程 熙, 劉桂然

(上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200041)

1 工程概況

項(xiàng)目坐落于上海市崇明東平特色小鎮(zhèn),為第十屆中國(guó)花卉博覽會(huì)(簡(jiǎn)稱(chēng)花博會(huì))配套項(xiàng)目。本項(xiàng)目總建筑面積為19003m2,建筑高度為17.95m,地上1～3層,無(wú)地下室,建筑效果圖如圖1所示。項(xiàng)目分兩期進(jìn)行建設(shè),一期工程為宴會(huì)廳與抵達(dá)大廳,供花博會(huì)期間作為會(huì)議接待中心使用,為永久性建筑;二期工程為客房、大堂、早餐廳、后勤配套、設(shè)備機(jī)房等。二期工程在2021年花博會(huì)期間,可以提供300間客房,并設(shè)置大堂等酒店相關(guān)的配套功能,為臨時(shí)性建筑。

圖1 建筑效果圖

本項(xiàng)目臨時(shí)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為5年,建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),抗震設(shè)防類(lèi)別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)。工程抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g,設(shè)計(jì)地震分組為第二組[1-2],基本風(fēng)壓按臨時(shí)建筑考慮取0.4kN/m2[3]。

二期客房區(qū)位于整個(gè)地塊的一側(cè),如圖2中虛線紅框范圍,由若干建筑組團(tuán)構(gòu)成,各建筑組團(tuán)間由走道連接。客房區(qū)地上2層,2層層高均為3.5m,頂部采用坡屋頂?shù)男问?。二期工程為臨時(shí)建筑,項(xiàng)目建設(shè)周期短,結(jié)合酒店客房區(qū)域存在典型的標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化的特征,本項(xiàng)目客房區(qū)域采用了輕型模塊鋼結(jié)構(gòu)組合房屋的結(jié)構(gòu)體系。此方案可同時(shí)滿(mǎn)足建設(shè)方會(huì)后需要快速整體拆除及運(yùn)輸,箱體異地循環(huán)利用的需求。

圖2 建筑功能分區(qū)圖

2 模塊單元?jiǎng)澐旨斑x型

為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)單體的規(guī)則性以利于模塊化,將客房組團(tuán)劃分為7個(gè)結(jié)構(gòu)單體(客房翼一、客房翼二A～C、客房翼三A～C),各結(jié)構(gòu)單體之間通過(guò)走道模塊相連,結(jié)構(gòu)單體劃分示意圖如圖3所示。區(qū)別于傳統(tǒng)建筑,模塊化建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前,需要進(jìn)行合理的模塊單元?jiǎng)澐?。模塊單元的劃分以規(guī)則、符合運(yùn)輸及吊裝需要為原則[4]。對(duì)于建筑使用功能不同的空間,劃分為不同的模塊,如電梯模塊、樓梯模塊、標(biāo)準(zhǔn)客房模塊、走道模塊等。

圖3 結(jié)構(gòu)單體劃分示意圖

客房標(biāo)準(zhǔn)間由兩側(cè)的客房和中部的走道組成,走道靠近客房一側(cè)布置有若干管井,如圖4所示。

圖4 客房標(biāo)準(zhǔn)間平面圖

針對(duì)典型的標(biāo)準(zhǔn)客房平面,前期進(jìn)行了三種模塊拆分方案的比選,如表1所示。經(jīng)綜合考慮施工周期、后續(xù)拆除搬運(yùn)及異地使用可能性等方面的因素,最終采用拆分方案一作為本項(xiàng)目客房標(biāo)準(zhǔn)間平面的拆分方案。

圖5展示了客房翼一的拆分方案,典型單體拆分為客房模塊(A、B、C、D)、樓梯模塊(E、G)、電梯模塊(K)、布草間模塊(L)、設(shè)備用房模塊(H、M)以及坡屋頂模塊(P),模塊外其余部分鋼框架采用現(xiàn)場(chǎng)施工。鋼結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度為Q235B,框架柱主要采用了截面寬度為150～200mm的方鋼管(□150×150×8×8、□200×150×8×8),框架梁主要采用了截面高度為200～300mm的窄翼緣熱軋H型鋼(HN200×100、HN300×150)。客房樓板采用纖維增強(qiáng)蓋板,次龍骨采用C型鋼檁條(C160×70×20×3),間距為600mm,檁條上鋪設(shè)4mm厚熱鍍鋅鋼板,其上為15mm厚水泥纖維板。

