小体量建筑的结构设计智慧

金振奋，李少华，丁 磊

(浙江大学建筑设计研究院有限公司， 杭州 310028)

1 工程概况

本项目位于衢州市开化县岙滩凤凰中路东侧山谷谷口景区入口处，前为钱江源芹江江畔，后为幽静而深远的山谷腹地。基地呈东西向狭长形。

整个项目用地面积为6 168m2，总建筑面积12 206.24m2，容积率为1.46，建筑密度为40.0%，绿地率为20.5%。建筑高度为23.7m。地上6层，地下1层。地上主要功能为城市档案馆和人防指挥中心及住建局三合一的综合办公楼，地下平时为汽车库及设备机房，战时为人防指挥室。

项目地理位置优越，业主希望在青山绿水间建一座兼具开放的参观功能和私密的隐蔽工程的多功能多流线的多层建筑，并充分尊重原有地形地貌。

建筑设计将下部两层利用折板隐于山体之中，上部采用一个漂浮在折板平台上的三层高的长方体盒子，盒子在东侧悬挑于3层以外约12m，使盒子与下部折板平台形成了在错动中取得平衡的一种形体组合。设计采用了大量的不规则平台和悬挑手法，在不同的平台上既可远眺江水，又可近观山谷，使建筑与周边山水、天空融为一体。图1为建成后实景照片。

图1 建筑实景照片

2 结构设计参数

结构设计使用年限为50年，结构安全等级为二级。根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2001)[1]项目所在地的地震动峰值加速度小于0.05g(基本烈度小于6度)，本工程不需要进行抗震设计[2]。根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)，基本风压(50年一遇)为0.35kN/m2，基本雪压(50年一遇)为0.50kN/m2，地面粗糙度B类。

3 基础设计

根据勘察报告，本工程土层分布见表1。基础和桩基设计等级为丙级。根据上部主体结构荷载情况及场地土层情况，经优化比选，采用柱下独立浅基础，基础持力层为第⑥层中风化泥灰岩层。

根据现场开挖情况，发现建筑中部区域存在一条5m左右宽的山坳，进行了补充现场勘察，该区域第⑥层埋深较深，最深处达8m以上，相关区域基础改为人工挖孔灌注墩(桩)基础。墩(桩)端持力层为第⑥层中风化泥灰岩层，墩(桩)端进入持力层深度为0.5m，墩(桩)长约为3～8m。

主要土层物理力学指标 表1

4 主体结构设计

4.1 结构体系的选择

本项目主体结构长103.4m，宽33.4m，地上6层，地下1层，主要层高为3.6m，主要屋面高度23.1m，为多层建筑。结合建筑特点及以往设计经验，采用现浇钢筋混凝土框架结构最为经济合理。

但是本项目造型比较独特，存在大量的折板和悬挑，特别是东侧悬挑达12.1m，偏心严重，结构内部会产生较大的附加应力，采用普通现浇钢筋混凝土框架结构较难实现。

对于这类不规则及长悬挑结构，一般可选择的结构体系[3-4]有以下几种：

(1)钢结构

常规方案可选择普通的钢框架结构，采用钢柱(或型钢混凝土柱)+钢梁的形式。但是由于上部悬挑长度过大，将导致钢柱、钢梁截面较大，影响正常使用，一般也会因为端部挠度较大，影响舒适度。为解决梁高和挠度问题，顶部出挑3层可设置悬挑钢桁架结构，3层共同受力，以解决梁高和舒适度的问题。通过初步计算，此方案是可行的。但存在以下几个问题：1)为抵抗悬挑受力，需要布置一定量的斜拉杆，局部影响建筑使用功能，而且由于刚性连接的需要，框架柱采用型钢混凝土柱，钢梁需内伸1～2跨，使施工难度大大增加；2)采用钢结构成本较高；3)钢结构需进行定期的后期维护；4)根据前期调查，开化是浙西一个山区小县城，当地缺少有规模的钢结构厂家，而且当地施工单位基本没有大跨度、高难度的钢结构施工经验。业主和施工企业均不希望采用钢结构，这成为了放弃该方案的主要因素。

(2)混凝土结构

综合各种因素，考虑采用传统的现浇钢筋混凝土结构。为了解决长悬挑的问题，控制结构梁高度，利用上部3层设置钢筋混凝土桁架，根据建筑使用功能要求，只能在盒子的两侧各设置一榀桁架，共两榀，并设置斜杆。通过计算，发现桁架斜杆中应力过大，导致斜杆截面及配筋均比较大，施工难度较大，且影响建筑使用。同时由于悬挑长度较大，在靠近悬挑端周边几跨中均产生了较大的拉应力。通过计算比较，提出由适量的剪力墙代替斜杆，并在悬挑端内侧合适的位置(比如楼梯间等)也设置适量的剪力墙，用以抵抗悬挑引起的内侧的拉应力，最终形成框架-剪力墙结构体系。通过多种软件分析比较，此结构方案具有可行性。

