合肥某装配式高层钢结构公共建筑设计

吴 杨 （安徽省建筑设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 引言

钢结构具有自重轻、强度高、施工速度快、抗震性能好、占用面积小、工业化程度高、外形美观等一系列优点，与混凝土结构相比，钢结构可重复利用，符合可持续发展的目标，是一种环保建筑，易于产业化。在国家大力提倡节能减排的政策形势下，我国建筑业正向着绿色建筑和建筑产业现代化发展转型。《国务院关于深入推进新型城镇化建设的若干意见》（国发〔2016〕8号）提出：“积极推广应用绿色新型建材、装配式建筑和钢结构建筑。”《安徽省住房和城乡建设事业发展“十三五”规划纲要》也提出：“大力发展装配式建筑。推进装配式混凝土结构、钢结构试点示范，推动产业现代化综合试点城市和示范基地建设，支持公租房、安置房（含货币购买项目）按照建筑产业现代化方式建造。”随着我国经济的发展，钢产量增长迅速，钢结构建筑不仅在工业建筑中得到发展，在民用建筑中发展也较为迅速。

2 项目概况

某项目位于安徽省合肥市，用地面积约 1.38万㎡，建筑容积率 3.5，建筑密度45%，绿地率20%。项目建设内容包含办公、社区中心及配套设施，总建筑面积约7.05万㎡。整个项目包括多层裙房、A座办公楼和B座办公楼三个单体（图1），裙房的主要功能为社区中心、文体活动中心及配套设施，地上5层，地下2层，建筑总高度 21.800m；A、B座办公楼主要功能为办公，A座办公楼地上22层，地下2层，建筑总高度 93.300m，B座办公楼地上11层，地下2层，建筑总高度47.100m。建筑的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度峰值为0.10g，基本风压为 0.35kN/m2，地面粗糙类别为B类，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类场地，特征周期Tg=0.35s。根据招标文件的要求，该项目的施工和建设，须采用装配式建筑技术，装配率须达到50%以上。

图1 多层裙房、A座和B座办公楼剖面示意图

3 装配式混凝土结构和装配式钢结构方案对比

本项目设计的重点和难点在于须采用装配式建筑技术，且装配率须达到50%以上。针对装配式混凝土结构和装配式钢结构两种设计方案，从各自的优缺点、技术难度、装配式建筑技术方案等角度进行了对比。

3.1 装配式混凝土结构技术方案

项目若采用装配式混凝土结构，裙房为多层建筑，采用装配整体式框架结构，A、B座办公楼为高层建筑，采用装配整体式框架-现浇剪力墙结构。为了满足50%装配率的要求，竖向构件中，部分框架柱需采用预制柱，剪力墙采用现浇；水平构件中，部分框架梁采用叠合梁，楼板采用叠合板，板厚取140mm，其中预制板底板为60mm，现浇面为80mm；外墙为全幕墙设计，内隔墙采用轻质隔墙；其他构件，如楼梯、空调板等，均需采用全预制构件。

通过试算，裙房柱截面约为500mm×500mm，由于裙房功能复杂，柱配筋种类较多；A座办公楼底层柱截面约为1000mm×1000mm，B座办公楼底层柱截面约为800mm×800mm。若采用预制柱，裙房中，柱截面种类较多，不利于标准化的生产和施工，A座办公楼预制柱截面较大，每根柱子的重量约5～9t，吊装费用高，难度大，预制梁与预制柱交接处节点复杂，钢筋碰撞严重，安装精度要求高，施工难度大。

通过调研，目前省内已经完工的采用预制柱的多层装配式框架结构仅有两栋建筑，分别为安徽海龙建筑工业有限公司的办公楼（4层）和安徽裕祥建筑科技有限公司的模具用房（3层），且目前国内并没有已经完工的100m高左右的装配整体式框架-现浇剪力墙结构，设计和施工经验均较为匮乏。

3.2 装配式钢结构技术方案

项目若采用装配式钢结构，50%的装配率较为容易实现。地上部分，多层裙房和B座办公楼采用钢框架结构，A座办公楼采用钢框架-中心支撑结构，钢柱延伸至地下的部分均采用钢骨混凝土柱。裙房钢柱采用矩形钢管柱，A、B座办公楼钢柱采用矩形钢管混凝土柱，钢梁均采用焊接H型钢，柱间支撑采用矩形钢管，从经济性考虑，楼板、楼梯、空调板等采用现浇板，外墙为全幕墙设计，内隔墙根据需要可采用轻质隔墙或砌块。

