裴琼红
湖南省常德市建筑设计院有限责任公司
摘要：随着国家经济的发展以及人们对素质教育的重视，为了提升办学品质，给学生们提供一个室内大型活动场所，越来越多的体育馆类建筑在学校被建成，成为了一道亮丽的风景。这类建筑具有跨度大、空间复杂、立面造型丰富等特点。本文主要以某小学体艺楼的结构设计为例，从常规设计角度对此类建筑的结构设计进行了简要的分析和总结。
关键词：体艺楼 复杂空间 网架结构 整体分析 体会
一、工程概况
本工程为某小学体艺楼，效果图如图一所示，总建筑面积为9273m2,体育馆看台座位1922个，地下一层，主要功能平时为地下车库，战时为核5级人防掩体工程。地上按总高度可分为左右两部分，左边主要为体育馆看台、舞台和球场，屋面檐口高度为17.4m,球场及舞台区域仅一层，其余区域为二层、局部三层；右边部分为两层艺术楼，檐口高为10.5m，一层为舞蹈室、多媒体室（容纳132人），二层为多功能厅（容纳492人）。本工程平面尺寸分别为：一、二层78.6mx46.3m,二层（左边）以上57mx36.9m。
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图一：体艺楼效果图
根据相关标准规范，拟建场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g,设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类；基本风压0.4KN/m2，地面粗糙度为B类；本工程设计使用年限为50年，建筑安全等级为一级，主体结构采用钢筋混凝土框架结构体系，根据《抗震设防分类标准》GB 50223-2008，本工程为重点设防类，且主体跨度大于18m，框架抗震等级确定为一级；屋面采用钢网架结构+轻钢屋面，属对风荷载比较敏感的屋盖类型，雪荷载按100年一遇取0.6KN/m2,承载力计算时基本风压取1.1x0.40=0.44KN/m2。
二、结构布置要点
本工程主体结构采用普通梁板结构，根据建筑的平面及立面布置，地下室以上部分可划分为三个标准层。为使结构布置合理，首先，对外围周边框架梁、柱截面适当做大，而结构内部在满足强度及构造要求的前提下尽量做小，这样可以削弱结构内部刚度，增大外围抗扭刚度，可有效提高结构的抗震性能；其次，建筑为矩形平面，长度方向相对宽度要长，柱子的布置选用矩形柱比方柱更合适，本工程支承网架的柱子尺寸均采用800mmx900mm，经过与布置方形柱（900mmx900mm)相比较，计算结果明显优于后者，结构平面布置如图二所示；再者，由于主屋面跨度较大，短向跨度为36.9m,如果采用钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土结构，混凝土梁的截面和配筋会非常大；同时，屋面的自重越大，地震作用也越大，不仅增加了造价，而且降低了结构的抗震性能，而网架结构由于质量轻，空间刚度大，施工方便等优点而成为此类建筑屋盖结构形式的合理选择。
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图三 网架结构平面及支座图
三、结构的分析和计算
1、对于网架结构，采用PKPM软件中的STWJ模块建模计算。网架是由不同直径的二力杆通过螺栓球或焊接球连接组成空间杆系形成整体刚度来抵抗竖向和水平荷载。本工程采用正放四角锥双层网架形式，采用结构找坡，网架高度最低处为2.0m, 最高处为2.9m,除螺栓球及紧固件采用45号钢外，其余管材均采用Q235-B,通过计算网架结构平面布置如图二所示，网架用钢量约为38kg/m2。
2、对主体结构，可将STWJ模块计算的网架导入SAPSCAD中与主体结构整体建模，采用PMSAP进行整体分析，这样可以避免因采用以层模型为基础的PM和SATWE程序计算难以准确建模和分析的弊端，更真实地反映结构受力状况。除此之外，对空间作用较弱的部位，还需采用平面分析软件PK进行补充计算。
四、注意事项
1、该建筑的使用功能为体育艺术楼，使用的人群主要为未成年的小学生，建筑的破坏会造成严重的社会影响，根据《建筑结构可靠性统一标准》GB 50068-2018第3.2.1条条文说明，宜将建筑安全等级确定为一级，结构的重要性系数取为1.1。
2、本工程跨度较大，球场上空屋面短跨达到36.9m，多功能厅及多媒体室框架梁跨度也达至了18m，因此框架部分抗震等级应按规范的要求有所提高；设计上应对框架梁起拱，来抵消一部分由于结构自重及活荷载产生的挠度变形，可在满足正常使用要求的前提下减少截面高度。
3、由于该建筑强调外立面的造型，室内斜看台及楼面标高种类较多，结构布置时相应各层梁构件的顶面标高也不尽统一，使部分柱子沿高度容易形成短柱，施工图绘制时需复核该类柱的体积配箍率及相关构造要求。
4、网架有两种找坡方式，一种是小立柱找坡，另一种是网架结构找坡，均有各自的优缺点；小立柱找坡的网架结构比较规整，螺栓球及杆件种类相对较少，加工和安装较方便，布置灵活，但组成网架的杆件截面比结构找坡的网架要大，且当小立柱较高时，应验算其自身的稳定性并布置支撑或加大小立柱截面尺寸，从而增加了材料费用；网架结构找坡则相反，其刚度分布恰好与弯曲分布图统一，受力较合理，能节省钢材用量，有很好的经济效益。
5、对于上弦支承的网架结构，在主体结构、网架及其支座确定后，需复核网架外围腹杆是否与柱子碰撞，如果碰撞则可采取以下三种措施调整：（1）、适当加大网架支座高度，从而提高网架腹杆标高。（2）、调整支座平面位置，将支座向网架方向调整，此时柱子配筋计算应考虑支座中心对柱子的偏心作用。（3）、对于柱子截面较大的情况，在保证支座锚固满足要求的前提下，可在碰撞部位对柱子进行适当切削，以上措施可配合使用以满足设计要求。
五、结语
体育馆类建筑具有跨度大、空间复杂、立面造型丰富等特点。本文从常规设计出发，简单介绍了体艺楼设计的结构布置、分析、计算以及设计过程中需要注意的问题，为设计此类结构的设计师提供一定的参考。
参考文献
【1】邵帅 洛阳师范学院美术教学楼建筑设计说明《建筑工程技术与设计》2015(11)
【2】凌宽 浅谈某小学教学楼结构设计《建筑实践》2020(5)
【3】皮锐 某体育馆结构设计与分析《建材与装饰》2017(31)