公共建筑结构设计要点探讨

杨淑斌

基准方中建筑设计股份有限公司 安徽 合肥 230071

引言

如今，随着我国不断加快的城市化进程，全国各大城市都在推进大型公共建筑的建设，其中很多大型公共建筑已经投入使用，或者一些公共建筑正处于建设阶段。城市居民的重要活动场所是公共建筑，其结构设计直接影响人们的整体体验，同时也会对建筑的质量有严重影响。因此，需要重点探讨公共建筑的结构要点，文章通过对大型公共建筑概念设计理念进行分析，主要目的是为公共建筑结构设计提供建议。

1 公共建筑结构设计要点探析

1.1 基础设计

由于公共建筑具有建筑体量大、跨度大、基底面积大等特征，因此，在设计地基阶段，对建筑基础结构设计提出较高要求，在设计前期，需要仔细阅读项目岩土工程勘察报告，分析地质条件和土层分布情况，通过经济技术对比选用合理的基础方案，如桩基础、天然基础。另外在设计阶段，还需要根据地勘报告中地下水位、抗浮水位情况等条件判断是否需要进行抗浮设计。常见的抗浮方案有：增加基础埋深用于回填材料，增加配重、抗浮锚杆、抗拔桩等。

1.2 主体结构设计

学校、影剧院、体育馆以及医院等大部分公共建筑，屋面造型复杂，都具有复杂的空间结构，因此，设计人员分析结构受力比较困难，如果在主体结构设计不合理，结构设计概念有误，存在质量安全问题，通常会导致安全事故出现[1]。所以在设计时，对主体结构进行概念设计，使主体结构要有足够弹性变形能力。这样，在出现地震等突发状况时，整个结构保持弹性状态，就可以提升公共建筑安全性。在实际设计阶段，复杂的空间结构体系为空间桁架结构或者网架结构，材料采用高强、重量轻的钢结构。需要分析计算结构整体模型，重点进行节点设计，使底部混凝土与空间结构具有可靠的连接节点，在荷载作用下与建筑上部屋盖具有协同变形能力。协同作用是指上部空间结构与主体混凝土结构之间保持密切联系，在结构变形或荷载的作用下，二者关系协同良好，共同抵抗变形或者结构荷载，最大限度发挥材料性能。另外，通过优化空间结构的节点设计、优化混凝土结构截面，降低钢结构用量，减轻结构自重，减少建筑材料用量，使得公共建筑更加经济环保。

具体来讲，对一些公共建筑，其上部空间结构在荷载作用下的支座反力会通过连接节点传递到混凝土主体结构柱顶位置，通过利用相关结构分析软件，对公共建筑混凝土结构进行结构计算与受力分析，同时还需要进行地震作用下的抗震性能分析。对于公共体育馆建筑，在整个建筑结构结构中，主要荷载位于整个建筑的看台部分。其主要的抗侧力构件，是看台的框架柱和斜梁。在结构布置时，需要将结构的刚度中心稍微偏移。另外，同时，为了降低看台柱的计算长度，可以在不影响建筑功能的前提下，通过在建筑上部结构的框架柱柱顶及中间部位，设置多道联系环梁等方法。这样可以最大限度地促使结构刚度中心位置偏移，减少因为刚度偏心对结构整体稳定性的影响，使整个结构刚度得到提升[2]。

1.3 预应力混凝土梁设置

在一些公共建筑设计中，如果公共建筑功能或者需求较为特殊，还需要考虑建筑的使用情况，对楼板舒适度进行验算。如体育馆建筑，经常会有篮球、网球等剧烈运动，如果区域梁跨度过大，则就会出现比较强烈的竖向振动，为了增强楼板的舒适度，消除使用者的不安全感，避免发生共振现象，建筑结构竖向自振频率需要大于3Hz[3]。除此之外，对于体育馆建筑，其使用功能及跨度的要求，不允许设置结构柱。同时，还需要保证净高的要求，可以同时设置混凝土预应力梁，保证结构安全的前提下，减小混凝土梁的截面。预应力是指通过提前对混凝土结构施加压力，使结构产生的预应力状态。通过设置预应力梁来充分利用混凝土和钢筋的抗压、抗拉强度，以减小或抵消外荷载所引起的拉应力，从而控制预应力梁的裂缝及挠度。

