多功能社区服务中心创新设计研究

汤冰岩，王学琨，吕佰毅，刘 梅

（山东大学土建与水利学院，济南 250061）

社区作为城市基本单元，社区中心是基层服务的重要单位，对城市发展具有重要作用，也是提升居民居住体验的重要环节。近年来，突发公共卫生问题引起人们的广泛关注，社区服务中心在其中扮演极为重要的角色。本研究旨在设计一种多功能社区服务中心，在平时可作为社区居民的文化娱乐健身场所，在突发公共卫生事件情景下，可满足检测隔离、疫苗注射等功能要求。

1 设计概况

社区服务中心的日常功能包括社区办公室、社区服务厅、阅览室、篮球场、健身房、台球室、文体活动室、调解室、残疾人康复室、门卫用房及其他交通空间等；突发公共卫生事件时，功能包括等候室、登记室、临时疫苗注射站、观察室、临时隔离病房、护士站及其他服务设施和交通空间等。

本社区服务中心总建筑面积为3 257.28 m2，地上主体结构4 层，中部2—4 层的大空间为标准篮球场地，配套设施可满足篮球比赛的需求，同时可以兼做演艺等功能要求。两侧对称结构用于社区活动用房及运动场地，以闹区静区区分。设置内侧走廊于房间与大空间之间，走廊与内部大空间之间采用墙体分隔保证良好的隔音效果。一楼中部以走廊分隔，四周分布房间主要用于社区居委会办公及社区警务室。两侧均设有楼梯电梯，连接一至四层。在一楼的西南角是主出入口，配套无障碍通道。东北及东南各有2 个次出入口，同时作为消防出入口。

结构主体采用钢框架结构，结构柱采用钢管混凝土柱，钢管为焊接矩形钢管，内填C30 混凝土，梁采用创新型圆角多边形孔蜂窝梁，暖通管道可从梁孔穿过，节省建筑空间，大跨度梁采用创新型带阻尼器的钢筋桁架，受力性能好，节省钢材。支撑采用多层套管防屈曲支撑，提高抗震性能。楼板采用200 mm 厚预制钢筋混凝土板，屋面板采用ALC 板。

结构整体采用装配式方案，避免现场焊接，梁柱与梁-梁之间通过螺栓连接。楼板采用预制钢筋混凝土楼板，隔墙采用200 mm 厚蒸压加气砼板，中部大空间顶部设置钢筋桁架大跨度梁，侧面薄弱区域使用支撑加固，建筑外围采用双层玻璃幕墙，布置太阳能板，意在装饰与实用性兼顾。

钢结构材料统一采用Q345B。钢材应保证抗拉强度、屈服强度、伸长率、冷弯试验等力学性能和硫、磷等化学成分含量符合国家现行标准要求；尚应保证碳当量符合限值。钢材的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.2，管材不应小于1.25。钢材应有明显的屈服台阶；伸长率应大于20%；应具有良好的可焊性和合格的冲击韧性。所有管材、型材壁厚截面公差只允许出现正公差，且正公差值应满足规范要求。

2 功能转换设计

平疫空间转换需快速、方便，且隔墙需满足防火要求。利用防火卷帘实现空间转换。通过传动装置与控制系统来控制防火卷帘帘面升降。在大型商场、演出文化厅、图书馆等工业与民用建筑中防火卷帘随处可见，外形美观的同时，具有防火隔火效果，在火灾等意外情况发生时，可以有效阻挡火势的蔓延，保护人民生命财产安全，已成为现代建筑中必不可少的防火设施。在防疫期间需要加隔墙处设置防火卷帘，防火卷帘用作隔断墙需加水幕保护，在平时，防火卷帘收起，疫情时期将防火卷帘放下作为隔墙，形成隔离室，可以不改变室内房间陈列布局，隔绝两室间空气流通，快速实现空间转换，且防火卷帘方便更换维修。此外，结构设计有大跨度空间，可以在突发状况下实现快速转换利用。

