1 建筑设计
1.1工程概况
该教学楼位于西安市南郊雁塔路东侧,建筑面积为5000㎡(±5%)，设计在85×35的矩形范围内,层数为六层;建筑耐火等级为二级;场地类别为Ⅱ类;抗震设防烈度为8度;建筑物耐久年限为50年;结构类型为钢筋混凝土框架结构.
1.1.1 设计要求
（1）建筑结构部分：主要房间数量如下表所示:
楼内设置90人大教室6个,40人小教室20个,实验室3个(每个适用面积不小于70㎡),活动室1个(使用面积不小于160㎡),多媒体教室2个(每个使用面积不小于45㎡),并要求设置适当数量的教师休息室,余下为单间办公室.同时要求楼梯设置不少于两部,各层均设置男女厕所、盥洗室.
楼梯间要求通顶,一楼设置门厅,走廊、楼梯、门厅、教室、办公室、实验室、活动室等地面采用水磨石或地砖,厕所、盥洗室地面铺陶瓷锦转,计算机室、活动室设吊顶,外门、窗户采用铝合金或塑钢门窗,内窗门采用木制,填充墙体可采用空心砖、粉煤灰砖等自重轻、保温性能好的材料.
（2）水、暖、电参考条件(不进行水、暖、电有关设计):
全楼采用热水采暖,散热器设置,电器,照明电器暗敷,除门厅,走廊,厕所,盥洗室用吸顶灯外,其它房间为日光顶照明,各房间按要求设置电源插座,设置中不考虑空调.
1.1.2 施工条件
施工由西安市第二建筑工程公司承包,该公司技术力量强,施工机械设备齐全,能从事各种民用建筑的施工.
工程所需的各种门窗,中小型钢筋混凝土预制构件以及钢筋,水泥,砂,石等材料均可按设计要求保证供应;施工用水,电可以就近在主干道旁接入,劳动力可满足施工需要.
1.2 原始材料
1.2.1 气象条件
最热月平均气温27.4℃;
最冷月平均气温-1.7℃;
空气相对湿度:最热月平均72%,最冷月平均70%;
全年雨季:8-9月;年降雨量650mm,日最大降雨量95mm,一小时最大降雨量55mm. 主导风向:冬季:东北风 夏季:西南风 基本风压:0.35KN/㎡ 基本雪压:0.2 KN/㎡
1.2.2 工程地质条件
西安财经学院教学楼建筑场地位于西安市南郊大雁塔东侧,地属河流阶地,地形平坦,天然地基土自上而下由杂填土、黄土状土、古土壤层构成,其中,杂填土层厚为1.2米,黄土状土厚度为8-10m,以下为古土壤层,层面约在地面以下12m 左右(该层进尺3m 仍未穿透),各土层物理力学指标如下:
黄土状土:20.0%w =,31.9/,0.90g cm e ρ==
2.70,14.6%,25.3%
s p l d w w ===
1120.48, 3.74,175s ak a MPa E MPa f kpa --=== 古土壤层:324.0%, 1.99/,0.75w g cm e ρ=== 2.71,16.4%,28.8%s p l d w w === 1120.3, 6.5,180s ak a MPa E MPa f kpa --===
地下水位埋藏较深,可不考虑地下水对基础的影响.场地属Ⅰ级非自重湿陷场地.地面下15m 深度左右内无可液化土层,可不考虑地基的液化问题.
1.3 建筑设计说明 1.3.1 平面设计 (1) 平面形状及位置
考虑建筑整体空间组合的效果,从房屋的功能要求和结构布置等内在因素来分析对建筑平面组合的要求,同时还考虑总体规划,基地环境以及当地气候,地理条件等外界因素,进行综合考虑,使彼此组合合理,有机协调,本设计将教学楼设计为 “一”字型,结构平面布置均匀对称.
