某重点高级中学扩建项目教学楼建筑与结构设计
摘 要：本次毕业设计的课题为某重点高级中学扩建项目教学楼建筑与结构设计，建筑面积4000平米左右。建筑首先要满足建筑物的功能要求，为人们的生产和生活活动创造良好的环境，这是建筑设计的首要任务。其次要正确选用建筑材料，根据建筑空间组合的特点，选择合理的结构、施工方案，使房屋坚固耐久、建造方便。再者要具有良好的经济效果，建造房屋是一个复杂的物质生产过程，需要大量人力、物力和资金，在房屋的设计和建造中，要因地制宜、就地取材，尽量做到节省劳动力，节省建筑材料和资金。
关键词：教学楼；中学教学楼；建筑设计；结构设计；计算
Building and structural design of the teaching building of a key senior middle school expansion project
Abstract:The subject of this graduation project is a key senior middle school expansion project teaching building building and structural design, a construction area of about 4000 square meters.Building must first meet the functional requirements of the building, to create a good environment for people's production and living activities, which is the primary task of architectural design.Secondly, we should choose building materials correctly, according to the characteristics of the building space combination, choose a reasonable structure, construction scheme, so that the house is strong and durable, convenient to build.Moreover, to have a good economic effect, the building of a house is a complex material production process, needs a lot of manpower, material resources and funds, in the design and construction of houses, to adapt measures to local conditions, local materials, as far as possible to save labor, save building materials and funds.
Key words: teaching building; middle school teaching building; architectural design; structural design; calculation
1 建筑设计说明
此次设计的中学教学楼采用框架结构，框架结构是一种由梁和柱以刚接或铰接相连接成承重体系的房屋建筑结构。框架结构由梁柱构成，构件截面较小，因此框架结构的承载力和刚度都较低，楼层越高，水平位移越小，高层框架在纵横两个方向都承受很大的水平力，这时，现浇楼面也作为梁共同工作的，框架结构的墙体是填充墙，起围护和分隔作用，框架结构的特点是能为建筑提供灵活的使用空间。
1.1 平面设计
建筑平面是表示建筑物在水平方向房屋各部分的组合关系。由于建筑平面通常较为集中反映建筑功能方面的问题，一些剖面关系比较简单的民用建筑，它们的平面布置基本上能够反映空间组合的主要内容，因此，首先从建筑平面设计入手。在平面设计中，我始终从建筑整体空间组合的效果来考虑，紧密联系建筑剖面和立面，分析剖面、立面的可能性和合理性，不断调整修改平面，反复深入。
