大跨度网监大厅结构设计研究

赵敏越 董 磊 姚文军 赵宇娟

(中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080)

1 概述

通信网络监控大厅一般设置于电信大楼里，是电信运营和维护者进行网络监控、日常维护、指挥调度等活动的重要场所，要求有高大的内部空间，以设置满足视觉舒适度要求的监控大屏幕，设置监控台及指挥调度室。由此结构需要解决如下问题：监控大厅屋盖的大跨度结构设计、大空间对大楼主体结构的削弱引起薄弱的验算及结构补强设计、监控大屏幕荷载及与结构主体连接及其他项目的具体问题。

空间网格钢结构即网架结构具有结构传力简单、自重轻、安装便捷、构件工厂生产，便于标准化、规格化等优点；同时其结构形式较易满足大跨度的建筑空间要求。在建材技术及计算技术飞速发展的今天，空间网格结构已广泛应用于各种工业及民用建筑。在技术创新的时代浪潮下，空间网格结构应用于通信建筑的探索研究，相关技术发展成熟助力通信建筑整体技术水平的提升。网架结构与钢筋混凝土主体形成组合结构可解决监控大厅所需的大空间问题，适用于抗震高烈度区，具有广泛的应用前景。

钢筋混凝土大跨度框架在低烈度区用于网监大厅屋盖设计能很好地与大楼主体结构形成整体。整体采用钢筋混凝土结构的，不需要进行钢结构分包采购，实施方便。同时在控制跨度和承载力验算的前提下，钢筋混凝土框架屋盖可应用于上人屋面，屋面上可根据需要考虑布置冷却塔等设备。 本文通过实际工程设计过程的展示、对钢筋混凝土大跨框架、空间网格钢网架应用于网监大厅的结构设计要点进行分析，为此类通信建筑的应用和优化设计提供参考。通过不同适用条件下的两种方案的对比，为大跨度网监大厅屋盖结构设计的结构方案的选择确定提供思路。

2 设计案例分析

2.1 空间网格钢结构屋盖案例工程概述

该网监大厅为全网络网管某功能监控中心，大厅内设置有超大监控屏幕、操作控制台区域、指挥观摩室等。项目所在地为北京昌平,为8度抗震设防区,第二组,当地50年一遇基本风压为0.45 kN/m2，场地类别为Ⅲ类场地。网监大厅设置于一栋四层钢筋混凝土框架结构通信办公综合楼顶层及次顶层的中部。局部空间网格钢结构屋盖与下部钢筋混凝土框架结构主体组成组合结构体系。钢屋盖采用正交正放四角锥螺栓球网架，上弦支撑。网监大厅跨度为33.6 m×42 m，见图1。

2.2 钢筋混凝土结构屋盖案例工程概述

该网监大厅为广西南宁五象某运营商某省网管监控中心，大厅内设置有超大监控屏幕、操作控制台区域、指挥观摩室等。项目所在地为6度抗震设防区,第一组,当地50年 一遇基本风压为0.35 kN/m2，场地类别为Ⅱ类场地。

网监大厅设置于一栋16层通信办公综合楼顶层及次顶层的中部。主体结构为钢筋混凝土框架剪力墙结构，网监大厅跨度为23.4 m×33.6 m，其中拔柱形成的大跨结构跨度为15.6 m。其上屋盖为上人屋面且需要设置冷却塔设备，采用钢筋混凝土框架结构屋盖，见图2。

2.3 案例工程分析

案例一需要解决高烈度区超大跨度结构的实现问题，同时屋面为不上人屋面，采用大跨度网架结构来实现较为经济合理。采用3D3S结构软件对网架进行计算分析。规范JGJ 7—2010空间网格结构技术规程第4.4.1条在抗震设防烈度为8度的地区，对于周边支承的中小跨度网架结构应进行竖向抗震验算。对其他网架结构均应进行竖向和水平抗震验算。本工程采用的3D3S软件采用各种工况下38种荷载组合对用于屋盖的网架结构进行地震作用下内力计算，采用内力包络结果进行设计符合规范要求。

