文/东南大学建筑设计研究院有限公司 韩重庆

苏州第二图书馆为苏州图书馆的新馆，位于苏州市相城区核心地段，建筑造型意向来源于旋转叠放的纸张或书籍，呈现为逐层向上旋转倾斜，形成上大下小的建筑形体。针对建筑内部柱网规则，外立面外倾，倾角由11°~34°逐渐变化的特点，采用了内部钢筋混凝土框架-剪力墙结构、外围斜柱钢框架的混合结构体系，通过倾角逐渐变化的一系列斜柱，经济合理的实现了建筑师“结构即外观”的设计理念。

苏州第二图书馆总占地面积约2.34万m²，总建筑面积约4.53万m2。项目已建成投入使用，建筑效果图和建成后的实景图如图1所示。

（a）建筑效果图

（b）东入口实景图

（c）东立面实景图

（c）北立面实景图

（d）东南角实景图

图1 建筑效果图和建成实景图

项目建筑高度34.3m，地上6层，层高均为5.7m，满铺1层地下室，层高6.0m。首层平面尺寸90m×98.2m，柱网尺寸为8.4m×8.4m，外围框架柱外倾，平面尺寸由下向上逐层放大。东、南立面柱双向倾斜，呈扇形排列，角柱与垂线夹角达34°，角部最大悬挑26.5m，外悬部位形成了视野极佳的阅览空间。平面布局为内院式，北侧为书库，南侧为图书馆，南、北两侧楼面在3，4层完全断开，在5，6层楼面围合呈口字形，通过两侧连廊连通，连廊最大跨度31.9m。北侧1～3层是智能书库，采用了国内首个自动化高架仓库图书存储系统，净高15m，设备运行时对结构变形要求极为严格。

本项目结构设计使用年限为50年，安全等级为二级，抗震设防类别为标准设防类(丙类)。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，地震分组为第一组，III类场地，特征周期为0.45s。50年一遇的基本风压为0.45kN/m²，基本雪压为0.35kN/m²。

图2 3层楼面和屋面结构平面布置图

建筑外围有多处大悬挑和大跨连廊，尺度很大，适宜采用钢结构。但建筑内部柱网规则，采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构能够显著提高结构抗倾覆、抗扭转的能力，而且建造和维护成本低，防火性能好。为兼具两种结构体系的优点，最终采用了内部钢筋混凝土框架-剪力墙结构，外围斜柱钢框架结构，组合形成了内外协同、刚柔相济、优势互补的混合结构体系，很好地实现了建筑造型与结构受力的统一，结构布置如图2所示，现场效果如图3所示。

图3 混合结构现场实景

智能书库位于北侧的1～3层，建筑师要求外立面必须是水平贯通的双曲面形的现浇清水混凝土墙体，而且不能接受墙体上有竖向接缝。为避免通长的清水混凝土外墙对结构的整体抗震性能产生不利影响，为这部分墙体设计成吊挂式，墙底与楼面脱开，地震和风作用通过专门设计的龙骨传递给主体结构，节点做法和建成效果见图4。

图4 吊挂式清水混凝土外墙构造及实景图

上部结构选型最关键的问题是外倾立面上的斜柱如何布置。为实现建筑师“结构即外观”的设计意图，斜柱的布置不仅要受力合理，还要兼顾幕墙网格划分的美观。若采用如图5所示的正交方案，会在角部形成大块的三角形区域，不但幕墙效果不佳，结构受力也不理想。

若采用斜柱沿水平方向均分的方案，幕墙的效果非常好，但楼面梁正交布置难以解决斜柱的倾覆问题。受幕墙安装时常用的独角拔杆启发，在楼面内设置斜向拉杆单独解决斜柱的倾覆问题，这样楼面梁就只需要承担竖向荷载，可以沿正交方向整齐布置。