设计时悬挑部分采用如下结构形式：悬挑端两侧设置两片剪力墙，在建筑需要的地方开设洞口，与楼层处梁共同形成开洞实腹剪力墙桁架，通过4层梁板结构连成整体，通过加大上、下两层楼板厚度，最终形成了箱形截面的实腹空间桁架。通过计算，各项指标均能满足要求。该方案有以下优点：1)以开洞剪力墙代替了竖向桁架柱，不占用建筑空间，不突出墙面，不影响使用；2)通过设置剪力墙，大大增加了悬挑部分的刚度，减小挠度，提高舒适度；3)通过设置剪力墙，调整应力分布，大大减小悬挑端部的应力集中，提高安全性；4)在悬挑端内侧合适的位置也设置适量的剪力墙，来抵抗偏心悬挑引起的内侧附加应力，使得整体结构形成了框架-剪力墙结构体系；5)由于采用传统现浇混凝土结构，减小了施工难度，提高了可靠性。

终上所述，在综合考虑成本控制、后期维护、施工界面交接以及当地施工水平等多种因素的前提下，设计采用了施工可靠可控的现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。能够实现建筑师提出的漂浮盒子和折板平台的设计理念，巧妙地解决了功能流线、成本控制、结构合理性等多种不利因素的影响，实现了一座特色建筑与周边环境的相生相融，充分体现了结构成就建筑之美，展现了结构工程师的设计智慧。

4.2 结构构件的布置

剪力墙的设置数量和位置成为了本工程的关键因素。结构设计时，结合建筑需求和功能，通过多方案的计算和比选，来最终确定比较合理的方案。图2，3为典型楼层结构平面布置图，剪力墙主要设置在两榀悬挑桁架、与桁架相邻的内侧一跨及上下贯通的楼电梯间处。剪力墙厚度为250～400mm，框架柱截面为800mm×1 200mm～600mm×600mm，主要柱间跨度为8.100m，主要框架梁截面为400mm×700mm。

图5 3～6层弯矩包络图/(kN·m)

图6 3～6层剪力包络图/kN

图7 4层楼板最大应力包络图/(kN/m2)

图8 屋面层楼板最大应力包络图/(kN/m2)

图2 2层平面布置图

图3 4层平面布置图

4.3 结构计算

采用SATWE，MIDAS，SAP2000等不同整体计算软件进行计算比较。以MIDAS计算结果为例进行说明。

图4为整体计算模型的三维视图，图5～8分别为计算的上部四层的弯矩、剪力包络图以及4层、屋面层楼板最大应力包络图。

图4 计算模型的三维视图

由图5～8可见，悬挑梁最大弯矩为2 180kN·m，分布在5层和6层的外侧悬挑梁上；最大剪力也分布在该部分悬挑梁上，为2 860kN。悬挑部分的楼板应力较小，未出现较大应力分布区。

表2为结构计算分析的主要计算结果。

结构计算分析结果 表2

图9 悬挑部分弯矩计算结果/(kN·m)

图10 悬挑部分剪力计算结果/kN

图11 悬挑部分结构设计详图

图12 MIDAS悬挑部分挠度云图/m

图13 4层楼面挠度云图/m

图14 屋面层楼面挠度云图/m

由计算结果可知，整体性能良好，结构方案能保证结构的整体安全。

为了更加准确地计算东侧悬挑部分受力情况，采用MIDAS建立了精细化模型，进行了单独的计算和分析，图9为悬挑部分梁柱和剪力墙的弯矩计算结果，图10为悬挑部分梁柱和剪力墙的剪力计算结果。

由图9，10可知，悬挑部分的底层的结构构件弯矩及剪力较大，以上各层内力分布均匀，符合结构受力特性。

设计时根据三个整体结构分析模型计算结果以及局部结构构件的计算分析结果，采用包络设计，确保整个结构及悬挑部分的安全性。图11为悬挑部分的结构设计详图。

4.4 结构舒适度验算

(1)悬挑部分舒适度验算

由于悬挑较大，为了保证结构悬挑部分的挠度和舒适度的要求，采用MIDAS进行了挠度和舒适度的计算，计算结果见图12～15。由计算结果可见，最大挠度均发生在悬挑最外侧的中间部分，最大挠度为26.9mm，约为悬挑梁长度的1/900，控制在《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[5](简称混规)允许的范围内，舒适度高于规范要求，能确保业主的舒适使用。此外，还按混规要求起拱不小于0.2%L(L为计算跨度)，基本可抵消悬挑引起的挠度。

