建筑物的基本功能有承载功能和围护功能。承载功能指建筑物要承受作用在它上面的各种荷载,包括自重、人和设备等使用荷载、雪荷载、风荷载、地震作用等。围护功能指建筑物要具有良好的保温、隔热、防水、防火、隔声等功能,为建筑物内的人们提供舒适、方便、安全的空间环境。
提供承载功能的建筑承载系统是由基础、结构墙体、柱、楼板结构层、屋顶结构层、楼梯结构构件等组成的一个空间整体结构。提供围护功能的建筑围护系统是通过各种非结构的构造做法、建筑物的内外装修以及门窗的设置等,形成一个有机的整体。
1.建筑承载系统
建筑承载系统可分为结构竖向分系统、结构水平分系统。结构竖向分系统包括结构墙体、柱、基础等,其结构构件以受压为主,结构承载方式分为墙承载结构、柱承载结构;结构水平分系统包括楼板结构层、屋顶结构层、地坪结构层、楼梯结构构件等,其结构构件以受弯为主。结构承载方式中,楼板分为板式结构、梁板式结构、无梁式结构;坡屋顶分为檩式坡屋顶结构、椽式坡屋顶结构、板式坡屋顶结构。
建筑承载系统的结构平面布置方案有三种:横墙承重或横向框架方案、纵墙承重或纵向框架方案、纵横墙承重或纵横向框架方案。
对建筑承载系统的基本要求:足够的承载力、良好的抗变形能力、足够的抗震能力。结构的承载力是由结构构件材料的强度及构件的形状和尺寸所决定的。结构的抗变形能力,在结构水平分系统上体现为足够的刚度,主要取决于受弯构件的高(厚)跨比;在结构竖向分系统上体现为可靠的稳定性,主要取决于受压构件的长细比(或高厚比)。结构的抗震能力,主要通过保证结构的整体性并使结构、构件及节点连接部分均具有较好的延性等来实现。
(1)墙承载结构
墙承载结构是指结构竖向分系统中只包含结构墙体而不设置柱的结构类型,常见的有砌体结构、剪力墙结构、筒体结构等。墙承载结构具有明显的结构上的优势,在住宅楼、办公楼等不需要很大建筑空间的建筑类型中得到了较为广泛的应用。
墙承载结构的基本构造要求:结构平面布置时,应使结构墙体在横向和纵向均尽量连续并对齐,结构平面应尽可能布置得均匀对称;结构剖面布置时,应使结构墙体在各楼层之间上下连续并对齐,门窗洞口位置宜上下对齐,洞口尺寸不宜过大。墙承载结构的横向水平地震作用主要由横墙承担,因此须限制墙承载结构房屋抗震横墙的间距。钢筋混凝土剪力墙结构房屋对抗震横墙间距的限制要求是通过限制抗震横墙之间无大洞口的楼、屋盖的长宽比来实现的。建筑物的抗震能力,除依赖于横墙间距、结构材料的强度、结构的整体刚度、结构的整体性和施工质量等因素外,还与房屋的总高度有直接的关系。
(2)柱承载结构
柱承载结构是指结构竖向分系统中只包含柱而不设置结构墙体的结构类型,常见的有框架结构、排架结构、刚架结构等。柱承载结构的特点是比墙承载结构更容易形成连续通敞的建筑空间,而空间整体刚度变小。从表4.4中可见,采用柱承载的框架结构可以建造的房屋最大高度,只达到采用墙承载的剪力墙结构的45%。当需要建造既有连续通敞的建筑空间,又要很大的建筑高度的建筑物时,可以采用柱、墙组合承载的结构型式,如框架-剪力墙结构、框架-筒体结构等。
柱承载结构的基本构造要求:结构平面布置时,柱网平面应尽量做到规则、均匀、对称,柱在平面同一方向应尽量对齐,横向与纵向剪力墙宜相连以形成较稳定的平面形状。结构剖面布置时,应使柱及剪力墙分别在各楼层之间上下连续贯通并对齐,柱底部以及剪力墙底部必须伸入地下以形成牢固的基础,框架或剪力墙均宜双向布置,梁与柱或柱与剪力墙的中线宜重合,框架的梁与柱中线之间偏心距不宜大于柱宽的1/4。
表4.4 现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度 (单位:m)
注:房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度(不包括局部突出屋顶部分)。
(3)楼板
板式结构在墙承载结构中得到广泛应用,适用于跨度较小的房间顶板、楼梯段和悬挑阳台及雨篷板等。根据结构板的平面形状及其周边支承情况,可将其分为单向板和双向板。
图4.2 主、次梁梁板式的楼、屋盖结构示意图