(2) 教学楼的功能设计
对于一幢建筑物,首先应满足它的使用要求..根据所给的条件和要求,房屋的面积要求的多样性,合适的长宽比等把柱网定为等宽式,这样在满足使用面积的基础上易于分隔,并满足抗震要求,为了便于实验室的排水将其设在1-3层上下布置,将面积要求较大的活动室和多媒体在顶层,每层都设有教室休息室和办公室,男女厕所的蹲位满足人流量的要求,大小教室的面积和布置需满足教室设计标准.同时,每层还设有2.4m宽的内廊式走道,满足采光通风,人流疏通等要求.
1.3.2交通部分
交通联系部分设计的主要要求:交通路线简洁明确,联系通行方便,人流通畅,紧急疏散时迅速安全,并满足一定的采光通风要求,力求节省交通面积等.
交通联系部分主要包括:门厅,走廊,楼梯.
(1)门厅:
门厅是建筑的出入口,是衔接室内外的主要交通枢纽,应导向明确.避免交通路线过多的交叉和干扰,同时需满足空间组合和建筑造型的要求.建筑物的出入口处,为了给人进入室内外有一个过渡的地方.
(2)走廊:
其为连接各个房间,楼梯和门厅等各部分,以解决房间中水平联系和疏散,宽度应符合人流通畅和建筑防火要求,.在纵向设 2.4m宽的走廊.走廊从房间门到楼梯间或外门的最大距离,以及袋形过道的长度,满足防火等级为Ⅱ级的要求.
(3)楼梯布置
将楼梯间的跨度设为3.6m,以满足楼梯的平台进深不小于楼梯段宽度和防火要求.平台设定为1.95m每踏步高150mm,宽300mm,楼梯口防火门设2.4m,双面开启,整个建筑物设两部楼梯,通到顶层以便于消防利用,休息平台梁搭在两端柱(240mm*240mm)
具体详见建筑施工图的各层平面图和剖面图.
1.4 剖面设计
(1)层高的确定:建筑层高的确定与许多因素有关:
a.首先满足使用要求,有一定的净高,避免压抑感;
b.结构要求使梁板构造不同,净高不同;
c.卫生条件满足人流量的要求,蹲位,水池大小符合标准;
d.采光比例符合房间使用性质确定的采光分级和面积比,窗的平面位置是否影响到房间沿外墙来的照度均匀,无暗角和眩光;
e.施工条件:太高和太低都不利于施工;
f.经济要求:适当降低层高可节约开支,降低造价;
g.城市规划和周围环境的要求
综合上述条件,参考有关资料,对比类似设计,取层高为3.6m,
(2)采光设计
对教学楼而言,必须采光良好,房间沿外墙方向来的照度必须均匀,无暗角和眩光.
当教室采用单侧采光时,通常窗户上沿离地面的高度,应大于房间进深长度的一半.窗台的高度采用900mm,这样的尺寸和桌子的高度,人坐时的视平线高度,相互的配合关系比较恰当.在走廊的两侧的墙上未设置高窗,各房间面积不等,窗户尺寸见建筑平面图和剖面图,因采用铝合金窗,窗户没有模数要求.
(3)通风设计:
一般公共建筑的使用房间都采用自然通风.本设计中开足够大的窗,且各开间基本上满足门窗对齐,形成直线型穿堂风,风流向自然通畅.
(4)屋面排水:
φ=)作落水管,顶面沿外墙做900mm 采用有组织的外排水,用外装塑料管(100mm
的女儿墙,屋顶找坡2%,为上人屋面.根据屋顶面形状及雨水汇集情况,设置落水管,满足屋面汇水面积不小于2002
m,并沿屋面四周边设置内檐沟组织排水.
屋面做法:30mm厚细石混凝土保护层
改性沥青防水层
20mm水泥砂浆找平
150mm厚水泥蛭石保温层
100mm厚钢筋混凝土现浇板
楼地面做法:瓷砖地面(包括水泥粗砂打底)
100mm厚钢筋混凝土现浇板
(5)散水:为保护墙基不受雨水的侵蚀,在外墙四周设散水,坡度5%
i=,宽为1200mm.
