普通地下室樓板結構優化設計

深圳中航城投資有限公司 深圳 518031

摘要：地庫樓板設計是地下室乃至整體建筑結構優化設計中的重要部分。為對比分析常用建筑地下室頂（樓）板結構布置常見方案的最優性。采用實際工程中的典型柱跨（5x5跨柱網）作為分析樣本，配以繪制配筋示意簡圖以及Excel表格計算工程量方法，對比得出各常見地下室樓板結構布置方案在不同工作條件下的經濟性次序，為選擇適合工程實際情況的優化方案提供參考。

關鍵詞：地下室樓板設計；結構優化設計；工程量計算

引言

對于工程設計，有必要貫徹執行安全、適用、經濟的原則。經濟性的控制（主要為用鋼量）是業主開發商的要求以及設計人員的自主選擇。

高層住宅總體經濟性控制主要涉及三個層面：決策、操作、技術。即分別為前期概念設計、實施方案的操作、施工圖設計。由于整體控制設計中的各個階段均對地下室設計均有關注。故此文僅以地下室設計中較為重要且普遍的環節——頂板結構設計進行分類討論（另外幾個重要的環節即基礎形式、底板、外墻等，但其均因我們國家復原遼闊致使各地工程地質條件、氣候條件、經濟水平等差異巨大等原因復雜難以一同分析討論）。

1.關于樓屋蓋體系

高層建筑的樓屋蓋體系種類極其多樣，他們包括鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土的各類梁板體系、無量樓蓋體系、鋼結構的鋼梁、混凝土組合樓板體系。結合地下室樓板的使用功能，決定了其形式常見為鋼筋混凝土梁板體系（包括單項次梁和雙向板）和鋼筋混凝土無梁樓蓋體系。其余的預應力梁板體系、預應力無梁樓蓋體系、鋼筋混凝土組合結構等因主要適用為辦公、商業或使用廣泛度不足的原因極少作為地下室樓板的選用形式。

2.地下室樓板

地下室樓板設計中常見的形式有①.帶邊框梁的無次梁大板結構，②.單向板（單、雙）次梁結構，③.雙向板（十字梁、井字梁）結構，④.無次梁大板（帶主框梁）。

3.影響因素

整體設計控制中，高層住宅的上部結構設計（主要指用鋼量的控制）的影響因素有結構布置、體型的判斷、建筑高度、所在地區、建筑方案、計量規則等。而下部即地下室結構設計主要受基礎形式、柱網、層數、是否有覆土及其厚度、是否有消防車道、人防等多個因素的影響。

要做到整體設計的合理性，需要控制的關鍵節點眾多。本文從多個控制節點中選出地下室頂板結構設計這一單元分析討論。使之可以作為一個相對簡化、可標準化、易于控制的參考。

4.工況分析

地下室樓板分地下室頂板和地下室中間層樓板兩部分，而每一部分常用樓板形式分為：

①單項雙次梁結構；

②十字次梁雙向板結構；

③井字次梁雙向板結構；

④帶主邊框梁無次梁大板結構。

以下將根據此四種樓板結構形式逐次分類展開討論，每種結構形式又分如下幾種工況：

a.一般荷載工況；

b.一般荷載工況+消防車荷載工況；

c.一般荷載工況+消防車荷載工況+人防荷載工況（此文僅以核六級荷載為例進行討論，

對于更高抗力級別的人防荷載作用下的情況，可以在核六級荷載作用下的分析結果做一個推斷）；

d.一般荷載工況+人防荷載工況。

理論上講對于地下室頂板有16中組合；地下室中間層樓板因無消防車荷載參與組合，故其組合數量為8種。但實際工程設計中，基于以上24中組合分析結果特點或趨勢，結合工程實際情況，可以輕松排除若干種組合可能，進而將設計需要考慮的情況大大簡少。故此分析討論對實際工程設計工作有一定參考意義。

5.方案對比

地下室概況：某兩層地下室，地下室頂板覆土1.20m，地下室標準跨柱網尺寸為8.1mx8.1m，局部邊跨柱網尺寸為8.1mx6.0m。梁板混凝土等級為C30，鋼筋均采用三級鋼HRB400、局部范圍有消防車道、計算不考慮地震作用。