1.4 建筑顶部设计

1.4.1 建模。在设计建筑顶部时，需要对相关计算模型进行结构计算。一般情形下，需要单独计算公共建筑的顶部，同时还需要实施建模计算，计算顶部与下部混凝土框架连接，总而言之，要以计算模型为核心，基于理论基础上对计算结果进行判断与使用，对整体结构进行分析与设计。

1.4.2 分析荷载。在对公共建筑顶部荷载进行分析阶段，需要考虑建筑物的恒荷载、活荷载、风荷载，同时也要考虑到地震作用的实际情况，需要对上述荷载多种组合工况进行计算，如果建筑物在多地震带，则还需要考虑双向地震，其中包含竖向地震和水平地震。根据建筑所属地理位置，选取合理的荷载参数，如基本风压、抗震设防烈度、地震分组等关键参数。

1.4.3 附属结构。建筑顶部的主要附属结构，包含天沟支架结构和天窗支架，根据实际情况观察，由于公共建筑的顶部支架接触最多外界环境，容易受到外界温度变化的影响，导致天沟拉裂出现漏水情形。附属结构一般采用轻型钢结构，包含槽钢、檀条、压型钢板等。而檀条的结构主要包含实腹式结构和蜂窝式结构等，在项目设计中得到广泛应用的实腹式结构。对于局部凸出屋面的附注结构，在设计过程中，需要对实际局部风荷载系数进行考虑，同时要加强局部分析，避免结构设计出现问题。

1.5 抗震结构设计

在结构设计中，抗震设计作为最重要部分，对于整个建筑的安全性有直接影响。目前最常用的抗震建筑材料为钢结构，材料的抗震性能较好，且重量较轻，使建筑整体性得到提升，建筑抗震性能也有所提高。由于钢结构材料具有较高强度，在地震作用下就会承受较大能量，且由于钢结构的材料特性容易仅仅出现变形，则会导致整体结构倒塌、断裂情况发生。

在抗震结构设计时，需要选取正确的抗震设防参数。从抗震概念上，要特别重视刚度突变、楼板开洞等传力不连续现象，避免由于应力过于集中，对于建筑抗震性能有所影响[4]。因此，结构设计人员需要重视梁和柱节点核心区，以及梁和剪力墙、结构柱和剪力墙的布置等位置，这些位置结构布置不合理，上下刚度不连续，就会导致作用力的传接不够通畅，导致整个建筑抗震性受到不良影响。

2 公共建筑结构核心问题探讨

公共建筑通常具有建筑功能复杂、人员密集等特点，不同类型公共建筑造型和功能不同，但结构设计的核心问题基本一致。医疗建筑是所有公共建筑中最常见的一类，下面就以医疗建筑中的医院为例，探讨公共建筑中结构设计的核心问题。

2.1 抗震设防分类

医疗建筑在抢救生命中具有非同寻常的作用，不仅在平时使用功能中作用重要，同时在抗震救灾中也显得尤为重要。因此，医疗建筑不仅需要满足在大地震中不倒，同时，还能够在地震之后继续担负起救援的重要责任。所以，对医疗建筑抗震设防进行分类，针对医疗建筑，确定其抗震设防分类标准，需要高于当地房屋建筑的抗震设计需求，使得医疗建筑在地震时也同样具备使用功能不能中断或尽快恢复抢险救灾、救治生命的功能。

例如，对于医疗建筑中三级医院来说，需要承担较为重要的医疗任务的门诊、住院用房，将其规为特殊设防类，医院建筑中提高抗震设防，主要是提高医技、门诊和住院等设防。而仅仅用于教学的行政楼和污水处理站等地，均不在设防提高范围之内，可按标准设防类进行抗震设计即可。

2.2 楼板设计

由于医疗建筑具有人流密集、设备较多等特征，因此一般选择楼板的厚度为120mm，对于跨度和荷载较大处，可以适当加厚楼板，满足受力及变形要求。如果有特殊防腐需求，则楼板的厚度不能低于150mm。

