某中学教学楼建筑项目设计方案

1 某中学教学楼建筑项目设计方案 在整个教学楼的设计理念中，我觉得他是科学和社会磨合的载体，是人们生活水平的集中体现，同时也是人类学习科学文化知识的殿堂。本着这一理念及考虑学生学习的需要的中心思想对该中学的教学楼进行了设计。所以我首先想到是教学楼设计应该以布置简单方便使用为主，建筑物内部的功能分区和房间的布置应满足合理使用的特点，最后根据建筑物的外形、内部的布置、当地的地质条件再进行结构设计。 程概况 本工程为中学教学楼，占地面积约 2700 2m ，总建筑面积约 5500 2m 。建筑类型：五层教学楼，框架填充墙结构，无地下室。设计标高：室内地坪标高 m 。本工程设计范围为建筑主体。设计专业为建筑和结构两部分。门窗设计与制作应由相关专业设计厂家单位设计并由专业施工队伍施工。 计方案评价 教学楼的两个入口突出，这样更加强调了出入口的位置。对于框架结构其本身自重较轻，构件简单且施工方便，计算理论也较为成熟，且在一定的 高度范围内造价较低。在立面上考虑到建筑物形体较为单一，所以在建筑立面造型上采用大开窗设计，其窗地比的比例较大，建筑物的虚实对比明显，给人以轻巧通透的感觉，建筑中心和西侧分别布置一跑楼梯，方便疏散人流。该建筑物内部设计简单。并且在其周围均为其他的附属教学楼，而且离学生生活区较近，方便学生学习和生活，教学楼的左侧方为操场场，背面为一小池塘和学生公寓，右侧为综合实验楼，而教学楼布置于整个学校的中央，为学生课间学习和活动提供了方便。 筑设计总说明 1、主要设计依据 ： （ 1）、由学院提供的 土木工程工程造价专 业 毕业设计任务书 ； （ 2）、 由学院提供的建筑、结构设计资料； （ 3）、经指导老师批准的设计方案。 2 （ 4）、结构设计依据： 根据建筑重要性分类，本工程为丙类建筑。 根据建筑抗震设计规范附录 计基本地震加速度值为 计地震分组为第一组。框架抗震等级为三 级，建筑结构使用年限为 50年。耐火等级为一级。混凝土结构的环境类别 ： A)类， 一类。 本工程场地类别为类。 设计使用荷载：根据 建筑结构荷载规范 (001) 取值。 本工程所有建筑材料自重、强度及各种性能参 数均按 建筑结构荷载规范 (001) 采用。 2、设计指导思想 （ 1）、国家有关法律、方针及政策，框架结构建筑设计规范，公共建筑设计规范。 （ 2）、以人为本。 3、建筑设计构思 （ 1）、场地及环境特征 工程地处南充市嘉陵区境内，该区正处在正在高度的发展中。其拟建地段周围为南充市扩展的新城区，西侧为一城市主干道，校门正对的为一次干道，所以交通便捷，方 便邻近学生上学 ;在南面为学校校门，是学校的主要出入口。教学楼周围还有学校的其它拟建建筑物。 （ 2）、功能分区 整个教学楼楼共 5 层，一层主要是实验室和艺体教室为主，二、三层是多媒体教室、会议室和教室，四、五层为教室，六层有突出五层屋面的楼梯永久性顶盖，突出屋面的整体造型。内部设有两个楼梯（其中 1号楼梯为消防楼梯）。 (3)、建筑体形及立面造型设计 由于该建筑屋采用全框架钢筋混凝土结构，在空间处理上赋予了较大的灵活性。该建筑为教学楼，外墙开窗面积较大，采光效果很好，外墙全部均采用贴面砖修饰。两个大厅的出入口处 均设置了环形台阶，这样更加突出了教学楼出入口所在，同时也对整体造型起了修饰作用。 4、建筑防火设计：建筑设计防火：建筑物总平面图中设有消防通道，相邻建筑物之间的距离也满足防火间距要求，每层两部楼梯满足安全疏散的要求。 3 构设计说明 ： 1、结构选型 ： 城市 杂填土 ， 呈松散状 ， 力学强度低 ， 均匀性差 。 粘土层力学强度较低 ， 厚度 厚， 且其下存在厚度较大 。 强、中风化灰岩 ， 其力学强度 高 ,随深度增加逐渐增强。 如果采用桩基础，中风化灰岩为持力层，结合本工程实际情况：柱距较大、五层框架、荷载较小、粘土层下无软弱层。 由于基础工程的造价在整个建筑总造价中占很大比例 ，故需 考虑造价上的经济合理 性。 2、结构布置 ： （ 1）、 结构布置如下图： 结构布置平面图 3、结构计算 ： 进行了梁、板、柱的几何尺寸确定与验算，查相应规范确定恒载标准值、活载标准值，根据这些标准值计算了重力荷梁、柱、墙、门窗等的重力荷载及其代表值。