WF地块配套商服建筑, 位于2019北京世园会园区内部, 共包含10个建筑单体, 总用地面积约3万m², 总建筑面积约11 000 m²。, 主要建筑功能为餐饮、购物及后勤服务。建筑与园区的关系见图1。各地块建筑参数见表1, 部分单体局部设置地下室, 地上部分为1～3层, 均为多层建筑工程。

　　 根据建筑造型不同, 各建筑单体主要分为三种类型 (图2～4) :四叶草 (WF1, WF6, WF8, WF9, WF5-2) , 彩池叠翠 (WF2, WF3, WF5-1) , 蒲柳人家 (WF4) 。根据不同的建筑造型, 结构设计时均相应采用了不同的结构设计措施, 在实现建筑效果的同时, 满足结构安全要求, 从而实现建筑与结构设计的相结合。本文将在三种造型中各选取一个最具代表性的建筑单体分别展开结构设计与分析。

　　 根据相关规范^[1,2], 结构的主要设计参数如下:抗震设防烈度8度 (0.20g) ;设计地震分组第二组;建筑场地类别Ⅲ类;一般设防类 (丙类) ;基本风压0.45kN/m² (承载力设计时考虑1.1倍放大系数) ;地面粗糙度类别为C类。

　　 拟建场地内土层主要为新近沉积层, 无不良地质作用, 持力层为②粉质黏土层, 地基承载力特征值f_ak=100kPa。历史最高水位接近自然地面, 抗浮设计水位按482.00m设计。

　　 工程地上2层或1层, 为框架结构且荷载较小, 采用天然地基方案, 基底土层为②层粉质黏土层, 地基承载力标准值100kPa, 经验算地基承载力及沉降验算均可满足设计要求。无地下室部分采用独立柱基加基础拉梁的结构形式;有地下室部分, 考虑到抗浮水位较高, 采用筏板基础。

　　 基础设计重点包括以下三点:1) 对于局部未达到持力层的部位, 将填土全部挖除, 采用换填法, 分层换填夯实处理至基础底, 要求处理后地基承载力特征值f_ak不小于120kPa, 压实系数不小于0.97;2) 对于局部地下室区域, 当相邻建筑高差较大时, 基础底标高采用分段放坡的形式, 从而保证基底土层的稳定性, 如图5所示;3) 地下室外墙设计时, 均考虑了邻近基础的附加压力。

　　 场区内各单体基底标高均不同, 因此在抗浮设计时, 依据各单体的实际情况选取不同的抗浮方案:1) 抗浮水头不大时, 优先考虑通过自重压重抗浮;2) 抗浮验算时, 应计入筏板挑边及其上素土压重抗浮, 并可通过适当增大筏板外挑长度 (不大于2m) 从而增大素土压重来满足抗浮要求;3) 必要时可通过采用容重较大的素混凝土垫层, 并适当增大基础顶垫层厚度来满足抗浮要求, 以WF4为例, 采用了800mm厚素混凝土垫层, 加厚垫层抗浮示意见图6。

　　 当整体抗浮验算满足要求, 仅局部柱底抗浮不足时, 可考虑筏板基础的架越作用, 通过适当增大筏板厚度并增大此处筏板的跨中上铁配筋抵抗跨中多余水浮力^[3,4]。以WF4为例, 局部筏板中间柱跨抗浮不足 (图7) , 此处水浮力下的有限元计算结果见图8, 根据此计算结果增大了筏板配筋, 从而保证局部抗浮满足要求。

　　 图7 局部抗浮不足部位示意

　　 四叶草结构的典型楼层结构布置平面图如图9所示, 其主要特征为建筑功能将结构天然分为四部分单体, 每一部分之间通过连桥连接。

　　 结构选型主要考虑三点因素:1) 结构高度较低, 荷载较小, 采用框架结构体系依然可以获得较好的抗侧刚度和相对合理柱截面尺寸;2) 不具备均匀对称设置结构剪力墙条件, 如强行设置, 会引起较为明显的扭转问题;3) 地上结构为连体状态, 并非所有局部结构分块都可实现剪力墙布置, 仅部分分块来实现剪力墙布置, 会引起各个分块抗侧刚度的显著差异, 不利于连体验算。

　　 综合以上因素, 四叶草单体均采用钢筋混凝土框架结构体系。典型的结构计算模型如图10所示。

　　 图9 四叶草结构典型结构布置平面图

　　 图10 四叶草结构计算模型

　　 四叶草结构各个分块间均为结构弱连接, 其主要结构措施包括:1) 结构计算措施:对弱连接区域采用零刚度板+分塔验算模型 (考虑体系分塔地震动作用下的相位差) , 对结构进行承载力包络设计, 对弱连接处的连系梁采用拉弯构件验算, 包络设计;2) 结构构造措施:对弱连接区域采取楼板加厚、楼板设置双层双向拉通钢筋、连系梁设置通长的受力钢筋布置。

