大跨度公共建筑屋面钢结构选型与设计研究

2020-10-13郁一帆

建材与装饰 2020年28期

郁一帆

（杭州杭氧化医工程有限公司，浙江杭州 310016）

0 引言

结构选型是结构设计中的重要组成部分，它是结构设计的灵魂，强调其与建筑使用功能、经济造价之间的联系探讨，能够保证建筑项目的顺利开展。在大跨度公共建筑施工过程中应根据具体情况，对结构选型的各个环节进行细化思考，针对具体问题进行技术分析，为人们建造舒适、安全、可靠的现代化建筑。

1 大跨度建筑结构选型概念介绍

大跨度建筑结构是指横向跨越60m 以上空间的各类结构形式的建筑，这种建筑结构常出现在影剧院、体育馆、展览馆、大会堂、航空港候机大厅等建筑面积较大的施工项目中，如图1 所示。建筑结构选型是指在建筑施工过程中对设备或零件选型，由几种不同的设备或零件完成同一种功能，主要包括屋架、刚架、拱、薄壁空间结构、网架、网壳、悬索、拉力薄膜结构、混合空间结构等。在现代建筑结构设计过程中，建筑结构选型涉及的问题较为复杂，不仅要考虑到建筑设计的使用需求，还要考虑建筑的物资造价及进度控制。若建筑结构体系选型工作不到位，将会使得整个结构计算不准确，在建筑完工后其安全性及耐用性不符合相关标准。例如，对于高层建筑而言，其结构选型工作主要涉及结构体系与结构形式。由于高层建筑中包含大量钢筋混凝土结构、钢结构、钢筋混凝土，且对其使用要求较高，在进行结构形式的选取工作时应考虑建筑的安全性与耐用性，考虑建筑成本，应满足相关建筑规范要求[1]。

2 大跨度公共建筑屋面钢结构选型方案要求

以某机场施工项目为例，其工程主要分为“主楼”及“侧楼”，以及它们之间的连接部分，预计满足年旅客吞吐量2500 万人次。在造型设计方面，既要保证机场内视野开阔，方便人们进行物流运输，又要体现当地风貌，展现民族传统文化。因此，在进行屋面钢方案选型时，首先要选择结构重量较轻，且钢材强度够高的材料，保证大跨度公共建筑需求的同时，降低施工难度；其次要保证整体建筑造型美观，作为机场建筑项目，在施工环节不仅要保证其实用性，更要具备一定的美观度，满足旅客的视觉观赏效果；最后，施工钢管的几何性要强，截面回转半径大，保证良好的抗压和抗拉性能。

图1 大跨度建筑结构

3 大跨度公共建筑屋面钢结构的设计施工策略

3.1 优化项目设计

传统大跨度公共建筑屋面钢结构的施工方法为网架，在这种屋面结构里，更容易承受竖向荷载，当所处环境温差较大时，填充墙与钢管之间会发生热胀冷缩效应，造成墙体开裂。而进行大跨度公共建筑屋面钢结构设计时，采取三角形管桁架，由腹杆与上弦双支管共同形成稳定的框架，有效减少项目的施工工序，提高施工效率，减少施工时间。并且在一定程度上提高建筑表面整体性，减少出现结构断裂的隐患。还要考虑抗震防灾的基础需求，将屋面钢结构设置成连梁式结构，结合整体建筑，保证公共建筑屋面与墙体结构之间不存在墙垛砌体，减少二次施工次数沿着纵向方向设置，更好地传递水平力。

在实际施工环节，可以在大跨度公共建筑屋面钢结构中间设置一个竖向和水平的柔性材料，保证构造墙体不参与整个结构计算。利用设置周期折减系数的方式，合理解决因设置构造体而导致的墙体刚度增大问题，外墙分割线条应结合结构拉缝进行设置，结构拉缝通常由高强度挤塑板或同等材料的内外U 型固定止水卡槽与拉缝材料组成，具备防火性、防水性、高弹性、高强度的结构特点。钢结构套管同尼龙套管相比而言，尼龙套管是由尼龙高分子材料所制，其特点是造价低廉，但定位效果较差，主要用于公共建筑中的防水设置。一般情况下，尼龙套管要比施工所需管道直径大1～2 个规格。而屋面钢结构是指在项目混凝土结构中的槽钢，它能够支撑整个结构系统，将大跨度公共建筑工程需要承载的压力传递到主体结构上，解决管道固定问题，延长项目使用寿命。虽然我国近年来在大跨度公共建筑屋面钢结构选型与设计上取得较大突破，但仍改变不了其造价高昂的实际情况。实际施工环节，需要根据不同的造价投入及质量要求，选择不同的设计方案[2]。