3 创新技术应用

3.1 单边螺栓技术

单边螺栓是一种具备普通螺栓的基本力学性能，还能够实现单侧安装，单侧拧紧的功能，可以很好地解决使用封闭式截面钢材的钢构件之间的连接问题的新型螺栓。本工程为钢结构，主要受力构件包括H 型钢梁、钢管柱。H 型钢梁的梁-梁连接节点采用普通高强螺栓连接较为容易实现；然而，对于钢管柱而言，由于钢管柱壁的遮挡，在拧紧螺栓时存在手无法进入的位置，对于高强螺栓的安装十分困难，如果能在不破坏钢管其他部位的前提下，完成高强度螺栓连接，则可大大缩减对具备高技术水平焊工等技术力量的需求，只采用较为简便的方法便可以保证钢结构连接节点的安装质量，大大节省施工成本，提高安装效率。

单边螺栓是一种可以满足上述要求的工程解决方案。首先，通过合理的构造设计能够实现单边螺栓与国内外标准螺栓相近甚至相同的力学性能，包括抗拉、抗剪承载力等；其次，单边螺栓可以从单侧拧紧而不破坏钢管，施工简单方便。

本项目中单边螺栓连接节点形式共2 种：方钢柱-H 型钢梁连接，方钢柱-柱连接。采用了新型单边螺栓即螺纹锚固单边螺栓，方钢柱-H 型钢梁节点采用带内置加强段的螺纹锚固单边螺栓连接技术；方钢柱-柱连接采用外置套筒-螺纹锚固单边螺栓连接技术。

本设计使用的螺纹锚固单边螺栓特点为：①不需要特殊的螺栓制造工艺和安装工具，避免了螺栓预紧力的损失。②与传统螺栓相比，节省了螺母和垫片。③对厚度较大的连接板，还可减小螺杆长度，因此更方便和经济。

3.2 圆角多边形孔蜂窝梁

传统蜂窝梁（蜂窝钢梁常用孔型包括圆孔、矩形孔和六边形孔）是通过将H 型钢梁沿腹板曲线切割，然后错位焊接制成。相比原型钢，蜂窝梁使得截面高度增加，且抗弯刚度也变大。开孔不仅可以达到减轻结构自重、节约钢材的效果，而且可使管道设备穿过孔洞布置以降低建筑层高，外形美观。

由于孔洞破坏了腹板的连续性，相比实腹型梁，蜂窝梁可能在孔洞处发生塑性破坏或在孔洞间因受剪而屈曲破坏。当孔洞较大时，孔洞4 个角部受竖向剪力二阶弯矩的影响易形成塑性铰，形成费氏剪力塑性机制破坏；当孔间距较小时，竖向剪力在狭长的孔间腹板内形成斜向受压区域，易发生S 形弹塑性屈曲破坏。

当孔间腹板中部的对接焊缝长度过小时，腹板中的水平剪力可能引起水平焊缝破坏。无加强措施的孔间腹板在集中力作用下还可能发生局部压曲破坏。

蜂窝钢梁常用孔型包括圆孔、矩形孔和六边形孔。设计提出一种新型圆角多边形孔蜂窝梁，圆角多边形孔蜂窝梁与六边形孔相比，孔角处圆弧可减少应力集中，承载力可提高10%～15%。与圆孔相比，仅需切割一次，且减少了钢材浪费，不损失扩展比（切割拼接成的蜂窝梁高与原实腹梁高之比）。

首先，与拉长圆孔蜂窝梁相比，由于在圆角多边形孔蜂窝梁制作过程中浪费的钢材较少，所以，当2 种蜂窝梁孔间距相同时，圆角多边形孔蜂窝梁的孔间腹板宽度更大。在相同的孔间距下，新孔形蜂窝梁相比于拉长圆孔蜂窝梁承载力提高率大概在40%左右。同时，切割成本节省一半。

六边形孔、圆孔及孔角修圆的多边形孔蜂窝梁的截面高度、孔高、孔间距和跨度相同时。六边形孔蜂窝梁和圆角多边形孔蜂窝梁的位移-荷载曲线基本重合，圆孔梁的整体刚度比前两种蜂窝梁略高，3 种梁的应力发展的趋势一致，应力集中首先出现在孔洞周边，然后从孔角发展至翼缘。

