多层教学楼建筑和结构设计.docx

毕业设计(论文)多层教学楼建筑和结构设计 本科生毕业设计（论文）任务书、毕业设计（论文）题目：多层教学楼建筑和结构设计 、毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：应用本科期间所学内容，完成一幢北京地区的教学楼（6层，600010000平米）的建筑方案设计，建筑和结构施工图设计。提供相关设计构思说明、计算书及工程图纸。要求结构设计部分选取一榀框架（活框架剪墙）手算，其它用电算完。 、毕业设计（论文）工作内容：查询相关资料、规范，利用已学知识，对教学楼的建筑形式、平面布置、结构功能划分进行设计，满足使用、消防等要求。通过手算与电算，对结构尺寸、配筋进行设计，在此基础上绘制工程图纸。最后进行论文撰写，整理设计成果，整合图纸制成图集，整合成册，准备最后的审查与毕业答辩。 、主要参考资料： 中小学教学楼设计规范(GBJ99-01) 中小学校建筑规范（GBJ99-36） 混凝土结构设计规范(GBJ50010-2002) 建筑设计防火规范(GBJ16-2001) 建筑制图标准(GB/T50104-2001) 土建实训指导与实例 土木工程毕业设计指导书 毕业设计典例 本科毕业设计指导与算例 交通科学与工程 学院 专业类 班学生 毕业设计（论文）时间： 年 月 日至 年 月日答辩时间： 年 月 日 成 绩： 指导教师： 兼职教师或答疑教师（并指出所负责部分）： 系（教研室） 主任（签字）： 本人声明我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 作者：签字：时间： 多层教学楼建筑和结构设计 学 生： 指导教师： 摘 要本文的毕业设计主要讲述了的设计。设计的内容包括建筑设计、结构设两部分。毕业设计是土木工程专业的必修课程，我的，设计采用，建筑层数为六层，建筑总高度23.1，建筑面积9745.38。设计包括建筑部分和结构部分。根据任务书定出各层平面图及平面布置。选取了一榀框架，计算内容包括框架梁柱截面尺寸的选取及线刚度的计算；恒载、活载、地震作用下梁端、柱端弯矩、剪力的计算；框架内力组合；框架梁柱配筋计算。电算阶段使用迈达斯进行计算。施工方面，采用装配整体式方法进行施工。关键词：钢筋混凝土，框架结构，荷载，装配整体式结构 The architectural design and structural design of a multi-classroom buildingAuthor : Tutor : AbstractThis paper mainly tells about the design of a teaching building,including architectural design and structural design.Graduation thesis is compulsory for students majoring in civil engineering.My thesis is about the design of a teaching building,which is a reinforced concrete prefabricated structured six-storeyed building with a total height of 23.1meters,a total area of 9745.38 square meters and a ground floor of 1541.73 square meters.According to the requirements of my project,seismic design must be considered,so the intensity for earthquake is 8 degrees ,the grade of antidetonation is 2. My design for this building includes constructional part,structural part.The plans of every floor are based on the assignment