3.2 控制材料成本

大跨度公共建筑项目施工周期长、覆盖面积广、人员流动性大、资金投入多，物资核算复杂等实际问题。建筑造价成本管理是一个较为庞大的工作量，尤其是在施工方案设计环节，不同的项目方案其造价也不尽相同，为后续建筑决策带来一定影响。在建筑施工过程中，部分施工单位为了获取较高的工程利益，使用较为廉价的施工材料，导致一些危险性极高的质量缺陷隐藏于公共建筑屋面钢结构中，存在一定的安全隐患。所以，应加强材料质量监管的同时，进行造价成本控制，从材质上避免建筑隐患的出现。强调材料成本控制，在项目设计环节计算出不同结构的建筑的成本耗用，经过比对后选择其中质量符合结构施工标准，且价格更为低廉的建筑材料。

例如，某大跨度公共建筑屋面钢有两种结构选型，结构形式一型钢占钢材总用量的81%，而结构形式二型钢占钢材总用量的45%，这就表示两种结构形式型钢的占比相差较大。在实际施工选择及物资分配时，结构形式一主要结构构件均为型钢，其对钢材的用量较大，混凝土与钢筋的使用用量相对较少。而结构形式二考虑到钢筋、型钢、混凝土三种材料合理搭配，在保证建筑构件受力性能的同时，尽可能降低钢材用量。最终单位面积造价结果也显示，结构形式一的建筑单位面积造价为1968.4 元/平方米，结构形式一的建筑单位面积造价为1564.8 元/平方米，后者远低于前者[3]。

3.3 造型施工技术

传统大跨度公共建筑屋面檀条的设计，需要铺设大量太阳能电池板，若每个支架都使用穿透支撑的方式，将会造成大量孔洞，影响项目美观。而在大跨度公共建筑屋面上额外设置一个托梁，整体保持一个加工的状态，将电池板支架连接到设置好的托架梁上方，能够有效减少项目的施工工序，提高施工效率，满足不同的建筑使用功能。并且在一定程度上增强外墙表面整体性，减少屋面钢开裂的隐患。缩减竖向构件与对称布置剪力墙、转换柱，按照先浇筑构造墙段再浇筑结果墙段的施工顺序，使公共建筑屋面钢构造强度与内部墙体柱强度保持一致。在施工环节，如果使用过多的竖向构件进行建设结构，就需要通过转换实现竖向构件，但这也会使得转换层出现刚度突变的现象，影响到大跨度公共建筑屋面钢结构抗震效果。可以将屋面钢结构设置成全混凝土式墙体，窗框下方位置设置成连梁式结构，能够符合抗震防灾的要求。若必须开结构洞，应结合整体建筑，保证外墙与屋面结构之间不存在墙垛砌体，减少二次浇筑构件次数，还要考虑施工后荷载的增值，减少抹灰面层荷载。针对部分刚度要求较高的建筑，可以利用设置周期折减系数的结构选型，合理解决设置构造的问题。此外，外墙分割线条应结合结构拉缝进行设置，结构拉缝通常由高强度挤塑板或同等材料的内外U 型固定止水卡槽与拉缝材料组成，满足建筑使用的防火性、防水性、高弹性、高强度等方面的要求。

例如，针对某些展示会场的建筑施工，在屋面钢结构选型时可以利用EPS 材料，即聚苯乙烯泡沫，来调节施工墙体各个区域间的色差等参数，保证施工效果的统一。EPS 是一种高分子聚合物工程材料，具有质量小、运输方便、结构性能强等特点，在利用EPS 进行墙体建筑时，即使出现脱落的问题，也不会造成伤害事故满足了展示会场使用的需求。EPS 材料施工必须在其他工序完成后进行，对于接缝部分要进行沟平处理，保证EPS 的整体性。在材料干透后，如果墙体还存在着砂浆材料，要及时清理干净，保证大跨度公共建筑的施工质量满足屋面钢结构选型设计要求。