　　 四叶草结构在部分结构分块存在类似“烽火台”建筑造型, 典型剖面见图11。

　　 “烽火台”处由于存在斜率, 如采用砌体隔墙, 现场砌筑难度极大, 施工质量难以控制;如选用现浇剪力墙, 由于并非每个结构子分块均有此造型, 会造成结构刚度不均匀, 扭转严重。综合以上因素, 结构设计时采用后浇的现浇混凝土结构隔墙。

　　 为减小现浇隔墙对主体结构侧向刚度的不利影响, 结构设计措施主要有:1) 降低隔墙厚度, 按照120mm设置, 并采用构造配筋;2) 每隔1m设置竖向缝隙, 与主体结构侧面脱开^[4];3) 主体结构施工阶段预留甩筋, 配筋隔墙二次浇筑, 隔墙做法示意图见图12。

　　 图12 现浇隔墙做法示意

　　 彩池叠翠建筑平面造型为张开翅膀的蝴蝶, 建筑外轮廓均为弧形, 且存在较大平面开洞或平面凹口, 因此在柱网设置时, 主要原则为以下两点:1) 柱网布置应尽量控制结构悬挑长度在合理范围内;2) 在开洞及凹口处保证尽可能多的结构框架拉结。

　　 根据上述原则, 并依据建筑造型及平面开洞轮廓, 首先由结构专业提出柱网布置建议, 并提交建筑, 然后由建筑专业根据建筑功能进行微调并反馈给结构后, 由两者共同确定。典型结构布置平面图见图13, 可见通过结构专业的主动干预, 建筑为非正交柱网, 在建筑洞口附近均为结构框架主梁拉结, 周圈最大悬挑均不超过5m, 从而避免大悬挑结构, 将结构梁柱尺寸均控制在合理尺寸范围内。

　　 如图13 (a) 结构周圈阴影填充处所示, 建筑周圈存在室外活动区域, 建筑面层为架空地面做法, 导致结构存在高差。此处的典型结构做法见图14, 为顶标高不同的结构刀把梁做法, 同时为了减小结构自重, 采用了变截面梁, 悬挑根部梁高850mm, 悬挑端部减小至400mm。

　　 蒲柳人家典型建筑剖面见图15, 主要建筑特点为高低错落布置的坡屋面。坡屋面的结构设计措施为:1) 对坡屋面楼板采用零刚度板计算模型, 控制结构设计主要指标, 且配筋是与刚性板模型进行包络设计;2) 坡屋面计算时, 考虑坡度对混凝土浇筑质量的影响, 将混凝土强度等级降至C25进行计算, 在实际施工时仍采用C30级别;3) 坡屋面低洼处考虑雨雪堆积荷载, 根据实际建筑造型计算出实际雨雪荷载坡屋面处结构计算模型, 见图16, 17, 结构计算模型均按实际的建筑标高与坡度建立, 从而可以真实反映结构空间受力关系。

　　 由于坡屋顶计算分析位移比结果失真, 因此在控制扭转位移比时, 通过位移的详细输出数据并观察结构的变形示意图, 来判断结构的扭转效应并控制结构扭转在合理范围内。局部坡屋面顶部节点结构构造示意见图18。

　　 图15 蒲柳人家典型建筑剖面

　　  

　　 图16 蒲柳人家结构计算模型 (剖面)

　　  

　　 图17 蒲柳人家结构计算模型 (三维)

　　  

　　 图18 蒲柳人家屋面结构节点示意

　　  

　　 局部大跨屋面处采用重量较轻的钢结构屋面布置, 做法为将钢梁简支搁置于混凝土柱顶之上, 并相应调整混凝土框架柱计算长度系数。典型结构布置见图19, 此处跨度16.5m, 采用单向H型钢梁HN700×300×8×13, 钢梁间距2m。典型柱顶铰接节点做法见图20。

　　 图20 蒲柳人家柱顶典型铰接节点

　　  

　　 由于建筑坡屋面标高不同。因此结构存在局部错层 (图15) 。此处结构处理措施包括以下三点:1) 结构建模时真实体现局部错层;2) 对应框架柱截面尺寸及剪压比控制;3) 对应框架柱箍筋全高加密, 并进行配筋的适当加强。

　　 局部凹口弱连接如图21所示, 连接部位宽度为1 800, 2 550mm, 针对弱连接部位, 采用与本文第3节四叶草结构类似的设计措施, 并适当加厚弱连接处的板厚至150mm。

　　 本项目包含四叶草、彩池叠翠、蒲柳人家三种建筑类型, 均为多层建筑结构, 均采用钢筋混凝土框架结构体系。

　　 四叶草结构设计重点为体系比选、分块包络设计与烽火台设计;彩池叠翠结构设计重点为柱网布置与结构关键节点设计;蒲柳人家结构设计重点为坡屋面结构措施、大跨屋面设计、局部错层及弱连接设计。

　　 针对以上重点, 结构设计中采取了有效的结构设计措施, 使得结构具有较好的抗震性能, 计算结果满足现行规范和规程的要求, 保证工程安全、可靠, 结构设计可行。