5.1.地下室頂板

5.1.1單向雙次梁結構

其詳細荷載組合工況如下：

組合1a（無消防車）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖V1a。板配筋：雙層雙向10@170拉通設置。

組合1b（有消防車）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖V1b。板配筋：雙層雙向10@170拉通設置。支座處另附加Y向板面筋8@300板面筋。

此情況需要按照《建筑荷載規范》GB5009-2012中第5.1.2條第1款第3項折減輸入荷載（主次梁按不同折減系數分別計算其配筋），及5.1.3條和附錄B折減消防車荷載。

組合1c（有消防車+有人防）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖V1c（消防車部分的荷載折減同1b組合）。板配筋：雙層雙向10@140拉通設置。支座處另附加Y向板面筋10@280。

組合1d（無消防車+有人防）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖V1d。板配筋：雙層雙向10@140拉通設置。支座處另附加Y向板面筋10@280。

5.1.2雙向十字梁結構

其詳細荷載組合工況如下：

組合2a（無消防車）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖V2a。板配筋：雙層雙向10@170拉通設置。支座處另附加雙向板面筋均為8@170。

組合2b（有消防車）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖V2b。板配筋：雙層雙向10@140拉通設置。支座處另附加雙向板面筋均為10@140。

組合2c（有消防車+有人防）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖V2c。板配筋：雙層雙向10@140拉通設置。支座處另附加雙向板面筋均為10@140。

組合2d（無消防車+有人防）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖V2d。板配筋：雙層雙向10@140拉通設置。支座處另附加雙向板面筋均為10@140。

5.1.3雙向井字梁結構

其詳細荷載組合工況如下：

組合3a（無消防車）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖V3a。板配筋：雙層雙向10@170拉通設置。

組合3b（有消防車）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖V3b。板配筋：雙層雙向10@170拉通設置

組合3c（有消防車+有人防）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖V3c。板配筋：雙層雙向10@130拉通設置

組合3d（無消防車+有人防）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖V3d。板配筋：雙層雙向10@130拉通設置

5.1.4雙向無次梁大板結構

其詳細荷載組合工況如下：

組合4a（無消防車）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖V4a。板配筋：雙層雙向12@170拉通設置。支座處另附加雙向板面筋均為14@170。

組合4b（有消防車）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖V4b。板配筋：雙層雙向12@180拉通設置。支座處另附加雙向板面筋均為10@180。

組合4c（有消防車+有人防）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖V4c。板配筋：雙層雙向14@180拉通設置。支座處另附加雙向板面筋均為12@180。

組合4d（無消防車+有人防）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖V4d。板配筋：雙層雙向14@180拉通設置。支座處另附加雙向板面筋均為12@180。

5.2.地下室中間層板

5.2.1單向雙次梁結構

其詳細荷載組合工況如下：

組合2V1a（無消防車）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖2V1a。板配筋：板底雙向6@140拉通設置。支座處另附加雙向板面筋均為6@140。

組合2V1d（無消防車+有人防）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖2V1d。板配筋：雙層雙向10@140拉通設置。

5.2.2雙向十字梁結構

其詳細荷載組合工況如下：

組合2V2a（無消防車）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖2V2a。板配筋：板底雙向8@180拉通設置。支座處另附加雙向板面筋均為8@360。

組合2V2d（無消防車+有人防）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖2V2d。板配筋：雙層雙向10@140拉通設置。

5.2.3雙向井字梁結構

其詳細荷載組合工況如下：

組合2V3a（無消防車）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖2V3a。板配筋：板底雙向8@200拉通設置。支座處另附加雙向板面筋均為8@140。

組合2V3d（無消防車+有人防）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖2V3d。板配筋：雙層雙向10@140拉通設置。

5.2.4雙向無次梁大板結構

其詳細荷載組合工況如下：

組合2V4a（無消防車）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖2V4a。板配筋：板底雙向10@180拉通設置。支座處另附加雙向板面筋均為10@180。

