上海之景市政建设规划设计有限公司 上海 201508
摘要：装配式建筑的结构设计是在原来设计的过程中，增加了更多新的内容：PC专项设计与深化、BIM技术等，这些都是装配式设计不可或缺的部分。但所有新增的内容均是以传统的结构设计为基础，设计的基本要求不变。本次项目结合学校的实际用途，采取了多样化的结构类型来满足建筑的功能布局，总体设计趋于合理。本文以此上海食品科技学校改扩建工程结构设计为例，介绍设计过程中的一些难点和解决方案。
关键词：学校；改扩建工程；结构设计；网架；钢框架-支撑结构
引言
学校建筑的功能布置比较灵活，类型很多，且以多层为主。人口增长和就业形势的需求，在原校区有足够场地的情况下，改扩建工程最为适宜。本工程实行封闭式施工，严格控制施工时间，不影响学校正常教学和学生日常生活。
1 上海食品科技学校改扩建工程概况
上海食品科技学校改扩建工程位于食品科技学校校园内，地址为上海市金山区朱泾镇万安街395号。本工程包含2个建筑单体，分别为多功能综合实训楼和宿舍楼，扩建总面积为17651㎡。两个单体预制率均需大于40%。
多功能综合实训楼分为3个结构计算单元：主体和西、南两个连廊。各计算单元之间设100mm宽缝断开，基础与主体完全脱开。宿舍楼为1个独立计算单元。
综合楼主体地下一层，地上五层，装配整体式框架结构。地下室顶板为嵌固端，主要屋面为网架结构。基础为桩筏基础（直径600钻孔灌注桩+0.6m厚筏板）。南连廊地上两层，框剪结构（梁板部分预制）；西连廊层数为四层，钢框架-支撑结构，楼板为组合楼板。两连廊基础均为柱下条基。宿舍楼无地下室，地上五层，装配整体式框架结构，基础采用柱下承台桩基础。
表1 主要设计参数
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2 上海食品科技学校改扩建工程结构计算分析
2.1 综合实训楼计算
2.1.1 建筑方案地下部分的范围调整
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图1（单位：mm）
一个项目，从方案开始，各个涉及专业都需要提前介入。每个专业提出各自的意见和建议，对方案的优化很重要。各个项目所处的周边环境和地理位置都是很特殊的，没有绝对的相同。不管是设计还是施工，越早提出问题，规避不必要的隐患，更有助于后期项目的正常实施。
前期方案阶段，地下室包括左下角凸出区域，因基础围护方案不便于施工和增加造价，且对周边相邻建筑影响偏大，及时提出修改意向。在人防建筑功能布置和面积都满足的前提下，地下部分做了适当的调整。在原方案上，保留原柱网，仅地下砼墙收进尺寸，地下部分变为矩形，围护长度变小，节约了以后的基础围护成本（如图1）。
2.1.2 模型试算定义预制构件的最后范围
装配式建筑不同于现浇，预制构件的特殊性要求决定结构模型中梁板的具体布置，要考虑构件预制的可能性和操作性。为了更准确的提供数据支持，需建模试算装配率是否达到40%。因综合实训楼柱网多为8mX8m，每层使用功能均不相同，且荷载较大（一、二层为18/20kN/m2，三层及以上4kN/m2），柱子配筋偏大，排布密，采取预制柱不合理；柱网8米采用密梁楼盖，可分隔为三道梁，二层及以上梁大多数可单向预制，既可解决楼板荷载较大的问题，又能满足预制率。
早几年的项目，预制外挂砼墙板厚度为180mm，自重较大，梁上增加的扭矩也大，对梁和整体的计算很不利。因此，本次改进一下，使用较薄的厚度150mm，尽量减小自重。经试算，预制部分范围定为：预制砼外挂墙板（150mm）、楼板、梁、楼梯、女儿墙。
2.1.3 网架屋面处理
如图2所示，网架屋面楼板大开洞，整体计算时周期比很难满足小于0.9，且存在扭转，位移比值为1.31。为了提高整体的计算刚度，加宽加高网架四周的梁柱尺寸；网架整体刚度很大，设置双向支撑的网架，模型中按刚性杆假定，网架柱顶设饺，输入三向支座荷载计算可以真实的反映网架的受力情况。顶层层高6.25m，中间窗顶过梁取消，建筑四周窗顶标高处构造通设一道层间梁兼做过梁；楼板大开洞四周的板按弹性楼板考虑，梁柱主筋和箍筋均构造加大加密，楼板双层双向加大配筋，提高整体刚度。
本次网架屋面荷载较大，因多功能活动室装修和设计需求，包含吊顶、消防喷淋管道，通风管道、空调机、灯具和舞台设备等，所有荷载必须作用在螺栓球节点上，螺栓球间隔约2.7m太大，满足不了吊顶的距离。后经过计算复核，增加一层方钢管转换层（也可用工字钢，根据实际荷载来定截面类型和规格），方钢管上按吊顶间距预留孔洞，用高强螺栓把方钢管骨架固定在螺栓球节点上，以此达到各种设备的吊点要求。