当需要较大的建筑空间时,为使水平分系统结构承受和传递荷载更为经济合理,常在板下设梁以增加板的支承点,从而减小板的跨度和厚度,这样就形成了梁板式结构。梁板式结构中,荷载由板传给梁(次梁把荷载传给主梁),再由梁传给墙或柱。梁可单向布置,也可双向或多向交叉布置,从而形成梁格。如图4.2所示。
无梁式结构也称为板柱结构,板直接支承在柱上,不设主梁、次梁或井字梁,其顶棚平整、室内净高增大,多用于商场、车库、展览厅、工业厂房等建筑中。
钢筋混凝土叠合楼板,是将整个钢筋混凝土楼板结构层厚度的下半部分进行预制,然后在其上面再现场配置部分钢筋并浇筑混凝土,两个部分结合起来共同形成完整的楼板结构层。叠合楼板的预制部分既是整个楼板结构层的组成部分,又是上部现浇部分的永久性模板。预制板部分的厚度通常为50~70 mm,现浇叠合层的厚度通常为50~100 mm。叠合楼板的另一种形式是以压型钢板替代预制部分的钢筋混凝土楼板。
(4)屋顶
檩式坡屋顶结构(图4.3)是以檩条作为屋顶主要支承构件的一种结构类型。檩条是沿房屋纵向平行于屋脊设置的一组支承屋顶荷载的梁,其上面再铺设望板(也称屋面板),有时相邻两根檩条的间距比较大,可以在檩条上先沿流水方向(即垂直于檩条方向)设置一排椽子,椽子上面再铺设望板。
图4.3 檩式坡屋顶结构示意图
图4.4 山墙承檩示意图
檩式坡屋顶的支承结构类型分为山墙承檩(也称硬山搁檩)、屋架承檩、梁架承檩。山墙承檩(图4.4)是将檩条直接搁置在横墙上,构造简单,整体刚度较大,比较适合建造宿舍、办公室等小开间建筑类型。屋架承檩(图4.5)是采用屋架代替山墙以承托檩条,屋架通常搁置在房屋纵向外墙或柱墩上,屋架承檩做法在建筑空间的划分上较灵活,但房屋结构的整体刚度比较小。梁架承檩(图4.6)是我国传统坡屋顶支承结构的主要形式之一,以柱和梁组合形成梁架,在各榀梁架的柱顶之间搁置檩条。梁架承檩的房屋结构是柱承载结构体系,墙体只起围护和分隔空间的作用,故有“墙倒屋不塌”之说。
图4.5 屋架承檩示意图
图4.6 梁架承檩示意图
(5)建筑承载系统的结构平面布置方案
横墙承重方案是将楼板(或屋面板)两端搁置在沿房屋平面横向的结构墙体上,此时横墙承受竖向荷载,而纵墙不承受自身重力荷载以外的竖向荷载。横向框架方案是将楼板(或屋面板)两端搁置在横向框架梁上,此时,横梁承受竖向荷载,而纵梁不承受自身重力荷载以外的竖向荷载。由于楼板的经济跨度不能太大,因此,横墙承重方案或横向框架方案中的横墙或横梁间距较小、数量较多,房屋的整体刚度较大,但建筑空间划分不够灵活,只适用于小开间的建筑类型,如住宅、宿舍、旅馆、办公楼等。如图4.7所示。
图4.7 横墙承重和横向框架
纵墙承重方案是将楼板(或屋面板)两端搁置在纵墙上,因此横墙较少,建筑空间划分较灵活,但房屋的整体刚度较小。如图4.8所示。
图4.8 纵墙承重和纵向框架
纵横墙承重方案是前两类方案的混合。当建筑空间的变化和要求较多时,可根据具体需要布置结构方案。如图4.9所示。
图4.9 纵横墙承重和纵横向框架
(6)钢筋混凝土结构的连接
钢筋混凝土结构各构件之间连接的基本要求:保证荷载在各连接构件之间的有效传递,保证结构的整体性和结构构件及其连接部位的延性。
现浇整体式钢筋混凝土结构各构件之间连接的基本措施:在受拉区配置足够的钢筋,在构件连接节点部位使受拉钢筋保持足够的搭接长度或锚固长度。
预制装配式钢筋混凝土结构各构件之间连接的基本要求:
①水平分系统构件的支承搁置长度要求。
②坐浆要求:在铺放预制钢筋混凝土构件之前,应在其支承结构构件的表面铺以15~20 mm厚的强度等级不低于支座强度的砂浆找平层,以起到黏结、找平、均匀传力的作用,这种做法俗称坐浆。(www.xing528.com)
③各连接构件之间必须形成可靠的连接。预制钢筋混凝土构件之间的连接,一般分为干连接(螺栓、电焊)、湿连接(构件留出钢筋锚入现浇混凝土、浆锚、套筒)。
④灌缝要求。在预制构件安装后应及时灌缝,以增强结构构件的整体性和房屋抗震能力。
2.建筑围护系统