对线刚度和柱侧移刚度进行了计算。还验算了水平地震力作用下的内力计算。最后对水平作用下的内力及位移进行了计算。 计成果 的设计成果 我在该教学楼的设计中，承担建施和结施两部分工作。在整个设计过 程中不仅完成了最初的方案设计，还对框架结构进行了计算（包括梁柱、基础、楼梯等），并绘制了施工图，其中建施图 10张、结施图 10张。 果评价 4 通过整个教学楼的设计工作，我基本掌握了教学楼设计的结构选型（包括基础选型）、结构布置、结构计算及主要施工图绘制的全过程。在计算过程中步骤明确、书写清楚、计算书完整并清晰、图纸内容表达正确。在这次设计中我综合的运用了以前学过的知识，培养了自己独立分析问题和解决问题的能力。进一步的温习了制图的法则 平法标注及相应的公共建筑设计规范，在这次教学楼设计中我受益匪浅 。 参考文献 （ 1） 彭伟 西南交通大学出版社， 2004 （ 2） 杨志勇 武汉工业大学出版社， 1997 （ 3） 王庆春等 东北财经大学出版社， 2003， 39 43 （ 4） 徐科峰等 机械工业出版社， 2003， 302 317 （ 5） 王立红 中国环境科学出版社， 2003 （ 6） 张文忠 中国建筑工业出版社， 2001 （ 7） 章俊华 中国建筑工业出版社， 2001 （ 8） 罗运湖 共 建筑设计 2002 （ 9） 郭继武 中国建筑工业出版社 ， 2002 （ 10） 995 （ 11） 12） 周兵 机械工业出版社， 2002 （ 13） 周果行 中国建筑工业出版社， 2003， （ 14） 天津大学、同济大学、东南大学编 中国建筑工业出版社 （ 15） (美 ) AH 尼尔逊著 中国建筑工业出版社 2003 (16) 其它相关规范和图籍 第二章 框架结构设计计算书 5 架梁、柱尺寸的确定及框架计算 一 图 1 结构布置平面图 本教学楼主体结构为 5 层，底层层高为 余各层层高均为 部突出屋面的塔楼部分为楼梯间，层高为 表 1 梁截面尺寸（ 各层混凝土强度等级 填充墙采用 200的页岩空心砖，门为塑钢门，门洞尺寸为 为塑钢窗，洞口尺寸为 楼盖和屋盖均采用现浇钢筋混凝土结构，板厚取 150截面高度按梁跨度的1/101/18 估算，估算截面尺寸见下表。（表中 含梁 柱的混凝土强度等级）。其设计强度： f c=f t= 柱截面尺寸可根据式（ 算，该教学楼的抗震等级为七级，起轴压比限值 N=层中恒荷载代表值近似取 12KN/荷载近似取 柱及中柱的负载面积分别为 9 对于 2 级框架，柱按下式计算； 层次 混凝土强度等级 横梁（ b h） 纵梁（ b h） 次梁（ b h） , 25 30 300 700 300 400 300 650 300 500 1 30 350 700 350 400 350 650 350 500 6 边柱 9 12 103 5） /（ =105柱 9 12 103 5/105柱的截面为正方形，则边柱和中柱截面高度分别为 425 492 根据上述计算结果并考虑其他的因素，本教学楼柱截面尺寸取值如下： 1 层 70070023 层 6006005 层 500500 基础选用柱下独立基础，基础埋深取 框架结构计算简图如下图所示，取顶层柱的形心线作为框架柱的轴线；梁轴线取至板底，25 层 柱高即 为层 高， 取 底层 柱高度 从基 础顶 面 取至一 层板 顶，即=(a) 横向框架 （ b）纵向框架 图 2 框架结构计算简图 二 屋面（上人）： 30 厚的细石混凝土保护层 22 水层 0 厚水泥 砂浆找平层 20 125的加气混凝土块保温层 5 N/50钢筋混凝土板 25 N/ 合计 7 14 层楼面： 水磨石地面 N/50 厚钢筋混凝土板 25 N/计 上人屋面均布活荷载标准值 N/面活荷载标准值 N/面雪荷载标准值 sk=N/中： 屋面积雪分布系数 、墙、窗、门重力荷载计算 梁柱可根据截面尺寸、材料容重及粉刷等计算出单位长度上的重力荷载，对墙、门、窗可计算单位面积上的重力荷载。