做法(从上至下): 10mm厚1:2.5水泥砂浆抹面
60mm厚C10混凝土
80mm厚碎砖或道渣
素土夯实
1.5 立面设计
建筑物在满足使用要求的同时,它的体型、立面以及内外空间组合等,还需要给人以精神上的美感,学校建筑中的教学楼,由于室内采光要求高,人流出入多,立面上需形成高大明快,成组排列的窗户和宽敞的入口.而且,框架结构体系的墙体只起围护作用,立面上开窗具有很大的灵活性,可在整个柱间开设横向窗户.
在立面设计时,采用对称体型,建筑物各部分主次分明,形式完整,给人以端正之感.立面效果由银白色铝合金门窗,墙上贴有浅色瓷砖,使立面竖向均匀,从建筑物整体色彩来看,给人以明快、活泼、积极向上的感觉.使立面设计符合建筑造型和立面构造方面的规律、均衡、统一等,把经济,实用,美观三者有机结合起来.
1.6 墙体设计
本设计中+0.000m以下用MU10粘土实心砖，+0.000m以上用加气混凝土空心砌块，墙体均为240墙。
1.7 装饰工程
本设计外墙底层窗台下做剁斧石饰面，以上为浅色瓷砖贴面，东西立面涂乳砂涂料；平台面及台阶踏步均为地砖地面；室内装饰门厅为花岗岩，卫生间铺陶瓷锦转，其余为地砖；内墙面采用石灰砂装饰，刷乳胶漆，卫生间墙面贴釉面砖；顶棚在门厅和走廊采用装饰石膏板，卫生间为PVC板，其余为纸筋石灰装饰。
2 结构设计
2.1 结构选型及结构布置
2.1.1 结构体系的选择
由于本教学楼为多层建筑，抗震设防烈度为8度，宜采用钢筋混凝土结构，目前，国内常用的混凝土结构体系有：框架结构，框架——剪力墙结构，筒体结构等，各有各的优缺点和适用范围。
(1)框架体系
框架体系具有平面布置灵活，容易满足生产工艺和施工要求，梁、柱等构件便于定型化，制造和施工能够工厂化，机械化等特点，应用极为广泛，其刚接的梁和柱传递竖向和侧向荷载，墙体仅起维护作用，在建筑上具有大空间，便于布置各种尺度不同的房间，在结构上则有构件分工明确，可以充分发挥材料的特性，连接杆件的交叉使节点构造便于检查和施工。但是，框架结构水平方向刚度差，抗侧向荷载能力小，当层数较多和侧向刚度较大时需增加框架截面尺寸，通过合理设计，框架结构可以做成延性框架，其抗震性较好，可承受较大的侧向变形。
（2）框架——剪力墙结构体系
当多层房屋向更高层发展时，采用框架体系会产生不少矛盾。于是在框架结构体系中适当布置钢筋混凝土剪力墙，其作为抗侧力构件与框架协同工作，使结构具有良好的抗震性能，平面具有较大空间，分隔灵活的特点，框架主要承受竖向荷载，其主要用在8—15层的民用建筑中。
（3）剪力墙结构
随着房屋层数和高度的进一步增加，需要设置较多的剪力墙来提高房屋的抗側力性能，便形成了剪力墙结构，一系列剪力墙纵横相交，既做承重结构又做分隔和维护作用，该结构整体刚度大，抵抗风荷载和地震力条件优越，但必然形成大量小开间重复排列的格局，而且墙上开洞和平面布置受到一定的限制，如剪力墙结构适用于建筑上要求有很多间隔墙的15层以上住宅、旅馆等高层民用房屋。
（4）筒体结构
当房屋向超高层（超过100m）发展时，在房屋中设置刚性筒体以抵抗水平力，，其基本特征是：水平力主要由一个或多个空间受力的筒体承受，筒体可以由剪力墙组成，也可以由密柱框筒组成。