book.The main frame is a vertical load-bearing one.After calculating the loads and estimating every sections of the components,I choose a one-bay frame to calculate.The constituents of the calculations are the selection of the size of the sections of beam columns,calculation of the rigidity of thread,calculations of dead loads and live loads,calculations of bending moment and shearing force of the extremities of the roof beams and columns under seismic actions,combination of frame interal forces,calculations of how to prepare steel for frame columns.In the Computing phase,I choose MIDAS to complete the computing tasks. As for the construction aspects,the construction method of prefabricated structures. Key words：Reinforced concrete structure,Frame structure,Loads,Prefabricated structure 目 录1 绪论11.1 框架结构的特点与应用11.1.1 框架结构的定义与分类11.1.2 框架结构的特点与应用范围11.1.3 框架结构的应用范围21.2 装配整体式结构21.2.1 装配整体式结构定义21.2.2 装配整体式框架结构21.2.3 装配式结构的特点及发展21.2.4装配整体式结构的应用32 建筑设计32.1 工程概况32.2 建筑平面设计32.2.1 教室尺寸设计42.2.2 教室内部设计52.2.3 教室高度设计52.2.4 门窗设计62.2.5 平面布置的其他考虑62.3 立面设计72.4 剖面设计72.5 防火及安全疏散设计72.6 防水处理82.7 主要建筑装修做法83 结构设计说明83.1结构体系的选择与确定83.1.1 结构形式83.1.2结构体系83.2 柱网布置93.3立面布置94 结构计算94.1 使用活荷载94.2 结构布置及结构选型94.2.1 主要构件选型及尺寸的初步估算104.2.2 确定框架计算简图114.3荷载标准值计算134.3.1 恒荷载计算134.3.2活荷载计算174.4风荷载计算194.5 地震荷载计算214.5.1 重力荷载代表值计算214.5.2 柱抗侧移刚度D值的计算234.5.3 基本自振周期采用经验公式计算234.5.4 计算底部剪力244.5.5 计算横向地震作用244.6框架侧移计算254.7内力分析254.7.1恒荷载作用下的内力计算254.7.2活荷载作用下的内力计算324.7.3风荷载作用下的内力计算384.7.4地震荷载作用下的内力计算444.7.5 重力荷载代表值作用下的内力计算514.8内力组合554.9梁柱截面设计614.9.1框架梁截面设计614.9.2框架柱截面设计655 结构电算725.1软件简介725.2前处理介绍745.2.1 定义参数745.2.2 建立模型765.3后处理介绍785.3.1 内力图785.3.2 输出计算书796 装配整体式846.1装配整体式介绍846.2 主要材料要求846.3 装配整体式结构分析856.4 构造要求856.5 施工安装一般规定876.6 质量验收886.7 模板图与节点图886.9.1 梁模板图896.9.2 柱模板图896.9.3 节点图90结 论91致 谢92参考文献93附 录94附录A94附录B95附录C961 绪论框架结构在现阶段的土木工程中应用十分广泛，其良好的受力性能和方便的施工程序让它成为建筑设计中首选的结构形式。