计算结果见下表： 表 2 梁、柱重力荷载标准值 层次 构件 b/m h/m /(KN/ g/(KN/m) li/m n N N 1 边横梁 5 8 横梁 5 梁 5 16 梁 5 2 5 8 23 边横梁 5 8 横 梁 5 梁 5 6 梁 5 2 5 8 45 边横梁 5 8 横梁 5 梁 5 6 梁 5 2 8 柱 5 8 注：表中是考虑梁、柱的粉刷层重力荷载的增大系数； g 表示单位长度构件重力荷载； 的长度为净长，柱子长度为层高。 内墙为 200页岩空心砖，外墙面贴瓷砖（ ,内墙面均为 20的抹灰层，内外墙的单位面积重力荷载为： 5 7 N/集中于各楼层标高处的重力荷载代表值 算结果见下图所示。 表 3 各质点的重力荷载代表值 三、框架侧移刚度计算 1.表 4 横梁线刚度计算 类别 层次 KN/b h /0 /l/l/ l/l /横梁 1 04 350700 1010 6600 010 010 010 25 104 300700 109 010 010 010 走道梁 1 04 350400 109 2100 010 010 010 25 104 300400 109 010 010 010 注：两边设板的弯刚度乘 边有板的乘 边有板的乘 表 5 柱线刚度 算表 层次 Hc/c/( N/b h /c/点号 2 4 6 重力荷载代表值 9 1 5650 104 700 700 1010 1010 23 3600 104 600 600 1010 9 1010 45 3600 104 500 500 109 1010 现在取第 2 层的 3 号轴柱的侧移刚度计算为例，计算结果见表 68。 由表 4 可得梁柱线刚比 K 为： K=（ （ 2 9） = c= 2+=所以 D= c 12 ic/ 12 9 1010） /36002=83333N/ 6 中框架柱侧移刚度 D 值 N/ 7 边框柱侧移刚度 D 值（ N/ 层次 c c 0 524 0 406 17014 0 831 0 470 19710 73448 2 0 723 0 266 22167 1 147 0 364 30333 105000 3 0 723 0 266 22167 1 147 0 364 30333 105000 45 1 432 0 417 16757 2 379 0 543 21821 77156 表 8 楼梯间框架柱侧移刚度 D 值（ N/ 层次 c c c 次 边柱 (14 根 ) 中柱（ 14 根） c c 3568 3811 663306 2 6167 3250 691838 3 6167 3250 691838 45 2980 3273 647542 10 1 3420 4678 7026 62150 2 0333 4583 2167 69250 3 0333 4583 2167 69250 45 122 2256 7200 55778 将上诉表 68 的不同情况下同层框架柱侧移刚度相加，即得框架各层层间侧移刚度（合计 见表 9: 表 9 横向框架层间侧移刚度 层次 1 2 3 4 5 98904 866088 866088 780476 780476 由表 9 可以知道， 98904/866088=该框架为规则框架。 方法同横向框架的侧移刚度计算。柱的纵向侧移刚度除与柱沿纵向的截面特征有关外，还与纵梁的线刚度有关。纵向线刚度 算过程见表 10，在本教学楼中，纵横向柱线刚度相同，计算见表 10： 表 10 纵向线刚度 类别 层次 ( N/b h /0 /l/l/ l /l /梁 1 104 350 700 010 9000 1010 1010 7 1010 25 104 300 700 09 010 1010 1010 纵向框架柱也分为中框架中柱和边柱、边框架中柱和边柱等，向框架各层的层间侧移刚度见表 13。 