在建筑围护系统的设计中,“结合部”的设计是关键。所谓结合部,是指不同的部位之间(如墙体与墙体中的门窗之间)、不同方向的表面之间(如墙面与屋面之间、墙面与楼面之间、墙面与地面之间)、不同材料的相连接处等,这些结合部称为“节点”。例如,墙体防水设计,整块墙面的防水构造措施较简单,而墙体与门窗框之间、墙体与屋顶相交处的檐口部位等处,防水做法要复杂得多,出现问题的可能性也大得多。
(1)建筑防水、防潮
建筑防水部位:地下室、外墙、外墙门窗、屋面、楼地面。
建筑防水基本原理:材料防水和构造防水。
外墙防水做法如下:
①抹灰类装修做法。外墙面抹灰采用水泥砂浆、聚合物水泥砂浆等。装修做法包括:拉毛、水刷石、干黏石、斩假石、喷涂、滚涂等。
②涂料类装修做法。涂料包括:无机涂料、有机涂料、复合涂料。
③贴面类装修和铺钉类装修做法。贴面类做法采用外墙面砖、马赛克、天然石材等饰面材料;铺钉类做法采用金属饰面板、纤维水泥板、玻璃等饰面材料。
④清水砖墙做法。只需进行勾缝。
⑤预制外墙板连接节点处的防水做法包括:材料防水、构造防水。
⑥外墙脚处的防水。勒脚及散水。
预制外墙板节点防水如图4.10和图4.11所示。
建筑防潮构造:在建筑物下部与地基土壤接触的所有部位建立一个连续封闭的整体防潮屏障,阻止土层中的毛细水进入建筑物。建筑防潮部位:地坪、墙身、地下室。
(2)建筑保温
建筑保温部位:外墙(包括墙体上设置的门窗)、屋顶。
建筑保温构造方案:
①单一材料的保温构造。选用导热系数很小的材料做保温层。
②保温材料与承载材料相结合的保温构造(也称自保温构件)。如空心板、空心砌块、轻质混凝土等。
图4.10 预制外墙板节点敞开式构造防水做法
图4.11 预制外墙板节点封闭式构造防水做法
③封闭空气间层保温构造。空气层厚度一般以40~50 mm为宜,间层内表面可涂贴铝箔等强反射材料。
④混合做法的保温构造。
保温层与承载结构层的位置关系:外保温、内保温、夹芯保温。
①预制外墙板连接处的保温构造
大板建筑预制外墙板连接处的保温构造做法如图4.12和图4.13所示。
②墙体传热异常部位的保温构造
一般地,柱承载结构建筑中的钢筋混凝土柱、梁,以及墙承载结构建筑中的钢筋混凝土梁、梁垫、过梁、圈梁等构件,易形成“冷桥”。如图4.14和图4.15所示。
图4.12 内外墙板丁字节点保温构造做法
图4.13 外墙板阳角节点保温构造做法
图4.14 外墙体上的“冷桥”部位示意图
图4.15 “冷桥”局部保温处理的构造做法
③门窗的保温
在围护系统中,门窗的热损失相较于墙体部位的更大。在可开启玻璃窗的总热损失中,通过玻璃损失的热量约占35%,通过窗框损失的热量约占5%,因窗扇缝隙漏风损失的热量约占60%。改善玻璃窗保温性能的措施包括:增加窗扇的层数,采用中空玻璃,采用断热型窗框,增强窗户的密封性等。
④屋顶保温构造
根据屋顶保温层与防水层的相对位置及相互关系,屋顶保温构造分为:保温层直接设置于防水层下面的做法(也称热屋顶保温体系)、保温层与在其上的防水层之间设置非封闭的空气间层的做法(也称冷屋顶保温体系)、保温层设置在屋顶结构层下面的做法(也称下保温屋面)、保温层夹设在屋顶结构板中间的做法(也称夹芯保温屋面板)、保温层设置于防水层上面的做法(也称倒铺式保温屋面)。
⑤围护系统的蒸汽渗透
水蒸气接触到围护系统表面,如果表面温度低于露点温度就会形成冷凝水,保温材料受潮后保温性能及强度、耐久性均会降低,因此进行建筑围护系统保温构造设计时应考虑控制冷凝水的形成。
控制表面冷凝水的措施:对于正常湿度的房间,只要围护系统的热阻达到设计要求,房间内表面就不会出现温度过低的现象,就能避免出现冷凝水;对于高湿度的房间(高于75%相对湿度),可在房间围护系统的内表面设防水层(如浴室里贴瓷砖)、设置吊顶(将滴水引走)。
控制内部冷凝水的措施:设置隔汽层,阻止水蒸气进入围护系统的保温层内(房屋保温一般将隔汽层布置在保温层内侧);设置透气层,使进入的水蒸气排出(屋顶结构层与隔汽层之间设置透气层,如冷屋顶保温体系)。
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