通过试算，裙房柱截面约为500mm×500mm；A座办公楼底层柱截面约为700mm×700mm，内填混凝土强度等级为C40-C50，B座办公楼底层柱截面约为600mm×600mm，内填混凝土强度等级为C40。钢柱长约12m一根，钢梁约9m一根，构件重量轻，施工方便简单，设计和施工技术均较为成熟。

通过反复对比，最终该项目选择装配式钢结构技术方案，主要有以下几点优势：

①与预制柱、预制梁相比，钢柱、钢梁自重轻，设计和施工技术较为成熟，降低了投资风险，且施工简便，周期短，可以尽早投入使用，虽然钢材价格相对较高，但综合技术、风险、工期等多项因素，钢结构的优势更大；

②钢结构的抗震性能较好，钢材比混凝土材料强度高，塑性和韧性好，在地震作用下具有良好的延性和耗能性能。

4 装配式钢结构体系及布置

本项目多层裙房和B座办公楼采用钢框架结构，A座办公楼采用钢框架-中心支撑结构。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011）和《钢管混凝土结构技术规范》（GB 50936）的相关规定，裙房、A座和B座办公楼的抗震等级均为三级，A、B座办公楼的钢框柱抗震等级为二级。裙房柱截面主要为500mm×500mm，梁截面主要为 H550×200×14×20和 H550×200×10×16；A座办公楼柱截面主要为□700×700×20～□700×700×30，梁截面主要为 H600×250×14×24和 H600×250×16×36，柱间支撑采用人字形斜杆，主要布置在楼电梯间周边，截面为□180×180×24和□220×220×24；B座办公楼柱截面主要为□600×600×18～□600×600×24，梁截面主要为H600×250×16×30和 H500×200×14×25。A座办公楼典型的标准层结构平面布置图如图2所示。

4.1 主要设计参数取值

本工程结构设计采用YJK计算分析软件，结构整体计算嵌固部位为地下室顶板，地面粗糙度类别为B类，基本风压取0.35kN/㎡，由于A座办公楼高度较高，属于对风荷载比较敏感的建筑，承载力设计时按照基本风压的1.1倍采用，水平地震影响系数最大值取0.08，阻尼比裙房和B座办公楼取0.04，A座办公楼取0.03，中梁和边梁刚度放大系数分别取 1.5和 1.2，A、B座办公楼结构分析模型如图3、4所示。

图2 A座办公楼标准层结构平面布置图

图3 A座办公楼结构模型

图4 B座办公楼结构模型

4.2 计算结果和主要控制参数

经过反复计算和调整，三栋塔楼的各项指标均满足规范要求，简述如下。

①轴压比：A、B座办公楼的矩形钢管混凝土柱轴压比控制在0.7以内。

②周期比：裙房第一自振周期为1.2s，第二自振周期为 1.0s，周期比为0.83；A座办公楼第一自振周期为 3.9s，第二自振周期为 3.4s，周期比为 0.87；B座办公楼第一自振周期为3.1s，第二自振周期为 2.6s，周期比为 0.84。

③应力比：柱应力比控制在0.80以内，主梁的应力比控制在0.90以内，次梁的应力比控制在0.95以内。

④位移角:裙房层间最大位移角为1/500，A座办公楼层间最大位移角为1/650，B座办公楼层间最大位移角为1/550，满足《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99）的规定，且留有一定富余。

⑤位移比：裙房最大位移比为1.28，A座办公楼最大位移比为1.23，B座办公楼最大位移比为1.22。

5 主要节点设计

钢结构设计中，节点设计十分关键，直接决定着钢结构体系的受力性能和安装效率。该项目梁柱连接节点采用栓焊连接（图5），钢柱与钢梁通过腹板上的高强螺栓进行连接，梁端翼缘与钢柱采用全熔透坡口焊进行连接；钢柱柱脚采用外包式柱脚（图6），柱脚由钢柱脚和外包混凝土组成，位于基础顶面以上，外包混凝土厚度为200mm，高度贯穿两层地下室，从基础顶面至地下室顶板，外包部分的钢柱翼缘表面设置栓钉。

图5 梁与柱栓焊连接节点

图6 外包式柱脚节点

6 结语

本文通过某装配式高层钢结构公共建筑的设计，对比了装配式混凝土结构和装配式钢结构两种设计方案各自的优缺点、设计和施工的技术难度及装配式建筑技术方案，重点介绍了钢框架结构和钢框架-支撑结构的设计方法和主要设计节点，对装配式钢结构公共建筑的设计有一定的指导作用。