形空间管桁架+长跨平面管桁架的交叉管桁架体系，上铺钢筋桁架楼承板。倒三角桁架的矢高1.500m，约为跨度的1/16。

2.3.2 分析总结

①适用范围：主受力方向为单跨框架，跨度24m及以上的非种植屋面。

②注意事项：a.支座的形式选择对内力分析有较大影响；b.模型中应正确处理桁架屋面与主体结构的连接。

③相对优点轻钢屋面的优点：a.隔声、防水较好；b.耐久性好，后期维护成本相对较低。

④缺点：a.现场感受杆件截面很大，不轻盈；b.现场焊接质量堪忧、节点施工质量难以保证。

2.4 型钢混凝土梁大跨楼盖案例分析

2.4.1 工程概况

合肥某中学综合楼地上3层，建筑高度14.00m，主要房间柱距8.1x8.1m，采用框架结构（重点设防类、框架抗震等级二级、大跨框架抗震等级提高为一级）；因报告厅区域2层～屋面通高。形成了3跨×3跨（约24m×24m）的大跨度屋盖。屋盖的SRC主梁截面：500×1400～1760（结构找坡，梁底平）；型钢截面：H800×300×24×20；型钢柱截面：900×800，柱内型钢截面：500×300×24×18，材质均为Q345B。

2.4.2 分析总结

①适用范围：各种大跨屋面均可使用，可根据具体建筑条件及当地施工水平决定是否选择该方案。

②注意事项：a.设计时应充分考虑型钢穿筋影响，细化钢筋排布图，否则会使现场工人无法实施而影响到工程质量；b.为了方便工人操作，设计中要减少穿筋以及二排钢筋数量；c.钢骨距混凝土边距宜适当加大，保证足够的施工空间。

③优点：在混凝土结构内设置型钢从设计计算角度可以解决很多超筋或是刚度不足的问题。

图3 交叉管桁架大跨楼盖案例

图4 型钢混凝土梁大跨楼盖案例

④缺点：由于内嵌型钢，梁截面会变得非常肥大，很可能会影响到建筑功能和美观。设计时应提前与相关专业沟通。

2.5 密肋大跨楼盖案例分析

2.5.1 工程概况

合肥某中学行政楼报告厅在地上一层，下方为地下车库，屋面为上人保温屋面，跨度为23.4×26.7m。采用框架结构（重点设防类、框架抗震等级二级、大跨框架抗震等级提高为一级），屋盖采用密肋楼盖体系，肋梁截面为200×1100mm，肋间距1.1m。

2.5.2 分析总结

①适用范围：对层高有限制，净高要求比较高的大跨屋面。

②注意事项：a.设计时应提前让专业的厂家介入配合；b.膜壳的选用对最终的成型质量影响很大。

③优点：a.能较大幅度的减小梁高，可以获得较好的空间效果；b.造价较经济。

④缺点：a.对施工水平要求较高；b.结构安全储备及抗震性能有待验证。

2.6 轻型钢结构大跨楼盖案例分析

2.6.1 工程概况

合肥某小学风雨操场单体总层数2层，其中一层为食堂，二层为篮球馆，由于篮球场净高要求，篮球场上空屋面形成21.7x36m的大跨不上人屋面，项目前期作为售楼部使用。主体采用框架结构（重点设防类、框架抗震等级二级），屋顶采用平面桁架结构，上铺金属屋面板。桁架高度为1.5m，高跨比约为1/15。

图5 密肋大跨楼盖案例

图6 轻型钢结构大跨楼盖案例

2.6.2 分析总结

①适用范围：对造价比较敏感，后期能较好维护的大跨楼盖。

②注意事项：a.屋盖形式的选择要结合功能、美观、造价、施工等多方面考虑；b.支座的形式选择对内力分析有较大影响；c.与钢结构深化单位积极沟通，提前做好交底优化工作，有助于工程达到预期效果。

③优点：a.轻盈、经济；b.造型可塑性强。

④缺点：a.防水、隔声效果差；b.耐久性差，后期维护成本高。

3 结论

以上详细介绍了合肥地区中小学建筑中大跨空间的6个不同类型楼盖体系的结构设计案例，并分析了各种不同大跨楼盖体系的适用范围、优缺点以及注意事项等。后期设计时，可根据具体的建筑功能、造价预算、当地施工水平、后期维护水平以及业主其它要求进行对比分析，择优选择。