1.1.1 框架结构的定义与分类1、框架结构又称构架式结构。房屋的框架按跨数分有单跨、多跨；按层数分有单层、多层；按立面构成分有对称、不对称；按所用材料分有钢框架、混凝土框架、胶合木结构框架或钢与钢筋混凝土混合框架等。其中最常用的是混凝土框架（现浇整体式、装配式、装配整体式，也可根据需要施加预应力，主要是对梁或板）、钢框架。装配式、装配整体式混凝土框架和钢框架适合大规模工业化施工，效率较高，工程质量较好。1.1.2 框架结构的特点与应用范围1、框架建筑的主要优点：空间分隔灵活，自重轻，节省材料；具有可以较灵活地配合建筑平面布置的优点，利于安排需要较大空间的建筑结构；框架结构的梁、柱构件易于标准化、定型化，便于采用装配整体式结构，以缩短施工工期；采用现浇混凝土框架时，结构的整体性、刚度较好，设计处理好也能达到较好的抗震效果，而且可以把梁或柱浇注成各种需要的截面形状。2、框架结构体系的缺点为：框架节点应力集中显著；框架结构的侧向刚度小，属柔性结构框架，在强烈地震作用下，结构所产生水平位移较大，易造成严重的非结构性破色数量多，吊装次数多，接头工作量大，工序多，浪费人力，施工受季节、环境影响较大；不适宜建造高层建筑， 框架是由梁柱构成的杆系结构，其承载力和刚度都较低，特别是水平方向的（即使可以考虑现浇楼面与梁共同工作以提高楼面水平刚度，但也是有限的），它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁，其总体水平位移上大下小，但相对于各楼层而言，层间变形上小下大，设计时如何提高框架的抗侧刚度及控制好结构侧移为重要因素，对于钢筋混凝土框架，当高度大、层数相当多时，结构底部各层不单柱的轴力很大，而且梁和柱由水平荷载所产生的弯矩和整体的侧移亦显著增加，从而导致截面尺寸和配筋增大，对建筑平面布置和空间处理，就可能带来困难，影响建筑空间的合理使用，在材料消耗和造价方面，也趋于不合理，故一般适用于建造不超过15层的房屋。1.1.3 框架结构的应用范围 框架结构可设计成静定的三铰框架或超静定的双铰框架与无铰框架。混凝土框架结构广泛用于住宅、学校、办公楼，也有根据需要对混凝土梁或板施加预应力，以适用于较大的跨度；框架钢结构常用于大跨度的公共建筑、多层工业厂房和一些特殊用途的建筑物中，如剧场、商场、体育馆、火车站、展览厅、造船厂、飞机库、停车场、轻工业车间等。1.2.1 装配整体式结构定义 1.2.2 装配整体式框架结构混凝土结构全部或部分采用预制柱或叠合梁、叠合板等构件，通过节点部位的后浇混凝土或叠合方式形成的具有可靠传力机制，并满足承载力和变形要求的框架结构，简称装配整体式框架结构。1.2.3 装配式结构的特点及发展1.2.4装配整体式结构的应用2 建筑设计1.设计题目：多层教学楼的建筑和结构设计 。2.建设地点：北京市。3.项目介绍：主体为六层，层高3.6m，建筑物总高度23.1，总建筑面积9745.38，其中标准层8203.65，首层1541.73。建筑每层均设有厕所、教室、教师休息室等。二至六层每层设置有学生活动平台和外伸阳台。4.结构形式：装配整体式钢筋混凝土多层框架结构。5.楼梯设置：设有三部楼梯，满足消防要求。6. 建筑结构等级：结构的安全等级：二级；建筑抗震设防类别：乙类；框架抗震等级：二级； 考虑到北京地区的抗震设防要求，要尽量将教学楼的抗震（抗侧）与抗扭刚度加强，因此，教学楼整体形式采用回子型，因为是多层建筑，没有用到剪力墙，但这样设计的原理类似于高层建筑中的桶中桶结构。教学楼的两侧都设置楼梯，在发生紧急状况是，可以双向疏散，避免所有重量作用在教学楼一边，引起危险甚至事故。这样不仅可以加强建筑的抗震能力，且能保证采光，消防要求，且中间一层的空地可以为学生提供一块活动空间，也使每个教室的视野更好。2.2.1 教室尺寸设计 表2.1 教学楼人均面积要求房 间 名 称按使用人数计算每人所占面积（m2）小学普通中学中等师范幼儿师范普通教室1.211.121.371.37实 验 室1.802.002.00自然教室1.46史地教室1.932.002.00美术教室1.461.932.842.94书法教室1.461.531.941.94音乐教室1.461.531.941.94舞蹈教室6.00语言教室2.002.30微型电子计算机教室1.461.932.002.30微型电子计算机教室附属用房0.850.860.940.95演示教室1.221.371.37合班教室1.001.001.001.00由于是教学楼，不包括实验室，音乐教室等特殊类型的教师，因此没人最小面积为1.12平米，而教室尺寸的确定取决于教室容纳的人数，课桌椅的尺寸和排列方式，以及采光通风、设备及施工等因素。