采用圆角多边形孔蜂窝梁的诸多优势：①相比较于传统实腹梁，蜂窝梁可以减轻结构自重。②相比较于传统实腹梁，蜂窝梁可以节约钢材。以上2 点在本次设计中的体现是，通过计算，采用圆角多边形孔蜂窝梁后钢材节省大约8%～12%。③相较于传统的实腹梁，蜂窝梁更有助于管道布置，降低建筑层高。④相较于传统的蜂窝梁，采用圆角多边形蜂窝梁切割次数少，不损失扩展比。⑤在相同的孔间距下，新孔形蜂窝梁相比于拉长圆孔蜂窝梁承载力提高率大概在40%左右。

3.3 带阻尼器的钢筋桁架梁

以钢筋为上弦、下弦及腹杆，通过电阻点焊连接而成的桁架叫做钢筋桁架。而钢筋桁架梁是在钢筋桁架基础上对其尺寸及上下弦杆进行改装，得到了由型钢组成上下弦杆，钢筋构成腹杆梁的一种形式。钢筋桁架大跨度梁则是由一个钢筋桁架梁组成，将梁和桁架的优点集于一身，具有良好的性能。钢筋桁架梁的下弦通过一段型钢与阻尼器进行连接，可以通过阻尼器来提高建筑结构的稳定性。

钢筋桁架梁结合了桁架和梁这2 种构件的优点，不仅在强度上满足建筑承载力的要求，在自重方面也具有一定优势。我们以大跨度钢管桁架为比较对象，对钢筋桁架梁的优点进行叙述。

钢筋桁架梁更节约空间。钢筋桁架竖向尺寸约为660 mm，约为大跨度钢管桁架的0.6～0.8 倍，极大节约了竖向空间。在一些对竖向空间有一定要求的建筑中，钢筋桁架梁和大跨度钢管桁架相比就有较大的优势。另一方面，大跨度钢管桁架更偏立体，占用空间较大，适合充当运动馆等大跨度建筑的楼面支撑，而不适合用于承担楼板结构。

钢筋桁架梁自重更小，节约了用钢量。因为钢筋桁架梁体积小，能够节约用钢量，所以和大跨度钢管桁架相比，钢筋桁架梁能够有效地降低结构的自重，既节约了钢材，又降低了其他结构的承重。所以钢筋桁架梁在一些建筑中更有竞争力。

钢筋桁架梁更便于制造和组装。钢筋桁架梁主要由钢筋和型钢等部分组成，组成材料较简单，易于制造加工，生产周期短。在组装方面，和大跨度钢管桁架相比，钢筋桁架梁的结构简单，便于组装，其所要求的工艺并不复杂，使其在生产组装方面具有一定优势。

钢筋桁架梁和建筑结构有良好的相容性。钢筋桁架梁在建筑结构中主要起到承受竖向荷载，承载楼板或屋面。其结构能够作为楼板和屋面安装结构的一部分。当钢筋桁架梁承载楼板时，其钢筋腹杆的上部尖角处起到剪力钉的作用，能够减少剪力钉的使用，简化工序。钢筋桁架梁承载装配式屋面（如ALC 屋面板）时，其钢筋腹杆尖角处能和屋面板的安装构件结合，有利于屋面板的固定安装。

钢筋桁架梁安装方便。钢管桁架在许多大跨度建筑中得到了应用，但是安装方法和步骤往往是建筑建造过程的一个重难点，其安装较复杂，这在一定程度上增长了建筑工期，对建筑过程产生一些影响。而钢筋桁架主梁主要由柱和钢筋横向桁架支撑，所以其安装步骤和工序较简单，能有效提高建筑施工效率。

钢筋桁架大跨度梁的承载能力完全能够符合建筑要求。钢筋桁架大跨度梁主要起到承载屋面板的作用。该建筑中的屋面板主要采用ALC 板，其轻质高强的特点在一定程度上降低了钢筋桁架大跨度梁承载的重量，所以钢筋桁架大跨度梁的承载能力完全能够满足建筑所需要求。

3.4 交叉布置式三重钢管防屈曲支撑

传统的防屈曲支撑（BRB）通常是由内置的芯材钢板、限制芯材屈曲的外套管，以及芯材和外套管之间的填充材料组成。填充材料通常为较低抗拉强度的材料，比如混凝土，其受压破碎后会极大降低BRB 的滞回性能。