为确保安全，根据要求，在施工过程中各阶段(包括土建施工完成并达到强度、卸载过程、卸载后、砌体及外墙完成、装修完成后等阶段)均进行了悬挑端部挠度的监测。工程验收阶段，对比由施工单位所提供的实测值与理论计算值，实测值均略小于理论计算值。

图15 2～6层整体挠度云图/m

图16 施工阶段挠度云图/m

图17 施工阶段3～6层弯矩包络图/(kN·m)

图18 施工阶段3～6层剪力包络图/kN

图19 施工阶段4层楼板最大应力包络图/(kN/m2)

图20 施工阶段屋面层楼板最大应力包络图/(kN/m2)

图21 施工阶段4层楼面挠度云图/m

图22 施工阶段屋面层楼面挠度云图/m

(2)楼板舒适度验算

楼盖结构竖向自振频率及自振加速度计算见表3。由表3可知，楼盖结构的竖向自振频率均不小于3Hz，楼盖竖向自振峰值加速度均小于限值0.05m/s2，符合混规中楼盖舒适度的要求。

楼盖结构竖向振加速度αp 表3

4.5 施工模拟计算

由于施工单位缺乏相关施工经验，应业主和施工单位要求进行了施工模拟计算，并根据施工模拟计算结果来调整整体结构的设计，采用计算结果包络设计。施工模拟阶段主要是在悬挑端的下部设置竖向支撑时，其余各楼层的施工过程中，其梁、柱、剪力墙中的内力变化，以及竖向支撑拆除后，其梁、柱、剪力墙中内力变化。

图16～22给出了施工模拟条件下MIDAS计算的竖向构件拆除前弯矩、剪力包络图以及4层、屋面层楼板的最大应力包络图和挠度云图。由图可以看出，在悬挑端设置竖向支撑时，各楼层的梁、柱、剪力墙的内力及梁、板的挠度变形，均符合混规的要求。

考虑到悬挑部分的整体受力的要求，该部分的施工需要始终在下部支撑结构的维护下进行，因此在主体结构施工完毕，且混凝土强度达到要求后，方可拆除悬挑部分下部支撑结构，严格按照施工过程一次加载的要求进行。

4.6 施工现场控制和卸载方案

由于悬挑部分有3层，荷载较大、构件较重，且高度较高，属于重载高大支模架。配合施工单位提出了多种支模架的方案，并进行计算比选，在与施工单位多次充分沟通并经专家论证会讨论，最终确定了支模架方案如下：

悬挑端外侧下部设置3根竖向钢筋混凝土支撑柱，柱顶设置与悬挑底部位置相同的钢梁，在每根梁交界处均布置千斤顶，共布置35个千斤顶。施工阶段悬挑部分均支撑于千斤顶上。

为了保证悬挑部分卸载过程中的安全，对卸载过程中挠度、裂缝进行了分析计算，并提出了详细的卸载方案。根据每个千斤顶位置计算的最终挠度值，分5次进行卸载，每次卸载均从外侧向里逐步推进，实时测量悬挑各部位挠度和裂缝。

4.7 结构超长措施

本工程主体结构长103.4m、宽33.4m，由于建筑使用功能要求不设伸缩缝，为防止结构超长导致结构材料收缩、温差等变形应力过大引起结构裂缝的产生，采取多种措施，将裂缝控制在规范允许的范围内：1)设置多道施工后浇带；2)采用MIDAS计算各处楼板中的应力，并作为楼板配筋设计依据，在应力较大处增设构造配筋。

5 结论

(1)项目以尊重原有场地为出发点，辅助建筑师提出了漂浮盒子和折板平台的设计理念，巧妙地解决了功能流线、成本控制、结构合理性等多种影响因素，实现了一座特色建筑与周边环境的相生相融。

(2)新结构体系的应用：顶部3层东侧悬挑12.1m，综合考虑成本控制、后期维护、施工界面交接以及当地施工水平等多种因素，采用可控的现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，以开洞剪力墙与梁板组成箱形截面的实腹空间桁架，不仅解决了大跨度悬挑和梁高限制的问题，而且结构形式对南北立面及平面功能没有任何影响，实现了结构与建筑的完美结合。

(3)对顶部3层长悬挑部分进行了裂缝、挠度和舒适度的验算，确保结构安全性和使用的舒适度。

(4)结合大跨度悬挑部分一次加载要求，进行施工阶段模拟验算，以指导设计和施工。对于长悬挑部分提出了施工现场控制的要求，并制定了详细的卸载方案。