通过分析比较，结合设计任务要求，房间布置灵活能提高较大空间，并考虑建筑高度、经济因素和施工条件，本设计采用钢筋混凝土框架结构体系。
2.1.2 基础形式的选择
基础的形式，设计时应该选用能适应上部结构，符合使用要求、满足地基基础的设计两项基本技术要求以及技术上合理的基础构造方案，考虑场地地基的水文、地质、冻融等有关条件、材料和施工影响等因素，选择有足够强度和稳定性的基础以保证建筑物的安全和正常使用。
常用的基础形式有：独立基础，条形基础，井格式基础，筏基础，箱型基础，桩基础等，各有适用条件、特点。
(1)独立基础
柱下独立基础是重复受力构件，上部传来的荷载都是通过基础传至地基的。这种基础与上部结构连成一体，构成一个整体，具有很大的整体刚度，多用于厂房基础。
(2)条形基础
条形基础是条状布置，横截面一般是倒T型，其作用是把各柱传来的上部结构的荷载较为均匀的传给地基，同时把上部各榀框架连成整体，以增加结构的整体性，减少不均匀沉降，条形基础可以横向布置，亦可沿纵向布置，由于基底面积较大，常用于地基承载力不足压缩分布不均匀的场地。
(3)井格式基础
又称十字交叉梁基础，即沿柱网纵横向均布置条形基础，既扩大了基底受荷面积，又可使上部结构在纵横两向都有联系，具有较强的空间整体刚度，可以较好的克服不均匀沉降。
(4)筏板基础
当建筑物上部荷载较大，而且地基承载力又较弱，采用条形基础或井格式基础不能满足地基土的承载力与上部结构容许变形的要求，则扩大基础底面面积直至使底板连成一片，形成片筏基础，但筏板基础由于底面积大而厚度有限，造成它有限的抗弯刚度，另外由于它的连续性，有局部荷载作用时同时受正负弯矩，所以要求配筋量大，因此经济指标高。
(5)箱型基础
箱型基础是由钢筋混凝土的底板，顶板和内外纵横的墙体组成的格式空间结构。
它能显著提高地基的稳定性，降低基础的沉降量。但是，箱型基础存在着多料，长工期，高造价，施工技术复杂等缺点，一般用于软弱地基土上的高层，重型或对不均匀沉降有严格要求的建筑物。
(6)桩基础
当建筑场地浅层土质不能满足建筑物对地基承载力和变形的要求，而又不采用地基处理措施时就要考虑以下层坚实土层作为持力层，这时可采用桩基础，桩基础具有承载力大，稳定性好，沉降量小而又均匀等优点，还能承受一定的水平力和上拔力，承受动荷载的性能较好，但桩基础造价高，施工周期长。
比较以上几种基础类型，考虑该设计上部结构类型，自重，场地地质条件及经济费用等因素，选择十字交叉梁基础。
2.3 结构布置
本设计采用“一”形,为内廊式,满足采光通风的要求,为横向承重,结构整体对称布置,有效地提高了整个建筑物的抗侧强度和刚度,且使其分布均匀.
2.4 柱网布置
本设计采用内廊式框架，柱网布置也采用内廊式柱网，柱网基本对称布置，在楼梯间处多加两根柱子,柱距7.2m，楼梯间处为3.6m,房间进深7.2m，走廊宽2.4m.
3 框架结构设计计算
3.1 框架平面柱网布置图
图3.1 框架柱网及梁平面布置图
3.2 梁柱截面确定
3.2.1 初估截面尺寸
（1）梁编号见上图3.1
楼盖和屋盖均采用现浇钢筋混凝土结构，楼板厚度取100mm 。梁截面高度按梁跨度的1/12～1/14,梁宽为梁高约1/3~1/1.5估算.