1.1.1 使用部分平面设计
建筑平面中各个使用房间和辅助房间，是建筑平面组合的基本单元。本设计在使用平面设计中充分考虑了以下几点：注意了房间的面积、形状和尺寸满足室内使用活动和设备合理布置的要求；门窗的大小和位置考虑了房间的出入方便，疏散安全，采风通风良好；房间的构成注意使结构布置合理，施工方便，也要有利于房间之间的组合，所用材料应符合相应的建筑标准。
对于辅助房间的平面设计，通常根据建筑物的使用特点和使用人数的多少，先确定所需设备的个数，根据计算所得的设备数量，考虑在整幢建筑中辅助房间的分布情况，最后在建筑平面组合中，根据整幢房屋的使用要求适当调整并确定这些辅助房间的面积、平面形式和尺寸。
1.1.2 交通联系部分设计
交通联系部分是把各个房间以及室内交通合理协调起来，同时又要考虑到使用房间和辅助房间的用途，减少交通干扰。楼梯是垂直交通联系部分，是各个楼层疏散的必经之路，同时又要考虑到建筑防火要求，本次采用板式双跑楼梯[7]。
本设计中交通联系部分设计能满足下列要求：交通线路简捷明确，联系通行方便；人流通畅，紧急疏散时迅速安全；满足一定的通风采光要求；力求节省交通面积，同时考虑空间组合等设计问题。
1.1.3 平面组合设计
建筑平面的组合设计，一方面，是在熟悉平面各组成部分的基础上，进一步从建筑整体的使用功能、技术经济和建筑艺术等方面，来分析对平面组合的要求；另一方面，还必须考虑总体规划、基地环境对建筑单体平面组合的要求。
房间是组成建筑物最基本的单位。从普通教室以听课为主的使用特点来分析，首先要满足学生上课是视、听方面的质量，即座位的排列不能太远太偏。确定教室平面形状和尺寸的因素，除了是视、听要求外，还要考虑其他方面的要求，从教室内需要有足够和均匀的天然采光。当平面组合中房间只能一侧开窗采光时，沿外墙长向的矩行平面，能够较好地满足采光均匀的要求。
本建筑为框架结构，墙体为填充墙，只起维护分隔作用，承重结构与围护结构分工明确。框架结构本身并不形成空间,只为形成空间提供一个骨架。这就给自由灵活的分隔空间创造了十分有利的条件。框架结构对建筑平面组合限制较少,各部分空间的大小和平面布置可按功能特点作不同的处理。但各空间的形式和平面尺寸应尽量与柱网的排列形式和尺寸协调。
1.2 剖面设计
建筑剖面设计主要是根据功能和使用方面对立体空间的要求，结合建筑结构和构造特点，来确定房间各部分高度和空间比例；考虑垂直方向空间的组合和利用；选择适当的剖面形式；进行垂直交通和采光、通风等方面的设计，使建筑物立体空间关系符合功能、艺术和技术、经济的要求。建筑平面与剖面是从两个不同的方向来表示建筑各部分的组合关系，因此，设计中的一些问题往往需要将平面和立面结合在一起考虑，才能加以解决。
考虑教室的要求，本工程层高定为3.9m。室内光线的强弱和照度是否均匀，不仅与窗在平面中的宽度和位置有关，而且还与窗在剖面中的高低有关。垂直交通包括三内部楼梯。门的高度根据人体尺寸来确定，窗高要满足通风采光要求。
1.3 立面设计
建筑立面设计是根据建筑物的性质和内容，结合材料、结构、周围环境特点以及艺术表现要求，综合地考虑建筑物内部的空间形象、外部的体形组合、立面构图以及材料质感、色彩的处理等等，使建筑物的形式与内容统一，创造良好的建筑艺术形象，以满足人们的审美要求。
建筑立面可以看成是由许多构部件所组成：它们有墙体、梁柱、墙墩等构成房屋的结构构件，有门窗、阳台等和内部使用空间直接连通的部件，以及台基、勒脚、檐口等主要起到保护外墙作用的组成部分。恰当地确定立面中这些组成部分和构部件的比例和尺度，运用节奏韵律、虚实对比等规律，设计出体型完整、形式与内容统一的建筑立面，是立面设计的主要任务。
1.4 构造和建筑设计措施
1.4.1 墙体
墙体依其在房屋所处位置的不同，有内墙和外墙之分。按布置方向又可以分为纵横墙，按受力方式分为承重墙和非承重墙。根据墙体所处位置和功能的不同，设计时应满足下列要求：一、具有足够的强度和稳定性，墙体的强度与所用材料有关。墙体的稳定性通常可通过增加墙体厚度、增设墙垛、壁柱、圈梁等方法；二、具有必要的保温、隔热等方面的性能；三、应满足防火规范中相应燃烧性能和耐火极限所规定的要求；四、应满足有关隔声标准的要求。此外还应考虑防潮、防水以及经济等方面的要求。