传统防屈曲支撑的缺点：①钢材浪费。由于传统防屈曲支撑主要受力元件为芯材部分截面面积集中，长细比较大，容易发生屈曲。为防止芯材屈曲需增加截面尺寸较大的外套筒，外套筒主要防止芯材发生整体屈曲，不参与承受轴力，未充分利用钢材，导致钢材浪费，而且需要在芯材与套管之间填充混凝土类材料，材料用量大。②自重大。芯材与外套筒之间的混凝土类填充材料自重大，强度低。③芯材与外套筒之间的约束混凝土，在地震往复荷载作用下，容易被压碎而失去约束与防屈曲作用，致使防屈曲支撑的耗能能力大幅降低。④如需降低防屈曲支撑的承载力，需要在芯材上开槽或者开孔以此削弱芯材，施工工艺麻烦，品质控制难度大，降低支撑可靠度。

三重钢管防屈曲支撑采用钢管作为芯材，是主要受力件。设置在支撑芯材内部的内套管，以对支撑芯材提供环向预拉应力并提高支撑芯材的整体稳定和局部稳定承载力。设置在支撑芯材外部的外套管，以提高支撑芯材局部稳定承载力和整体稳定承载力。

三重钢管防屈曲支撑优点：①节省钢材。受力的主要部件钢管采用闭口空心的截面，相比较于普通一字型实心截面，空心闭口截面的截面扩展，回转半径大，本身即具有较大的抗屈曲能力，受力合理，可减小外约束套管和内约束套管的材料用量。②自重小。本发明横截面虽然为三层钢管，但组合后的截面仍然为空心截面。相对于实心截面，构件重量大幅度降低。③耐久性和滞回性能好。支撑芯材、外套管和内套管均匀钢材，强度高，耐久性好，滞回性能好。④对芯材施加环向预应力，造成芯材在轴向承载能力下降，从而使支撑芯材更容易进入屈服的特点，提高抗震耗能能力。

本次设计采用交叉布置，相比于人字形布置的支撑，交叉布置的支撑减小了支撑平面内的计算长度，减小了防屈曲套筒的材料用量。人字形支撑大幅度削减了结构的最大承载力、整体刚度以及耗能能力，此外，使得支撑的等效黏滞阻尼比在屈服后快速下降；交叉布置的防屈曲支撑的等效黏滞阻尼比在支撑出现屈服后均匀增长，具有更加稳定的耗能能力。

通常情况下，屈曲约束支撑在设计时，与框架结构连接方式为铰接连接，所以，在节点构造设计时，应尽量减少二次弯矩，降低转动刚度。常用的铰接节点连接方式有销轴连接和螺栓连接。本工程屈曲约束支撑端部采用铸钢件方式与连接板销轴连接。在不影响建筑使用的情况下，方便更换大震后产生较大屈服的屈曲约束支撑。此外，由于节点区段长度和刚度对防屈曲耗能支撑的综合刚度影响很大，节点区段的构造对支撑综合刚度的影响应该和计算假定相符。节点板的稳定性也是节点构造中需要仔细斟酌的内容，避免因节点失稳使得防屈曲支撑的耗能能力降低。节点区的长度越长，作为耗能元件的约束区段越短，支撑的耗能能力越差。

4 结束语

本社区服务中心功能多样，在满足日常功能需求的同时，可以有效应对突发公共卫生事件。本结构为装配式钢结构，具有施工周期短、坚固耐久等特点。各部件运抵现场组装，设计中梁柱节点、柱柱拼接节点采用螺纹锚固单边螺栓，从而减少使用具有高技术要求的焊工等技术力量，能够用比较简单的方法保证节点连接的质量，节省施工量和人工费。通过布置钢筋桁架和圆角多边形蜂窝梁，大大减少了钢材用量和结构自重，且承载力有一定幅度提高。通过合理布置防屈曲支撑为结构提供抗侧刚度，避免地震时发生严重破坏，确保结构安全，并且新型交叉布置式三重钢管防屈曲支撑相比普通支撑有更好的耐久性能和滞回性能。施工现场文明程度高，噪声粉尘和建筑垃圾少，并且受季节及天气影响较小，可以现场安装与工厂制作平行进行，甚至一些标准化构件可以随时订货，随时施工，缩短建造周期及资金占用时间。