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图2（单位：mm）
2.1.4 时程分析法补充计算
施工图时采取时程分析法进行了抗震补充验算，实际取了三组加速度时程曲线输入计算进行修正，得到实际的X、Y向每层地震效应放大系数，重新计算后整体抗震各项结果仍满足要求，因系数个别超过1.1，实际配筋比之前稍微偏大。
2.1.5 隔墙下无梁处理办法
少数内隔墙下无梁，采用板内增强筋做法。一至四层平面为大空间，五层多功能室分隔有很多内隔墙，少数不在现有梁布置的地方。为了尽可能减少预制模具和板类型数量，部分内隔墙下不设砼梁，改做板内附加上、下加强筋。模型里荷载按实际位置输入墙宽范围的板上集中线荷载，板配筋满足计算要求。
2.1.6 南连廊计算
南连廊与原有建筑相连，存在部分单跨，不能采用纯框架结构（乙类）。初设时，拟用框剪结构。中间跨7.1m需满足消防车的净宽净高通行，尽量不在跨度内布置砼墙；两端设缝各100mm，全部悬挑，基础和上部结构完全与主体脱开。
因两个方向跨度都偏小，布置太多剪力墙会造成刚度过于集中，模型根本无法调整。结构建模时，重复多次的试算，最终考虑增加少量单向剪力墙，变成框剪结构。调整后，平面布置如图3所示。剪力墙和悬挑处全部现浇，其余部分梁和楼板预制，计入实训楼装配率整体考虑。
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图3（单位：mm）
2.1.7 西连廊计算
西连廊连接新老建筑，平面图3所示，长宽为6.85mX2.80m，场地十分受限，一层仅为人流通行，且乙类不能采用单跨；原建筑基础为桩基，新建筑基础为桩筏，结合新老建筑的实际情况，为了减小对两边主体基础的影响，尽量减轻连廊总体荷载，综合考虑各种方案后采用钢框架-支撑结构。柱距为4.57mX2.8m，两边悬挑，基础与两边主体完全脱开，采用柱下条形基础，便于主体建筑基础围护施工。
根据实际距离，具体布置如图4示意。2.8m跨采用稍微变形后的人字形-中心支撑，这样可以使通行净宽变宽，在2m高的范围里净宽达到约1.75m左右。4.57m跨采用门架式1-偏心支撑，消能梁段加劲肋加密，满足构造要求。
支撑的设置，保证了结构的安全性，提高了整体抗震性能，但一定程度上影响了连廊的视觉效果。为了最大程度的改变这种繁琐复杂的印象，支撑不使用工字钢截面，而是采用类似箱形的方钢管截面，外观简单规整，有点工业风的感觉。
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图4（单位：mm）
因通行与装修需求，楼板为压型钢板的组合楼板，单向受力，厚度155mm。实际仍采取双层双向的构造加强配筋。
竣工验收时，连廊实际比想象的更加美观大气，兼具功能和建筑效果，与设想基本吻合。
2.1.8 BIM设计
本工程造价约10701.98万元，需按规定进行BIM设计。比较复杂的项目在施工过程中，因各个专业沟通不到位和设计的疏漏，会造成很多问题。而BIM技术的应用，可以把整个项目建筑、结构、水电、暖通等各专业的图纸全部融合在一起，三维立体视觉，很直观清晰的看到各专业的情况，及时修正漏洞和存在的误差，包括梁柱定位偏差、水平和垂直的管道交叉碰撞等，对后期项目实施阶段提供可靠的技术支持和保障，保证工程如期完工。
2.2 宿舍楼计算
宿舍楼因建筑布置每层均相同，计算模型比较常规。长度方向体型较长，如果设置后浇带每层梁板预制的数量会减少很多，柱子不预制很难达到要求。因此，不设后浇带，使用混凝土外加剂来满足实际需要。为了尽可能减少截面类别，柱子截面只收进一次，基本保证二层以上截面全部相同，梁板截面也相应减少，总体布局比较合理，经多次调整计算后满足。
3 结论与建议
综上所述，学校的使用功能决定了建筑布置的灵活性，像普通的教室、宿舍、办公等功能单一，体型规则，计算也较简单，常规建模基本没太大问题；但像综合实训楼，每层布置均不同，功能繁多，且因场地限制、周边原有老建筑或小区道路、新旧楼相连等，情况都比较复杂。每个单体都是不重复的，还要达到预制率的要求，实际考虑的问题会很多，结构形式也很多样，选择合适的结构方案显得尤为重要。 新技术的应用促使了施工方式的改革和新材料的开发，设计也随之变化。只有在现实项目中不断学习、改进、积累，结构设计才能推陈出新，找到更优思路解决每一个实际问题。
参考文献：
GB50011-2010《建筑抗震设计规范》北京：中国建筑工业出版社，2016
GB50010-2010《混凝土结构设计规范》北京：中国建筑工业出版社，2015
JGJ1-2014《装配式混凝土结构技术规程》北京：中国建筑工业出版社，2014