其中教室的使用面积由三部分组成：家具、设备占用面积；学生使用活动面积；室内行走所需交通面积。所需面积的大小主要取决于教室容纳的人数、活动特点以及课桌椅的尺寸和布置等因素。中小学校课桌椅的尺寸，根据国标学校课桌椅功能尺寸GB397683，桌面宽度：单人用550600mm，双人用10001200mm。桌面深度为380420mm，桌高为520760mm，根据学生的身高进行确定。教室尺寸的大小由课桌大小，学生人数，人均占有空间的大小来决定，具体可参考下表：表2.2 教室尺寸规范表学校类别双人课桌尺寸（mmxmm）A方案进深尺寸（mm）B方案进深尺寸（mm）教室净尺寸（进深x开间）（mm）教室轴线尺寸（mm）使用面积（m）每个学生所占面积 （m）ab净进深ab净进深中 学1100x4001100x4001150x4001200x4001200x400125125550550685068501251251255505505506500670067006850x87506850x87506500x87506700x87506700x87507200x90007200x93006900x90007200x90007200x930060.9963.0658.3460.9763.061.221.261.171.221.26参考上表，选择第一套尺寸，其中有几个重要的数据，课桌尺寸1100x400，教室轴线尺寸7200x9000，这也符合柱距3米这个模数的要求，教室净尺寸6850x8750，使用面积60.99平米，人居1.22平米，满足最小人均1.12平米的要求，尺寸合理。2.2.2 教室内部设计教室内部的课桌、讲桌、黑板等物品的安放及尺寸要求具体如下表： 表2.3 教室内部尺寸表代 号部 位 名 称间隔尺寸小学中学abcdefg课桌椅前后排距纵向走道宽度课桌端部与墙面的距离第一排课桌前沿与黑板距离最后一排课桌后沿与黑板距离教室后部横向走道宽度前排边座学生与黑板远端形成的水平视角85055012020008000600309005501202000850060030除此之外，对于学生视距，视线角度都有具体的要求，这在对教室，教学楼平面具体设计时，都会考虑，来满足相关规范的要求。2.2.3 教室高度设计表2.4 教室主要房屋净高要求房 间 名 称净 高（m）小学教室3.10中学、中师、幼师教室3.40实验室3.40舞蹈教室4.50教学辅助用房3.10办公及服务用房2.80因此中学教室净高采用3.4米。2.2.4 门窗设计1、门主要是作为交通并兼通风之用。门的设计应考虑出入便捷、疏散迅速、开启灵活。另外学校教室为保证防火疏散要求，门一般应向外开启，但在走廊式组合形式中，为方便走廊内人流活动，也可以采用内开门。门的数量和宽度应考虑学校的使用特点，通常一间普通教室设置两个门，且应放在教室内纵墙的前后两端，并距墙角为240mm。门的宽度一般取9001000mm，为考虑室内通风和增加黑板面的垂直照度，门的上部应设置亮子，因此，门的总高度一般为：24002700mm。2、教室窗的设计，要有利于采光通风；并便于开启。窗内开时，不应影响室内学生听课；窗外开时，应保证擦洗安全。因此可适当选用推拉式窗。窗的大小主要取决于室内的采光要求，对于学校教室通常采用窗地面积比的方法，估算窗的面积大小。窗地面积比是指窗的透光面积与房间地板面积之比。根据规范规定，教室、办公室的窗地面积比一般取1416，通常教室的窗宽为15002400mm；高为21002700mm。 2.2.5 平面布置的其他考虑平面布置中，除了上面讲到的将整体的教室布置成回字形来增加刚度，还有以下考虑：由于教室的布置是对称分布，因此在两侧的教室末端都配有厕所，因为同一条走廊两侧共有7个教室，学生人数较多。教师休息室的设置是为了为老师提供课前备课和课后休息的场所，同样是两侧各一个，减少走动的距离。