根据规范JGJ 7—2010空间网格结构技术规程第4.1.6条空间网格结构分析时,应考虑上部网格结构与下部支承结构之间的相互影响。一般网架支承条件有以下几种情况:

1)空间网格结构直接支承在地面上;

2)空间网格结构各支座支承在柱子上，网架单独作为建筑屋盖;

3)空间网格结构直接支承在整体刚度和质量很大的混凝土结构上，空间网格结构屋盖仅为屋盖的一部分。本工程属于第三种情况，对网架+钢筋混凝土结构组合体系进行整体建模分析，主要分析网架结构对下部支承结构的影响。根据整体计算显示下部刚度大质量大的大楼主体对网架结构的影响很小。

案例二需要解决大跨度结构上需要承载大型设备，屋盖为上人屋面，采用钢筋混凝土框架结构屋盖，经济合理。本工程采用PKPM建筑结构设计软件对钢筋混凝土结构进行整体计算分析，各项计算结果均满足规范要求。计算控制关键点是楼板大开洞形成的薄弱层的位移，并取按刚性楼板假设及非刚性楼板假设的结果进行包络设计。

3 结构方案

3.1 网监大厅结构工程案例共性方案

1)抗震设防分类：监控的网管中心属于重要通信建筑。根据GB 50223—2008建筑工程抗震设防分类标准及YD 5054—2010通信建筑抗震设防分类标准相关规定，抗震设防分类为重点设防类(乙类)。

2)结构安全等级及结构重要性系数：根据YD 5003—2014通信建筑工程设计规范第3.2.2条1款：特别重要的及重要的通信建筑结构安全等级为一级。结构安全等级为一级，结构重要性系数为1.1。

3)对于主体结构设计方案处理：因网监大厅空间要求，次顶层楼板大开洞，形成平面不规则结构。需要在计算和构造设计方面进行处理。

a.计算时采用PKPM设计软件建模对薄弱层进行验算，取按非刚性楼板假定计算和刚性楼板假定计算的包络结果进行设计。楼板大洞周围形成的穿层柱进行特殊构件计算和设计，对穿层柱采用计算系数调整，设计参数调整的计算处理。无梁拉结的方向按两层层高计算柱高，计算长度系XY向均取为1.25，同时构件抗震构造等级提高一级。

b.构造加强处理：该层开大洞周围楼板加厚加强，及楼板双层双向通长配筋进行加强。楼板大洞周围形成的穿层柱按角柱通长加密箍筋等措施进行加强处理。

4)网监大厅功能要求结构方案：网监大厅功能要求根据设备布置确定大厅地面荷载(在设备资料未有时可按6.0 kN/m2)，大屏幕所在墙面需考虑大屏刚架锚固及荷载(根据监控屏幕大小，综合考虑屏幕重量及支撑钢架和检修马道的重量，按实际重量考虑)。

3.2 设计案例方案特殊处理

3.2.1案例一结构方案

为达到建筑限高要求，将建筑限制在非高层建筑的高度范围内，钢网架结构采取上弦支撑，并缩小网架主体平面尺寸(网架主体平面覆盖范围缩小为41 m×33 m)、将网架镶嵌入钢筋混凝土结构主体的中庭空间中。超出中庭顶部标高通过檩条体系向四周悬挑满足大厅42 m×33.6 m的平面覆盖要求。网监大厅屋盖结构根据当地抗震设防烈度，跨度大小，确定整体结构体系和杆件截面。考虑屋面板及其上防水、保温做法，网架消防管空调风管等的悬挂荷载检修荷载，并根据GB 50009—2012建筑结构荷载规范第5.3.1条：确定恒、活荷载如表1所示。