組合2V4d（無消防車+有人防）——該方案的梁配筋示意簡圖詳附圖2V4d。板配筋：雙層雙向14@180拉通設置。支座處另附加雙向板面筋均為12@180。

5.3.小結

5.1～5.2條分別列出了地下室頂板以及地下室中間層樓板共計24種荷載組合情況的實際配筋示意簡圖，其中有關于板厚（僅對無次梁大板結構布置而言）的最終取值的合理性或經濟性，經過對比分析取得，其取得過程可詳見下表一。表一對應于地下室頂板之無次梁大板結構的合理板厚取值過程，其余工況的合理板厚取值過程再此文不再贅述。

表一

6.結論

以上各工況對應的材料用量匯總表詳見表二（地下室頂板），表三（地下室中間層樓板）：

表二

表三

通過以上工程實例的設計對比，可以比較得出一些基本結論，見表四、表五。

表四

樓板形式與荷載類別（8.1mx8.1m柱距，頂板1.2m覆土）比較結果（以含筋量排序）選用形式

嵌固頂板，無消防車道，無人防單向雙次梁<十字梁<井字梁<無次梁大板單向次梁

嵌固頂板，有消防車道，無人防無次梁<單向次梁<井字次梁<十字次梁無次梁

嵌固頂板，有消防車道，有人防井字次梁<單向次梁<無次梁<十字次梁井字次梁

嵌固頂板，無消防車道，有人防井字次梁<單向次梁<無次梁<十字次梁井字次梁

中間層樓板，無消防車道，無人防單向次梁<井字次梁<十字次梁<無次梁單向次梁

中間層樓板，無消防車道，有人防單向次梁<十字次梁<井字次梁<無次梁單向次梁

表五

樓板形式與荷載類別（8.1mx8.1m柱距，頂板1.2m覆土）比較結果（以綜合成本排序）選用形式

嵌固頂板，無消防車道，無人防單向雙次梁<十字梁<井字梁<無次梁大板單向次梁

嵌固頂板，有消防車道，無人防無次梁<單向次梁<井字次梁<十字次梁無次梁

嵌固頂板，有消防車道，有人防無次梁<單向次梁<十字次梁<井字次梁無次梁

嵌固頂板，無消防車道，有人防無次梁<單向次梁<十字次梁<井字次梁無次梁

中間層樓板，無消防車道，無人防單向次梁<十字次梁<無次梁<井字次梁單向次梁

中間層樓板，無消防車道，有人防無次梁<單向次梁<十字次梁<井字次梁無次梁

要點：

01.一般荷載作用下（無消防車荷載、無人防荷載），梁布置的數量越多，消耗的鋼筋越多。

02.當板上作用有較大荷載（人防荷載，或同時有消防車荷載、人防荷載）時，厚板結構形式有優勢，此時厚板可以按有限元分析，塑性計算，按實際情況考慮板平面內、外的剛度（荷載中一部分可直接通過板傳遞至豎向構件墻或柱，從而梁的配筋可以減少）

03.以上表二、表三是以特定的材料價格（鋼筋、混凝土、模板）為計算基準，綜合最終的成本后得出的結果（排序），實際工程設計中，材料的價格會因所在地、市場價格等諸多因素而不同，致綜合成本的經濟性次序不同。

04.不同的結構設計方案均有自己的特點，比如大板方案消耗的模板最小，施工速度最快。而表四給出的排序是以常用衡量標準，即單位面積的含筋量為依據。實際工程設計中應以該項目的實際情況綜合考慮后選取適合自己的方案。

05.根據此對比分析，還可以根據不同的限制條件發展出更為詳細的對比方案。

①如在建筑層高限值了梁高的自由取值時，得出的經濟性結果又會不同。

②對于長方形柱跨，如8.1mx6.0m柱距時，同理可以得出較為經濟的布置是——次梁平行于長邊布置，讓短跨主梁作為該次梁的支撐。

③地下室頂板不作為嵌固端時。

④地下室頂板的厚度有變化時（如其不作為嵌固端時，或者審圖單位要求地庫頂板的厚度不得低于250mm等）對比的結果均會有一定程度的不同。

參考文獻：

[1] 傅學怡.實用高層建筑結構設計（第二版）[M].北京：中國建筑工業出版社.2010

[2] 江 淼，譚麗華.淺析高層住宅用鋼量的控制[J].建筑結構，2011年4月 第41卷增刊.611-614

作者簡介：

錢軍，學士，工程師