在两侧的楼梯布置中，没到一个楼层，都会设置一个面积较大的平台，一方面是考虑在上课、放学时短时间学生人流量大，或者在紧急疏散时的人流通过能力，在这里做一个缓冲和疏导。再一是因为一层有中心的小广场，可以供学生放松娱乐，二层以上则设置这样一个平台来提供这一功能需求，也可以作为学生平时读书的场所。厕所在平台的两侧不会影响正常的教学工作。由于是回字型设计，一面教室向南，光线较好，向北教室光线没有向南好，但是由于中间是上下空透的，一天的不同时段，光线可以较好的照顾到每个教室。具体平面图（首层、标准层、屋顶平面图）见附录A。立面设计应遵循下面三个原则：完整均衡、比例适当；层次分明、交接明确；体形简洁、环境协调。1、正立面：本方案主出入口在建筑东侧，大门为平开门。底层底部墙面贴大理石饰面砖，其余层贴橘黄色饰面砖，层间线通过饰面砖间留2厘米的缝隙来体现。2、左立面和右立面：左立面和右立面各有一出口，均设置台阶。具体里面图（正立面、左侧立面、右侧里面图）见附录A。本建筑为教学楼，共6层，层高3.6m。女儿墙高0.9m。室内外高差0.60m。具体剖面图（1-1剖面、2-2剖面、3-3剖面图）见附录A。建筑物的总长为47.4m。 为了满足疏散要求，走廊宽度设为2.4m。根据建筑设计防火规范GBJ 162006规定房间至最近的外部出口或楼梯间的最大距离应满足表2.5的规定。表2.5耐火相关规定名 称房间至外部出口或封闭楼梯间的最大距离（m）位于两个外部出口或楼梯间之间的房间位于袋形走道两侧或尽端的房间耐 火 等 级耐 火 等 级一、二级三 级四 级一、二级三 级四 级学校3530-2220-因此设三部疏散楼梯，满足以上要求。根据规范要求，休息平台的宽度不小于梯段宽度，故取楼梯休息平台的宽度为2.4m学校，商店，办公楼等民用建筑的疏散宽度见表2.6。表2.6学校、商店、办公楼的疏散宽度耐火等级一二级一、二层0.65米每百人三层0.75米每百人四1.00米每百人本设计满足要求。对于有水侵蚀的房间，如厕所、盥洗室，由于小便槽、盥洗台等各种设备、水管较多，用水频繁，室内积水的机会也多，容易发生渗水漏水现象，因此，设计时对于这些房间的楼板层，墙身采取有效的防水、防潮措施，为便于排水，卫生间的地面应有2%的坡度，并设置地漏，引导水流流入地漏。为防止室内积水外溢，卫生间的地面标高应比其他房间或走廊低20mm，楼板与墙身向上深入踢脚线150mm，卫生间地面材料为防滑地面砖，墙面镶贴白色防腐面砖。1、墙身做法：外墙为240mm厚加气混凝土砌块，M5混合砂浆砌筑，内外墙粉刷均为20mm厚1:3混合砂浆。2、楼面做法：楼面为30mm厚细石混凝土找平。3、顶棚做法：顶棚为12mm厚混合砂浆抹灰。4、屋面做法（自上而下）：40mm厚C30UEA补偿收缩混凝土刚性防水层；10mm厚黄砂隔离层；200mm厚1:8水泥珍珠岩找2%坡；30mm厚细石混凝土找平层。3 结构设计说明3.1.1 结构形式目前，在我国土建工程中应用最广泛、技术最成熟的是钢筋混凝土结构，相比钢结构形式，它具有取材方便、进价低、耐久性好、维护费用低等优点。因此，本设计采用钢筋混凝土结构形式。3.1.2结构体系竖向结构体系：常用的钢筋混凝土抗侧力结构体系、框架结构体系、剪力墙结构体系、框架剪力墙结构体系、筒体结构体系等。与其他的结构体系相比较，框架结构具有建筑平面布置灵活、造型活泼、计算理论比较成熟,在一定高度范围内造价较低等优点,可以形成较大的空间，易于满足多功能的使用要求。在结构受力性能方面，通过合理设计，框架结构可以成为耗能能力强、变形能力大的延性框架，利于抗震。本设计要求建筑平面布置灵活，有较大的空间。鉴于框架结构的优点，本设计采用框架结构体系。而装配整体式框架结构具有施工简单，质量有保证，干净整洁等特点，因此采用装配整体式框架结构。柱网选择与布置直接影响建筑的使用和结构的经济性，不同的功能和功能布置方式采用不同的柱网布置方式。详细柱网布置见附录建筑平面图。本设计共6层，层高为3.6m，屋面设0.9m高女儿墙。屋面及立面门窗做法如下： （1）屋面：坡度为2%，女儿墙为雨水管排水。 （2）门窗的形式及做法：所有窗采用铝塑窗；门采用木门。4 结构计算 1、基本风压（n=50,地面粗糙度按C类）。 2、基本雪压。 3、屋面、楼面及走廊楼面活动荷载均为；楼梯活荷载为。4、抗震设防烈度为8度。