表1 网架屋面设计荷载一览表

根据GB 50009—2012建筑结构荷载规范第8.1.2条及规范附录E.5采用50年重现期的基本风压0.45 kN/m2。并统一按照24 m高度输入计算网架风压高度系数。温度作用考虑计算正温差1：30.0 ℃，计算负温差2：-30.0 ℃。考虑温度应力影响结合支座竖向及水平最大反力选用平板橡胶支座。为便于生产安装，平板橡胶支座的平面尺寸统一按反力最大的支座统一规格。

屋盖结构方案的处理：整个结构方案传力简单，网架设计成对称结构便于设置杆件、检查计算结果和杆件设计优化，也使得网架厂家生产及施工更方便。结构方案需满足建筑限高及网架下空间要求，满足网管大厅内监控大屏幕、控制台、指挥席等的功能要求。同时需兼顾屋面排水组织、建筑防水保温处理等各专业配合问题。

3.2.2案例二结构方案

网监大厅屋盖结构根据当地抗震设防烈度，跨度大小及其上需要设置大型屋面设备等情况，采用与主体结构一致的钢筋混凝土现浇结构。根据本项目实际情况，考虑屋面设备重量及其上防水、保温做法，并根据GB 50009—2012建筑结构荷载规范第5.3.1条确定恒、活荷载如表2所示。

表2 钢筋混凝土结构屋面设计荷载一览表

4 案例结构方案设计总结

根据以上不同结构网监大厅屋盖的设计介绍，为进一步梳理总结，给出两方案在结构跨度，抗震设防烈度等不同方面的对比。混凝土屋盖结构施工较网架结构简单便捷，较为经济，且工期更短。其他方面的比较详见表3。

表3 案例结构方案对比表

案例结构方案效果如下：

1)方案一较好的解决了抗震设防高烈度区，安全等级为一级的大跨度网监大厅结果设计问题，空间跨度达到33.6 m，监控大厅内部空间开阔。经济效果良好，总用钢量为51 t，每平方米用钢量为36 kg。

2)方案二较好的解决了抗震设防低烈度区，需要利用大厅屋盖顶部摆放大型设备，安全等级为一级的大跨度网监大厅结果设计问题，空间跨度约16 m，施工便捷，工期短，方案效果良好。

3)案例方案设计解决了主体结构因网监大厅空间要求楼板大开洞形成的薄弱部位的验算和薄弱处构件设计加强问题。其中案例一为地震高烈度区大跨度网架结构与钢筋混凝土组合结构，其中网架结构部分与主体结构部分协调受力与变形，整体抗震性能良好。

5 结论

本文通过对实际工程案例的设计总结，对不同基本抗震设防烈度区，不同跨度大小以及不同屋面设备摆放条件下，在主体结构因网监大厅大开间要求拔柱，结构削弱情况设计补强设计问题和网监大厅功能实现等问题进行研究探讨，得出以下结论：

1)钢筋混凝土框架屋盖空间跨度较小。一般根据柱网设计情况按拔一行柱子考虑，跨度一般为15.6 m～16.8 m；空间网格钢网架屋盖适用跨度更大，当有更大空间要求时应考虑采用空间网格结构。

2)大跨度钢筋混凝土框架屋盖适用于低烈度区，因为自身重量大不容易满足高烈度区抗震验算要求。空间网格钢结构屋盖自重轻，自身结构特点较容易满足高烈度抗震要求。

3)大跨度钢筋混凝土框架屋盖造价较低，可以与大楼主体一起实施不用进行钢结构分包施工，施工较为便捷，工期相对较短。

4)在跨度满足要求的前提下，经过承载力和抗震验算，钢筋混凝土框架屋盖可以设置大型设备。而空间网格结构屋盖承载力有限一般为不上人屋面。

5)由于网监大厅功能特点，两种方案主体结构均形成穿层柱及楼板大开洞需要进行相关补充验算及构造加强处理。

6)网监大厅功能要求根据设备布置确定大厅地面荷载(在设备资料未有时可按6.0 kN/m2)，大屏幕所在墙面考虑大屏刚架锚固及荷载(根据监控屏幕大小按实际重量考虑)。