1L 300700b h mm mm ?=?
2L 300700b h mm mm ?=? 3L 300600b h mm mm ?=? 4L 300400b h mm mm ?=? 5L 300600b h mm mm ?=? 6L 300500b h mm mm ?=? 7L 300600b h mm mm ?=? 8L 300500b h mm mm ?=? 9L 300600b h mm mm ?=? 1CL 300450b h mm mm ?=? 2CL 300450b h mm mm ?=?
图中L 5底层梁，L 6为二层以上梁，其余梁均各层相同。 (2)柱截面初估尺寸
柱高:
151~201层高 （15
1~201）3600180~240mm ?= 柱宽：柱高为柱宽的1.2倍 150~200mm
s=7.27(7.22 2.4)36
???+=23.522m
水泥等级C35,216.7/c f N mm =,21.57/t f N mm = 柱截面初估尺寸柱截面尺寸根据以下公式进行估算：
12c G s N r w s N ββ=?????
N= N c (1.1~1.2)? (3.1) []c
N c f N
A μ≥
(3.2)
由于该框架结构的抗震等级为二级，其轴压比限值[]N μ=0.8，
角柱： N c =1.251223.525 1.3 1.12523KN ?????= N= N c *(1.1~1.2)=2775~3028KN
32775100.80.816.7c c N A f ?≥=?~3
3028100.816.7
??mm 2
=207710~226647 mm 2
选方形柱，则柱的边长为456~476 mm ，取柱为600600mm mm ? 其他柱子：
N c =1.251223.5251 1.11941KN ?????= N=
N c ·(1.1~1.2)=2135~2329KN
32135100.80.816.7c c N A f ?≥=?~3
2329100.816.7?? =159805~174326mm 22m m
选方形柱，则柱的边长为400~418 mm ，取柱为600600mm mm ? 3.2.2 柱高度
梁的计算跨度以柱形心为准
图3-1梁的计算跨度
底层柱高度 h=3.6+0.6+0.5=4.7，其中，3.6为底层层高，0.6为室内外高差，0.5m 为基础顶面至室外地面的高度，其他柱高等于层高，即3.6m 。
框架计算简图
3.2.3荷载计算
(一)屋面均布恒载
按屋面做法逐项计算均布荷载，计算时注意：吊顶处不做粉底，无吊顶处做粉底，近似取吊顶粉底为相同重量。
屋面（上人）：
30mm厚细石混凝土保护层 22 0.03=0.66kN/m2改性沥青防水层 0.4kN/m2
20mm水泥砂浆找平 0.02×20=0.4kN/m2
150mm厚水泥蛭石保温层 0.15×5=0.75kN/m2
100厚钢筋混凝土楼板 255.2
?kN/m2
1.0=
吊顶或粉刷 0.25kN/m2合计 4.96kN/m2
楼梯间通顶:
则楼梯间顶部的均布恒载为:2
?++?+?=
2(7.20.240.2)(3.60.240.2)61.7m
?=
61.7 4.96306.2KN
屋面均布恒载标准值:
?+??++-+?+?=805.82m
[(77.20.24)(7.22 2.40.24)(7.20.24)(3.60.24)2]
805.8?4.96=3997KN
(二) 楼面均布恒载
(1)按楼面做法逐项计算：
瓷砖地面(包括水泥粗砂打底) 0.55KN/m
100厚钢筋混凝土楼板 255.2
? kN/m2
1.0=
吊顶或粉底 0.25kN/m2
合计 3.3kN/m2楼面恒荷载标准值：(16×3.6+0.24) ×(6×2+2.4+0.24) ×3.65=3260.5kN (2)厕所地面
陶瓷锦转(马赛克) 0.12KN/m
20mm水泥砂浆找平 0.02?20=0.4KN/m 100厚钢筋混凝土楼板 255.2
? kN/m2
1.0=
吊顶或粉底 0.25kN/m2
合计 3.27kN/m2
①每层厕所面积: 2
+?+=
(7.20.24)(7.20.24)55.4m
②楼梯间面积:2
?+?+=
2(3.60.24)(7.200.24)57.1m
则楼地面恒载标准值为:
?+??+--?=
[(77.20.24)(7.220.24)55.457.1] 3.32326KN 厕所地面恒载标准值为: 55.4 3.27181KN
?=
③楼梯间的计算
梯段板与踏步的厚度和:
1134100234
h mm
=+=
则梯段板与踏步的自重为:
2
0.23425 5.85/
KN m
?=
5.85 3.3(3.60.50.08)58.3KN
??--=
平台板的自重:
(1.950.120.3)(3.60.6) 4.59KN
--?-=
平台梁自重:0.340.4(3.60.5)2510.54KN
??-?=
(3) 屋面均布活荷载
由于该教学楼楼梯间通顶,则为上人屋面,屋面的均布活荷载,不应与雪荷载同时组合,应取二者中的较大值计算.