根据建筑施工图及使用功能的要求，采用装配整体式钢筋混凝土框架结构，其承重方式为纵向框架承重。梁、柱、板混凝土强度等级采用C30，标准层结构布置简图如下： 图 4.1 标准层结构平面布置简图4.2.1 主要构件选型及尺寸的初步估算 （1）框架柱界面尺寸依据建筑抗震设计规范（GB50011-2010）的规定，框架柱的界面尺寸应满足最小尺寸要求、最小刚度要求及轴压比要求。初选柱界面为800mm800mm，然后进行验算。底层柱最小刚度验算 满足最小刚度要求。轴压比验算 按使用荷载，初步估计每楼层设计荷载为，中柱轴压比满足轴压比要求，边框架柱轴向力小于中柱，不必重复计算，故框架柱截面初选尺寸符合要求。（2）框架梁截面尺寸横向框架梁 边跨梁（、跨）：梁截面高：，取梁截面宽：故边跨框架梁尺寸可取为同理中跨梁（BC）可取为 其他梁 纵向框架梁： 次梁： （3）现浇板厚度 主要板跨度为4.5m，属于双向板，则。为简化设计，其它楼面板、屋面板厚度均为100mm。4.2.2 确定框架计算简图（1）框架梁的跨度计算简图：计算简图中，框架梁的跨度按两柱中心线间距离确定。、跨计算跨度 跨计算长度（）框架柱的计算长度柱的计算长度，底层由基础顶面算至一层梁面，其他层取层高。基础埋深为.，以此计算底层框架柱的计算长度： 选定第根轴线的一榀框架进行计算：框架荷载传递图如下：图4.2 框架荷载传递图框架计算简图如下：图4.3 框架计算简图（）计算几何参数计算梁截面惯性矩时，因楼板与梁现浇在一起，刚度增加，所以应对梁的惯性矩予以修正（中梁为，边梁为.。其中为不考虑梁翼缘作用的梁截面惯性矩）各杆件截面的惯性矩（）梁（）柱各杆件的线刚度（）梁（）柱为了计算简便，在计算其他参数时一般采用相对线刚度。令AB、CD跨梁的线刚度为，其他梁、柱的相对于BC梁的的线刚度相对值可算出。梁、柱的相对线刚度计算出来后，将其标在框架计算简图的相应位置。4.3.1 恒荷载计算（1）作用在框架梁上的分布荷载 屋面结构层 防水层及保温层 100mm厚现浇钢筋混凝土楼板 12mm厚混合砂浆抹灰顶棚 楼面结构层 30mm厚细石混凝土面层 100mm厚现浇钢筋混凝土楼板 12mm厚混合砂浆抹灰顶棚 框架梁自重（含粉刷） （a）边跨（AB、CD跨）框架梁自重 （b）中跨（BC跨）框架梁自重 墙体自重（含粉刷层） 240mm厚墙体 因此，作用在顶层框架梁上的分布荷载为（走廊楼板按单向板计算）：（a）AB、CD跨 均布荷载 ： 梯形荷载（峰值）：（b）BC跨 均布荷载： 作用于26层楼面框架梁上的分布荷载为（走廊楼板按单向板计算） （a）AB、CD跨： 均布荷载 梯形荷载（峰值） （b）BC跨 均布荷载：（3）作用于框架柱上的集中荷载 每层的柱分为上、下两个控制截面，其中上截面集中荷载等于与柱相连接的纵向框架梁自重以及其上墙体、次梁传来的恒荷载、楼面结构层传来的恒荷载之和。下截面集中荷载等于上截面传来的荷载与该层柱自重之和。A轴线列柱：顶层（a）0.9m高女儿墙自重 （b）边框架梁自重 （c）次梁传来的恒荷载 次梁自重 横向框架梁自重 （d）通过边跨梁传来的结构层恒荷载 上截面恒荷载下截面恒荷载 第5层 （a）外墙自重（240mm厚，未扣除窗洞） （b）边框架梁自重 （c）次梁传来的恒荷载 次梁上结构层 次梁自重 横向框架梁自重 （d）通过纵框架梁传来的结构层恒荷载 下截面恒荷载第4层 第3层 第2层 第1层 B轴线列柱顶层（a）纵向框架梁自重 （b）次梁传来的恒荷载 次梁自重 横向框架梁自重 （c）通过纵向框架梁传来的荷载 上截面恒荷载下截面恒荷载=上截面恒荷载+柱自重第5层（a）内墙自重（240mm厚，未扣除窗洞） （b）框架梁自重 （c）次梁传来的恒荷载 次梁上结构层 次梁自重 横向框架梁自重 （d）通过纵框架梁传来的结构层恒荷载 下截面恒荷载第4层 第3层 第2层 第1层 恒荷载作用下的框架计算简图如图4.4： 4.3.2活荷载计算 活荷载取值：查建筑结构荷载规范（GB50009-2001），教室、走廊、厕所，不上人屋面采用。因为活荷载取值均小于，故可采用活荷载满布计算。其内力分析表明，采用满布时与最不利布置法相比，其支座弯矩可满足要求，跨中弯矩较小，为减小误差，内力求出后将跨中弯矩乘以扩大系数1.2，就可以满足工程精度的要求。因此框架梁上活荷载的计算过程与恒荷载的计算过程相同。（1