图5 斜柱正交方案轴侧图

图6 立面斜柱序列施工阶段照片

因为结构设计时对于结构秩序的美学效果没有太多关注，因此现场技术人员反映他们都很喜欢斜柱表达出的秩序感时，我感觉是意外的收获，但也有些遗憾，既然大家对结构秩序有这种天然的喜爱，那自己在设计阶段也应该投入更多的精力，做的更好一些。

混合结构体系的整体稳定和抗震性能良好，但项目要安全落地，还需要妥善解决斜柱的局部倾覆问题，。建筑东南角外倾最大，斜柱与垂线夹角达34°，平面上最大悬挑达26.5m，倾覆问题突出，如图7所示。整体抗倾覆起主要作用的剪力墙在建筑内部，距斜柱最远端有38m。

（a）角柱施工阶段照片

图7 角部斜柱施工阶段照片及抗倾覆示意图

斜柱地上部分的抗倾覆力由楼板中的水平拉力提供，为保证该拉力在楼面系统中的可靠传递，外围楼承板范围设置沿柱子倾斜方向的钢拉杆，内部混凝土框架范围内设置预应力斜梁，如图7(b)所示。

斜柱地面处的抗倾覆力由地下室顶板处的水平推力提供，由于斜柱倾角和受荷面积相差很大，柱脚处的水平推力相差极为悬殊。设计时将柱脚分为两类，大推力斜柱优先保证传力可靠，采用埋入式柱脚，小推力斜柱重点考虑制作的经济、简便，采用了混凝土顶面设置过渡板的简便做法，两种柱角的节点大样和现场效果如图8所示。

图8 不同倾角斜柱柱脚实景

采用MIDAS软件对整体结构进行了屈曲分析，求出穿层斜柱的屈曲模态，如图9所示。根据计算得到的临界荷载，通过欧拉公式反推出构件的等效计算长度系数为1.09，虽然小于规范值，但明显大于两侧的边柱，可见楼面梁对角柱的约束较弱，设计时应从严控制角柱的应力比。

图9 角柱的屈曲模态

本项目智能书库位于地下室顶板上，净高15m，采用了国内首个自动化高架仓库图书存储系统，不但荷载重，而且要求堆垛机满载运行时楼面的倾斜角不能超过1/1 000。设计时地下室顶板采用了预应力混凝土井字梁方案，结构平面布置如图10所示。根据计算，楼面变形和沉降引起的总倾斜为1/1 120，满足工艺要求。智能书库建成后实景如图11所示，目前书库已正常运行多年，效果良好。

图10 地下室顶板结构平面布置图

图11 智能书库建成后实景

苏州市第二图书馆上大下小的体型和复杂的内部功能，对结构设计提出了很高的要求，通过对整体结构进行性能化设计和对外围斜柱钢框架结构进行系统分析，得出以下结论：

(1)对于外围造型复杂、内部相对规则的建筑，采用内部钢筋混凝土框架-剪力墙、外围钢框架的混合结构体系经济合理。

(2)作为自动化高架仓库图书储存系统的地面，地下室顶板采用预应力井字梁体系，在不显著增加造价的情况下，地面的局部倾斜能够满足不超过1/1 000的工艺要求。

(3) 斜柱钢框架会在楼面中产生很大的拉力，在地面柱脚处也会产生很大的推力，通过在楼面中设置钢拉杆、预应力框架梁，在柱脚设置柱帽等措施，可有效抵抗斜柱引起的倾覆力。

(4) 钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系抗侧刚度远高于斜柱钢框架，斜柱计算长度可按无侧移框架取值，但角部斜柱在楼面处仅与两道夹角小于90°的框架梁相连，屈曲因子明显小于边柱或中柱，设计时应对角部斜柱的稳定性进行专项分析。

本文刊登于《转自：建筑结构-公众号》2021年第11期，题为《苏州第二图书馆结构设计》，作者：韩重庆¹，陶健雄²，傅强¹，孙逊¹，张鹏¹；单位：1东南大学建筑设计研究院有限公司，2东南大学土木工程学院。敬请查阅。

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