1.4.2 基础
基础是建筑面地以下的承重构件，是建筑的下部结构，其作用是扩散上部结构的荷载，减小应力强度，最终将荷载传给地基。基础和地基具有不可分割的关系，但又是不同的概念，基础是建筑物与土层直接接触的部分，它承受建筑物的全部荷载，并把他们传给地基，基础是建筑物的一个组成部分，而地基是基础下面的土层，承受由基础传来的整个建筑物的荷载。地基不是建筑物的组成部分。
基础要求坚固、稳定，并能抵抗冰冻和地下水的侵蚀。基础的大小取决于荷重的大小、土壤的性质、材料的性能以及承重的方式。本工程采用柱下独立基础。
1.4.3 楼地层
楼地层是建筑物水平方向的承重构件，并对墙身起着水平支撑作用，增强房屋的刚度和整体性。楼板层将楼面荷载传至墙柱及基础，并对墙体起水平支撑作用。
1.4.4 屋顶
屋顶是房屋最上层覆盖的外围护结构，其主要功能是用以抵御自然界的风霜雨雪、太阳辐射、气温变化和其他外界不利的因素，以使屋顶覆盖下的空间有一个良好的使用环境。因此，要求屋顶在构造设计时要注意解决防水、保温、隔热以及隔声、防火等问题。一般分为平屋顶、坡屋顶、曲面屋顶等其它形式的屋顶。本工程采用上人的平屋顶屋面，其排水坡度为2%。屋顶设计满足功能，结构、 建筑艺术三方面要求。本工程采用女儿墙内排水。屋面采用刚性防水屋面，其构建简单，施工方便，造价较低。
2 结构设计说明
2.1 结构设计方案及布置
该建筑为教学楼，采用框架结构，建筑平面布置灵活，有较大空间。 该工程采用全现浇结构体系，混凝土强度等级为C25，结构平面布置见详图。
2.2 构件初估
2.2.1 柱截面尺寸的确定
由于本框架结构荷载较小，β可取1.1，设防烈度7度(0.1g)、小于60 m高的框架结构抗震等级为三级,因此μ取0.9。柱截面高度可取h=(1/5～1/20)H,H为底层层高；柱截面宽度可取b=(1/3～2/3)H。对于有抗震设防要求的框架结构，为保证有足够的延性，需要限制柱的轴压比。为避免发生剪切剖坏，柱净高与截面长边之比宜大于4。本次柱截面尺寸取为：内柱500㎜×500㎜，边柱400㎜×600㎜。
2.2.2 梁尺寸确定
框架梁截面高度取梁跨度的l/15～l/12，宽度为梁高度的1/2～1/3。次梁的截面高度取梁跨的1/18～1/12，宽度为梁高度的1/2～1/3 。本次框架梁截面尺寸取为300㎜×600㎜，次梁取为250㎜×400㎜。
2.2.3 楼板厚度
楼板为现浇双向板和单向板，根据经验板厚取100mm。
2.3 基本假定与计算简图
2.3.1 基本假定
1) 框架的侧移忽略不计，即不考虑框架侧移对内力的影响。
2) 每层梁上的荷载对其他层梁、柱内力的影响忽略不计，仅考虑本层梁柱内力的影响。
2.3.2 计算简图
一般情况下，框架结构是一个空间受力体系，为了方便起见，常常忽略结构纵向和横向之间的空间联系，忽略各构件的抗扭作用，将纵向框架和横向框架分别按平面框架进行分析计算。结构设计时一般取中间有代表性的一榀横向框架进行分析即可；而作用于纵向框架上的荷载则各不相同，必要时应分别进行计算。
框架节点一般总是三向受力的，但当按平面框架进行结构分析时，则节点也相应地简化。在现浇钢筋混凝土结构中，梁和柱内的纵向受力钢筋都将穿过节点或锚入区，这时应简化为刚节点。
在结构计算简图中，杆件用轴线来表示。框架梁的跨度即取柱子轴线之间的距离。框架的层高（框架柱的长度）即为相应的建筑层高，而底层柱的长度则应从基础顶面算起。
在计算框架梁截面惯性距I时应考虑到楼板的影响。在框架梁两端节点附近，梁受负弯矩，顶部的楼板受拉，楼板对梁的截面抗弯刚度影响较小；而在框架梁的跨中，梁受正弯矩，楼板处于受压区形成T形截面梁，楼板对梁的截面抗弯刚度影响较大。在工程设计中，为简便起见，仍假定梁的截面惯性距I沿轴线不变，对现浇楼盖中框架取I=2I0，边框架取I=1.5I0，这里I0为矩形截面梁的截面惯性矩。
2.3.3 荷载计算
1) 在竖向荷载作用下的近似计算