表 11 纵向中框架（ C、 D 列）边柱侧移刚度 D 值（ N/ 层次 11 K c c 7991 6481 70454 2 1750 6000 81250 3 1750 6000 81250 45 4547 3301 56942 层次 中柱（ 12 根） c c 2604 0549 312346 2 2333 6917 441830 3 2333 6917 441830 45 2865 9972 314324 表 12 纵向边框架（ A、 D 列）边柱侧移刚度 D 值 层次 c c 6481 4762 64205 23 6000 2500 60500 45 3301 0006 49909 层次 中柱（ 12 根） c c 0549 8620 265208 23 6833 4500 346496 45 0093 8164 259280 将上述的各种情况下同楼层框架柱侧移刚度汇总见表 13 表 13 纵向框架层间侧移刚度值（ N/ 层次 1 2 3 4 5 合计 12213 930076 930076 680455 680455 由表 13 可见， 12213/930076=以该框架为纵向规则框架。 四横向水平荷载作用下框架结构的内力和侧移刚度计算 结构的内力和侧移计算 (1) 12 将 算到主题结构的顶层，即 n+1(1+)+ 1+3/=构顶点的假想侧移计算见表 14 表 14 结构顶点的假想侧移计算 层次 N N ui/mm ui/ 98904 66088 66088 80476 80476 算基本周期 中 m,取 T= （ 2） 在本教学楼中，结构高度为 超过 40m,且质量和刚度沿高度分布较均匀，变形以剪切型为主，故可以用底部剪 力法计算水平地震作用。结构总水平地震作用标准值计算，即： j=2+= 1=（ 1） 1 为 以应该考虑顶部附加水平地震作用。顶部附加地震作用系数 : n= 质点的水平地震作用计算按下式计算： ij 具体的计算过程见表 15 表 15 各质点横向水平地震作用及楼层地震剪力计算表 13 层次 Hi/m N ij N N 1 质点的水平地震作用及楼层地震剪力沿房屋高度分布见 图 3。 （ 3） 水平地震作用下框架结构的层间位移 顶点位移 算见下表 16，表 16 中还计算了各层的层间弹性位移角 e= ui/ （ a）水平地震作用分布图 （ b）层间剪力分布图 图 3 横向水平地震作用及楼层地震剪力 表 16 横向水平地震作用下的位移验算 层次 N (N/ ui/mm ui/mm hi/ e= ui/ 98904 650 1/1185 2 66088 600 1/923 14 3 66088 600 1/1072 4 80476 600 1/1250 5 80476 600 /12093 由表 16 可见，最大层间位移角发生在第 2 层，其值为 1/923 1/550，满足式 e)中查表得 u/h=1/550。 （ 4）水平地震作用下框架内力计算。 取教学楼结构中的 号轴线横向框架内力计算。 框架端剪力及弯矩计算分别以公式 s 和 ij* -y)h 计算本教学楼中底层柱需考虑修正值 二层柱需考虑修正值 余柱均无需修正。具体计算过程见表 17。 表 17 各层柱端弯矩及剪力计算 层次 Hi/m N Dij/(N/边柱 中柱 y y 98904 23568 3811 66088 16167 3250 66088 16167 3250 80476 12980 3273 80476 12980 3273 ：表中 M 的单位为 的单位为 梁端弯矩、剪力及柱子轴力计算见表 18： 表 18 梁端弯矩、剪力及柱子轴力计算 层次 边梁 走道梁 柱轴力 15 风荷载标准值按式 z s 算，基本风压 荷载规范查得 s=风向）和 s=风向 ）。 B 类地区， H/B=2=表得 =21=s2/表 = z=1+（ z 取教学楼中的号轴线横向框架，其负载宽度为 9m,由式 z s 房屋高度的分布风荷载标准值 : q(z)=9 z s z=z s z 根据各楼层标高处的高度 表 取 z，代入上式可得各楼层标高处的 q(z)，见表19， q(z)沿房屋 高度的分布图见图 3。 rb l rb l 柱 N 中柱 N 1 16 (a)框架弯矩图（ KN/m） (b)梁端剪力及轴力图 图 3 左 地震作用下框架弯矩图、梁端剪力及轴力图 表 19 沿房屋高度分布风荷载标准值 层次 Hi/m z z q1(z)/(KN/m) q2(z) /(KN/m) 1 17 （ a）风荷载沿房屋高度的分布（单位： KN/m） (b) 等效节点集中风荷载（单位： 图 4 框架梁上的风荷载 荷载规范规定，对于高度大于 30m 且高宽比大于 房屋结构，应采用风振系数 教学楼高度 30m， H/B=表 19 可见， 间变化，即风压脉动影响较大。