圖5 客房翼一建筑圖及模塊平面拆分圖

3 輕型模塊化鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題

客房區(qū)結(jié)構(gòu)單體采用疊箱-鋼框架混合結(jié)構(gòu)體系,客房標(biāo)準(zhǔn)間采用集裝箱模塊,走道及坡屋頂?shù)蠕摻Y(jié)構(gòu)構(gòu)件采用現(xiàn)場(chǎng)拼裝。與常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)體系相比,除了滿(mǎn)足單體整體計(jì)算指標(biāo)要求和構(gòu)件承載力之外,在設(shè)計(jì)過(guò)程中有一些關(guān)鍵問(wèn)題需要考慮。

3.1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

客房區(qū)域采用天然地基,基礎(chǔ)持力層選擇②3層砂質(zhì)粉土,地基承載力特征值不小于80kPa[5]。但由于原先場(chǎng)地內(nèi)存在魚(yú)塘、暗浜等情況,局部場(chǎng)地土需先進(jìn)行換填處理,使處理后的地基承載力滿(mǎn)足天然地基設(shè)計(jì)要求。

為解決上部柱網(wǎng)變動(dòng)對(duì)基礎(chǔ)施工的制約,采用了筏板基礎(chǔ),增加了施工便易性,同時(shí)具有較好的基礎(chǔ)整體性。對(duì)應(yīng)上部鋼柱處設(shè)置混凝土柱墩,上部模塊柱腳通過(guò)節(jié)點(diǎn)板與混凝土柱墩連接,按照鉸接柱腳進(jìn)行設(shè)計(jì),具體見(jiàn)圖6。模塊化建筑單元運(yùn)輸方便,可整體遷移,拆除時(shí)移除柱腳螺栓即可。

圖6 底層模塊框柱連接示意圖

3.2 施工水平誤差引起的荷載偏心處理

設(shè)計(jì)中需要額外考慮每層模塊箱體定位和加工中的水平誤差引起的荷載偏心作用,偏心距可轉(zhuǎn)換為施加于每個(gè)樓層的名義水平力,名義水平力取作用于每個(gè)模塊垂直荷載的1%,施加于單體樓層處四個(gè)角點(diǎn)上,并與風(fēng)荷載同時(shí)考慮[6-7]。

3.3 連接節(jié)點(diǎn)及計(jì)算模型的設(shè)計(jì)處理

因模塊單元之間連接方式與常規(guī)鋼框架結(jié)構(gòu)差異較大,對(duì)于連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能[8-9]及建模方式的簡(jiǎn)化方法[10-11]國(guó)內(nèi)已有一些研究,證明了在整體結(jié)構(gòu)計(jì)算中將節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鉸接簡(jiǎn)化是一種合理的處理方式。本項(xiàng)目參考以上研究結(jié)果,對(duì)模塊箱體按照六面體桿系進(jìn)行建模,單個(gè)模塊由結(jié)構(gòu)柱、底框鋼梁、頂框鋼梁及次梁構(gòu)成,典型客房計(jì)算模型如圖7所示。