另外，由于医疗建筑具有复杂的工艺流程，同时房间功能存在不同，因此，在室内所配置的仪器设备也有所差异，所以在建筑医疗室阶段，要重视荷载的取值，尽可能细致地确定不同功能房间的荷载，在结构设计中，需要根据建筑图与设备图提供资源，预留好屋面、重型设备和载荷载，避免未考虑荷载现象的存在[5]。

对于有特殊功能的房间需要考虑其特殊的结构布置和荷载需求，如CT高压氧舱等房间，荷载需求较大，一般会设置在地下室顶板，或者首层地面荷载较强的部位，需要设置专门检修管沟，楼板需要降板值高于300mm，低于700mm，在一般设备区域，需要设置钢筋混凝土作为基础设备，如果不是设备区域，则可以采用陶粒混凝土等轻质材料进行回填，需要考虑到降梁降板之后，下部净高的影响效果[6]。结构设计时需要考虑回填材料的荷载。

除此之外，医疗建筑的设备在经过厂家深化之后，需要从发展角度进行调整，医院在未来发展中，将会扩大规模，一般会扩充医疗设备，从此角度出发，考虑后期改造的可能性，为后期改造预留条件，结构设计配筋包络设计。

在楼板设计时，还需要考虑设备吊挂荷载，由于医疗建筑中需要很多用水的点，部分房间有洁净要求，除此之外，顶部楼板严禁楼板开洞走管线，因此，会有洁净要求的房间顶部上层设置双层板。

2.3 墙体设计

医疗建筑过程中，为了减轻建筑物自重，会选用轻质墙体材料，一般内部隔墙通常会应用蒸压加气混凝土挑板（ALC板）。但对于一些特殊的意义及用法，例如CT、DSA等，都有不同程度的防辐射要求，同时对于墙壁的材质和厚度也有一些要求，如果有防辐射要求的墙体，则需要采用密度大于15kN/m³，同时厚度要使用240mm的水泥，实心砖砌体不能出现缺损，砖缝处的水泥砂浆要饱满。如果墙体有防辐射要求，则可以根据需求采用200厚至500厚的钢筋混凝土墙，但是需要考虑到钢筋混凝土对结构刚度是否存在影响，对于剪力墙墙不能落地的情况，还需要考虑荷载影响。可以在墙体外挂铅板，或者在墙体分层涂刷钡水泥，进一步提升墙体的防辐射能力。

如核磁共振房间需要直线加速器等功能，钢筋混凝土墙的厚度需要大于1.2m小于2.5m，同时需要巨大荷载，可以在基础层内设置荷载。同时在没有防护情形下，直线加速器机房内的电磁辐射会导致周边人员造成伤害。加速器室的混凝土结构需要避免出现射线穿透的裂缝，所以在浇筑大体积混凝土过程中，需要严格要求施工质量。在设计文件中需要考虑大体积混凝土处理方案，在选择水泥阶段，可以选择水化热较低的矿渣硅酸盐水泥，可以参加少量添加剂。施工时，对施工单位进行交底，施工单位编制专项的大体积混凝土施工方案，采用连续浇筑方法。

2.4 设备运输安装

对于一些设备在安装阶段，需要考虑大型医疗设备运送宽度，运送通道宽度为3.0m，通道楼板荷载要按照设备荷载提资要求进行预留。进入CT 等房间，要在墙体预留门洞，设备进入之后封堵，一般情况下，预留门洞的尺寸要高于2.8m×2.8m，CT的预留门洞尺寸要高于1.5m×2.1m，如果设备运输阶段需要转弯，也需要留出足够的位置。

3 结束语

现如今，我国逐渐走向新型城镇化的进程，因此人们对城市公共建筑的需求量逐渐增多，在设计公共城市建筑结构阶段，需要考虑公共设施的安全性和稳定性，同时也要考虑公共建筑的舒适感，为人们提供理想的建筑，设计优质的公共建筑，对于社会长远发展有重要价值，为其奠定良好基础。