框架结构在竖向荷载作用下的内力计算可采用弯矩二次分配法。
竖向荷载作用下框架的内力分析，除活荷载较大的工业厂房外，对一般的工业与民用建筑可不考虑活载的不利布置法求得的弯矩偏低，但当活荷载占总荷载比例较小时，其影响很小，若活荷载占总荷载比例较大，可在截面配筋时，将跨中弯矩乘1.1-1.2的放大系数予以调整。
固端弯距:梁上的分布荷载含有矩形或三角形荷载，根据固端相等的原则，先将梯形分布荷载及三角形荷载化为等放均布荷载。
2) 地震作用效应计算
在此仅考虑水平地震作用即可，并可采用底部剪力法计算水平地震作用力。
为求基底剪力，先要计算结构各层的总重力荷载代表值，顶层重力荷载代表值包括：屋面恒载，50%屋面活荷载，纵、横梁自重，半层柱自重，半层墙体自重以及女儿墙自重。其它层重力荷载代表值包括：楼面恒载，50%楼面活荷载，纵、横梁自重，楼面梁自重，楼面上、下各半层的柱及纵、横墙自重。在计算重力荷载代表值时，屋面活荷载仅考虑活荷载。
控制框架结构侧移要计算两部分内容：一是计算顶层最大侧移，因周期过大，将影响使用；二是计算层间相对侧移，其值过大，将会使填充墙出现裂缝。引起框架的侧移，主要是水平荷载作用。
3) 在水平荷载作用下采用D值法。
在框架内力组合时 通过框架内力分析，获得了在不同荷载作用下产生的构件内力标准值。进行结构设计时，应根据可能出现的最不利情况确定构件内力设计值。
4) 在截面设计时,主要有正截面和斜截面的设计
受弯构件在设计是都要进行抗弯和抗剪设计,受弯构件在弯距和剪力共同作用的区段往往会产生斜裂缝,并可能延斜截面发生破坏,斜截面破坏带有脆性破坏的性质,所以在设计中要加以控制,在截面设计时,不仅要对截面尺寸加以控制,同时还要对对斜截面进行计算,配置一定数量的箍筋。
2.3.4 侧移计算及控制
当一般装修标准时，框架结构在地震作用下层间位移和层高之比、顶点位移与总高之比分别为1：550，1：700。
2.3.5 内力计算及组合
1) 竖向荷载下的内力计算
竖向荷载下内力计算首先根据楼盖的结构平面布置，将竖向荷载传递给每榀框架。框架结构在竖向荷载下的内力分层法；连梁考虑塑性内力重分布而进行调幅。
2) 水平荷载下的计算
水平力首先在框架分配，然后将分得的份额按各榀框架的剪切刚度进行再分配,最后计算单榀框架。
3) 内力组合
A 1.2×恒＋1.4×活。
B 1.2×重力荷载代表值＋1.3×水平地震作用。
控制截面及不利内力。框架梁柱应进行组合的层一般为顶上二层，底层，混凝土强度、截面尺寸有改变层及体系反弯点所在层。
框架梁控制截面及不利内力为：支座截面，－Mmax，+ Mmax ，Vmax，跨中截面，Mmax、-Mmax。框架柱控制截面为每层上、下截面，每截面组合：Mmax及相应的N、V，Nmax及相应M、V，Nmin及相应M、V。
2.3.6 构件及节点设计
现浇框架节点，框架节点核芯区处于剪压复合受力状态，为了保证节点具有良好的延性和足够的抗剪承载力，应在节点核芯区配置箍筋。节点范围内的箍筋数量应与柱端相同。
2.4 基础设计
基础设计时，除了保证基础本身具有足够的承载力和刚度外，还需要选择合理的基础形式和地面尺寸，使得地基的承载力、沉降量及沉降差满足要求。因此，基础设计包括基础形式的选择、基础埋深的确定、底面尺寸的计算、基础内力的分析和基础配筋设计等方面的内容。本次设计外柱采用独立基础，内柱采用联合基础。
3结论
在设计过程中出现的问题不断出现。由于前期的建筑规划不佳，有在老师和同学的帮助下，参考建筑地图、建筑规范和各种设计材料进行合理设计的趋势。
从事计算机图形学工作，对AutoCAD、天正建筑等建筑设计软件更加熟练。在这个过程中，我对制图规范有了更深入的了解，对水平、垂直和剖面图的内容、对齐、尺寸等问题有了更清晰的认识。中期更重要的是手工计算所选框架的结构，各种专业课程的知识贯穿始终，如综合考虑静载、活载和地震的内强度组合。反抗。一开始计算有很多错误，但一不小心就达不到标准，有时还会出现笔误。对于后期电脑输入，过去各种办公软件的应用受到限制，因此降低了初始输入速度。
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