圖7 典型客房計(jì)算模型圖

客房中輕型樓板采用纖維增強(qiáng)硅酸鈣板,設(shè)計(jì)中不考慮樓板面內(nèi)外剛度,將樓板厚度設(shè)置為零進(jìn)行模擬。水平箱體之間,通過(guò)在鋼梁上翼緣或鋼柱側(cè)面設(shè)置連接鋼片實(shí)現(xiàn)箱體的水平連接,在模型中采用連系桿單元模擬連接鋼片,連系桿與相鄰箱體構(gòu)件采用鉸接連接。鋼片及其連接焊縫根據(jù)模型中連系桿的受力情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。上模塊柱底與下模塊柱頂采用類(lèi)似《輕型模塊化鋼結(jié)構(gòu)組合房屋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 466—2019)[6]中模塊預(yù)應(yīng)力連接節(jié)點(diǎn)方式鉸接(圖8),僅傳遞軸力和剪力。該方式無(wú)需在鋼梁上設(shè)置螺栓,可避免在精裝修模塊樓板或墻面上設(shè)置手孔,施工效率較高。連接件通過(guò)設(shè)置抗剪鍵用以抵抗箱體層間剪力,通過(guò)在鋼柱內(nèi)設(shè)置鋼棒并將鋼棒頂部螺帽擰緊實(shí)現(xiàn)上下箱體層間的緊固。頂層柱頂不設(shè)置蓋板,后期拆除時(shí),松開(kāi)頂部螺帽即可實(shí)現(xiàn)快速拆卸?，F(xiàn)場(chǎng)拼裝的鋼框架部分與模塊間根據(jù)結(jié)構(gòu)受力需求并結(jié)合施工安裝便利采用剛接或鉸接連接,且箱體鋼柱上預(yù)留相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)加勁板。

圖8 上下層模塊框柱連接示意圖

經(jīng)計(jì)算,典型單體的主要結(jié)構(gòu)自振特性如表2所示。結(jié)構(gòu)在第1、2階振型均為平動(dòng),第3階振型為扭轉(zhuǎn),結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期比(Tt/T1)滿(mǎn)足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[2]限值0.9,說(shuō)明結(jié)構(gòu)體系的布置較為合理。

表2 結(jié)構(gòu)自振特性

地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角最大值為1/726,風(fēng)荷載下結(jié)構(gòu)層間位移角最大值為1/2 206,均小于1/250,符合規(guī)范限值要求,單體整體側(cè)向變形較小,結(jié)構(gòu)具有良好的抗側(cè)剛度。結(jié)構(gòu)由地震組合控制,圖9展示了結(jié)構(gòu)整體在地震作用下的變形情況。構(gòu)件應(yīng)力比均在1.0以下,絕大部分在0.8以?xún)?nèi),如圖10所示。

圖9 地震作用下結(jié)構(gòu)變形圖/mm

圖10 鋼構(gòu)件應(yīng)力比

4 綜合效益評(píng)價(jià)

本項(xiàng)目于2020年10月完成全部施工圖設(shè)計(jì),同期開(kāi)展場(chǎng)地基礎(chǔ)施工及集裝箱部分的工廠深化及加工,于2021年2月完成全部箱體吊裝及現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)拼裝工作,于2021年5月完成整體管線安裝、室內(nèi)精裝及室外景觀等工作。施工階段及建成后現(xiàn)場(chǎng)照片如圖11所示。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)照片

輕型模塊化鋼結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì),工廠預(yù)制加工,極大縮短了箱體制作的時(shí)間。相比常規(guī)鋼框架結(jié)構(gòu)10～15d建設(shè)一層的速度,模塊化鋼結(jié)構(gòu)采用機(jī)械化吊裝的方式,現(xiàn)場(chǎng)拼裝快速,地上整體鋼結(jié)構(gòu)施工周期約為20d。作為花博會(huì)期間配套使用的臨時(shí)建筑,在活動(dòng)結(jié)束后,可以快速拆除及運(yùn)輸,且在后期可異地使用,對(duì)建設(shè)方而言具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)選型中,綜合考慮建設(shè)周期短、建筑結(jié)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化的特點(diǎn),以及建設(shè)方后續(xù)箱體循環(huán)利用的可能性,采用了輕型模塊化鋼結(jié)構(gòu)組合體系。通過(guò)在設(shè)計(jì)前期加強(qiáng)對(duì)模塊拆分及選型的方案研究,以及對(duì)基礎(chǔ)選型、模塊化結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)處理及合理的計(jì)算分析,成功應(yīng)用了該模塊化結(jié)構(gòu)體系,為該結(jié)構(gòu)體系在類(lèi)似項(xiàng)目中的推廣提供了可靠的工程經(jīng)驗(yàn)。