??+??++-+?+?=
2.0[(7.270.24)(7.2 2.0 2.40.24)(7.20.24)(
3.60.24)2]1612KN
楼梯顶部均布活荷载: 2.0?61.7=123.4KN
(4) 楼面均布活荷载
楼面均布活荷载对教学楼的要求为2.0kN/m2，走廊、楼梯、门厅、教室等处为2.5kN/m2，为计算方便，此处偏安全的统一取均布活荷载为2.5kN/m2。
楼面均布活荷载标准值为：
??+??++=
2.5(77.20.24)(7.22 2.40.24)2157KN
(三)梁柱自重
（包括梁侧、梁底、柱的抹灰重量）
梁侧、梁底抹灰，柱周抹灰，近似按加大梁宽和柱宽考虑。
b×h=300mm×700mm,长度6.6m
例：L
1
每根重量为：0.34×0.7×6.6×25=39.27kN 其他梁柱自重计算结果列于表
3.1
(四) 墙体的重力荷载计算
墙体为240mm 厚粘土空心砖，容重为15KN/2m .墙体均采用240mm 厚,两面抹灰,近似按加厚墙体考虑抹灰重量,单位面积上墙体重量为: 20.2815 4.2/KN m ?= 1.底层纵墙: ①每片面积:6.6 4.1m m ? 片数:24 面积:26.6 4.124649.44m ??= ②每片面积:3 4.1m m ? 片数:8
面积:23 4.1898.4m ??=
总面积:649.44+98.4=747.842m
考虑门窗面积的影响:
① 底层窗的面积: C1:1.2 1.8m m ? 数量:16232?=
面积21.2 1.83269.12m ??= C2:2 1.8m m ? 数量:4312?= 面积22 1.81243.2m ??= C3:0.6 1.8m m ? 数量:2 面积20.6 1.82 2.16m ??=
底层纵墙上墙体的总面积:69.12+43.2+2.16=114.482m ②门的面积:
大门采用铝合金 M1:2 2.4m m ? 数量:3 面积:22 2.4314.4m ??=
室内门面积(木门) M2:0.9 2.4m m ? 数量:16 面积:20.9 2.41634.56m ??=
M3:1.8 2.4m m ? 数量:4 面积:21.8 2.4417.28m ??=
底层门的总面积:34.56+17.28+14.4=66.242m
③底层过梁面积
C1上过梁长:2.88m 数量:16 厚度:180mm 面积:22.880.18168.29m ??=
C2上过梁长:6.48m 数量:4 厚度:180mm 面积:26.480.184 4.67m ??=
C3上过梁长:2.28m 数量:2 厚度:180mm 面积:22.280.1820.82m ??=
M1上过梁长:6.48m 数量:1 厚度:180mm 面积:26.480.181 1.17m ??=
M2上过梁长:1.24m 数量:16 厚度:180mm 面积:21.240.1816 3.57m ??=