因此，该房屋应该考虑风压脉动的影响。 框架结构分析时，应按静力等效原理图 4(a)所示。例如，第 2 层的集中荷载 计算过程如下： +（ +（ 1/2 1/3 +（ +（ 1/2 2/3= 2）风荷载作用下框架结构内力计算。 根据图 4（ b）中所示的水 平荷载，由式 i，然后依据表 6 求出的轴线框架的层间侧移刚度，再按式（ u） i= （ u） 算各层的相对侧移和绝对侧移。计算过程见表 20 。 表 20 风荷载作用下框架层间剪力及侧移计算 18 层次 1 2 3 4 5 N i/ D/（ N/ 94758 98834 98834 92506 92506 ui/ ui/，风荷载作用下框架的最大层间位移角为 1/4359，远小于 1/550，满足规范的要求。 （ 3）风荷载作用下框架结构内力计算。 风荷载作用下框架结构内力计算过程与水平地震作用下的相同。图 2 中轴线横向框架在风荷载作用下的弯矩、梁端剪力和柱轴力。（由于在 以此处不予考 虑）。 四 纵向自振周期 质点的重力荷载代表值 表 3，折算荷载1，表中各层间侧移刚度取自表 13。 表 21 结构顶点假想侧移计算 层次 G/N D/（ N/ mm ui/ 80455 80455 30076 30076 12213 T= (2) 纵向水平地震作用及楼层地震剪力计算。 i j=(2+= 1=（ 1） 1 19 因为 以应该考虑顶部附加水平地震作用。 n= 质点的水平地震作用计算按下式计算： 楼层地震剪力 式 算， i 的计算过程见表 22。 表 22 各质点纵向水平地震作用及楼层地震剪力计算表 层次 Hi/m N Gij N N 1 向水平地震作用下各质点水平地震作用及楼层地震剪力分布见图 5。 （ 3） 震作用下的位移验算。 纵向水平地震作用下框架结构的位移计算方法与横向水平地震作用下的相同，具体计算过程见表 23。 20 （ a）纵向水平地震作用分布图 （ b）层间剪力分布图 图 5 纵向水平地震作用及楼层地震剪力分布图 表 23 纵向水平地震作用下的位移验算 层次 N (N/ ui/mm ui/hi/ e= ui/ 80455 600 1/1309 4 80455 600 1/918 3 30076 600 1/1051 2 30076 600 1/916 1 12213 650 1/996 由表 23 可以看出最大层间位移角发生在第 2 层，其值为 1/916 1/550，满足要求。 （ 4）纵向水平地震作用下框架内力计算。 纵向水平地震作用下框架内力计算方法与横向的相同。图 1 中 C 轴纵向各层柱端弯矩及剪力计算见表 24，梁端弯矩、 剪力、轴力计算过程见表 25。 （ 1）风荷载标准值 。 因为该房屋沿纵向的高宽比 H/B=2=以风振系数 z=余计算与横向时相同。仍计算层 C 列纵向框架，其负载宽度为（ ，则由下式得沿房屋高度的分布风荷载标准值 21 q(z)=s z=s z 风载体型系数 s 取 风向 背风向 和），则 q(z)表示迎风向的风压力和背风向的风吸力之和。按静力 等效原理将分布风荷载计算为节点集中力 及 计算结果见表 26。 表 24 纵向地震作用下框架各层柱端弯矩及剪力计算 层次 m (N/边柱（ B） -，（ B） - 中柱（ B） -，（ B） - y y 80455 14547 2865 80455 14547 2865 30076 21750 2333 30076 21750 2333 12213 17991 2604 25 纵向框架在地震作用下的梁端弯矩、剪力和柱轴力计算 层次 边跨梁 中间跨梁 柱轴力 N rb l rb l ， 轴柱 ， 轴柱 轴柱 5 + 4 + 3 + 2 + 1 + 注：柱轴力用“”表示压力，用“”表示拉力。表中柱轴力符号表示做地震时的情况。 M 量纲为 和 N 量纲为 l 量纲为 m。 表 26 风荷载标准值计算 层次 Hi/m z q(z)/(KN/m) N 1 22 3 2）纵