房屋建筑地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計中的成本優(yōu)化探析

趙振東

（大同市建筑設(shè)計研究院，山西 大同 037000）

隨著近幾年城市化進(jìn)程的加快，我國在地下室建筑物的開發(fā)和利用上有了很大的發(fā)展。城市建設(shè)用地日漸緊張，汽車數(shù)量的急劇增加，充分利用地下空間建設(shè)停車場對緩解城市道路擁擠有非常重要的作用。從最初簡單的存儲性能到目前的地下停車場多功效構(gòu)造的配合，如大型商業(yè)區(qū)和民防項目，這些功能需要適合、更高設(shè)計準(zhǔn)則的基礎(chǔ)架構(gòu)。需要設(shè)計者不僅具備更專業(yè)的設(shè)計水平，并且具備前瞻性的設(shè)計理念。建筑物的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個建筑設(shè)計的基礎(chǔ)，因此，建筑物地下結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性對建筑的設(shè)計和使用功能非常重要。在滿足建筑功能和設(shè)備功能滿足的情況下，安全和經(jīng)濟(jì)是擺在結(jié)構(gòu)工程師面前的重要課題。地下室開發(fā)成本控制對于整個建筑成本控制具有重要意義。

1 房屋建筑地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計中成本優(yōu)化的內(nèi)容

地下室結(jié)構(gòu)成本優(yōu)化主要包括結(jié)構(gòu)布置、基礎(chǔ)及抗浮、底板做法、頂板做法、側(cè)壁做法以及一些更加經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造方法的利用。

地下室層高直接影響地下室工程的造價，降低地下室層高對于減少地下室工程造價起到關(guān)鍵作用。地下室層高影響造價的方面包括土方費用、基坑支護(hù)費用、降水費用、底板側(cè)壁鋼筋費用、內(nèi)墻涂料費用和外墻防水費用。在滿足建筑功能使用的情況下，減低車庫層高，優(yōu)先選用大小柱網(wǎng)（比如5.1m/6.1mx7.8m） 的柱布置方法。車庫層高=風(fēng)管線路上的結(jié)構(gòu)高度+風(fēng)管高度+噴淋高度+建筑凈空要求。小跨度梁梁高較小，與風(fēng)管疊加布置時對層高影響小，主要關(guān)注大跨度一側(cè)梁高，當(dāng)疊加布置時對層高影響大，布置風(fēng)管時應(yīng)盡量垂直小跨度梁布置，局部穿越大跨度梁應(yīng)盡量設(shè)置在一個軸開間內(nèi)，局部調(diào)整為停2 輛車的柱網(wǎng)形式。結(jié)構(gòu)在風(fēng)管經(jīng)過區(qū)域控制梁高，可以從整體優(yōu)化地下室層高。設(shè)計中應(yīng)通過暖通、建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)協(xié)作，合理布置柱網(wǎng)、風(fēng)管走向，以此來優(yōu)化地下室層高。

地下室基礎(chǔ)宜優(yōu)先考慮天然基礎(chǔ)，然后再根據(jù)地勘情況選用復(fù)合地基、預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，最后選擇灌注樁基礎(chǔ)。基礎(chǔ)的選用對于地下室工程的土方開挖，基坑支護(hù)和工期長短有重要影響，對結(jié)構(gòu)成本優(yōu)化起重要作用。對于需要抗浮的地下室，需滿足整體抗浮和局部抗浮。抗浮穩(wěn)定性驗算需滿足：W/F≥1.05 其中W-結(jié)構(gòu)自重（包括結(jié)構(gòu)梁、板、柱和頂?shù)装迳系呐陡餐梁奢d，不包括批蕩裝修等荷載）、F-水浮力。設(shè)計時宜優(yōu)選選用自重和增加配重的方法進(jìn)行抗浮，在這些方法不能滿足或不能使用的情況下，再選用抗浮錨桿、管樁抗浮和灌注樁抗浮等。

2 案例分析

以某建筑工程項目為例，做抗浮成本對比：項目信息：柱跨7.9mx7.9m，1000mm 覆土，抗浮容重取16kN/m3；兩層地下室，負(fù)一層3.7 米層高，負(fù)二層3.5 米層高，抗浮水位相對標(biāo)高-1.100，水反力80kN/m2；首層板160mm 厚，含梁折算后厚度200mm，負(fù)一層折算厚度150mm，負(fù)二層底板厚度600mm。即柱下需抵抗的反力： [80- (0.2+0.15+0.6) ×22.5-1×16]×7.9×7.9=2660kN。價格均按30 米計算。

表1 抗浮材料的價格

從成本考慮，在條件允許的情況下，優(yōu)先選用管樁，再次錨桿，最后選灌注樁。

地下室底板結(jié)構(gòu)布置：1） 以天然基礎(chǔ)的獨立基礎(chǔ)或樁承臺為柱帽的平板結(jié)構(gòu)；2） 以墻柱支撐的有梁板結(jié)構(gòu)；3）柱墻下帶柱墩的筏板結(jié)構(gòu)。除柱網(wǎng)上布置底板梁外，一般不布置次梁或盡可能少布置。盡量不做梁板結(jié)構(gòu)。地下室底板應(yīng)考慮的荷載有：1） 水浮力；2） 人防等效荷載；3） 底板結(jié)構(gòu)自重4） 底板使用活荷載。結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)計入水浮力作用。基本組合的分項系數(shù)：水浮力取1.27，結(jié)構(gòu)自重取1.0。抗浮防水底板迎水面鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度取25mm，梁迎水面鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度取30mm，裂縫寬度取0.2mm；室內(nèi)一側(cè)板鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度取20mm，梁鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度取25mm，裂縫寬度取0.3mm。人防荷載組合驗算時，不考慮裂縫寬度。在滿足地基承載力時，底板一般不外挑出，與外墻形成直角。當(dāng)確實需要單獨設(shè)置抗拔錨桿或抗拔樁時，應(yīng)均勻布置在底板跨中。防水板配筋和裂縫計算，應(yīng)把錨桿或抗拔樁對底板的下拉力作為荷載考慮輸入。

地下室頂板的結(jié)構(gòu)體系包括有梁樓蓋和無梁樓蓋(或無梁空心樓蓋)。頂板無覆土?xí)r：①無覆土頂板優(yōu)先選用單向單次梁結(jié)構(gòu)體系，最小板厚160mm；②中間樓層優(yōu)先選用單向雙次梁或單向單次梁體系，最小板厚100mm。頂板有較厚覆土?xí)r：①頂板優(yōu)先選用單向雙次梁體系，最小板厚160mm；②地區(qū)需要采用最小250mm 板厚時，優(yōu)先選用大梁大板結(jié)構(gòu)體系；③無梁樓蓋在層高限制較多時可以選用，板厚不小于300mm。消防車道采用單向樓蓋布置時，次梁設(shè)計時均布活荷載折減系數(shù)取0.8，主梁設(shè)計時均布活荷載折減系數(shù)取0.6。雙向板樓蓋的梁設(shè)計時均布活荷載折減系數(shù)取0.8。可不考慮消防車荷載對構(gòu)件裂縫寬度和撓度的影響，在基礎(chǔ)設(shè)計時，不考慮消防車荷載。

該項目對比頂板采用雙向單次梁體系和大梁大板體系的含鋼量對比。項目信息：東西方向為7×7800，南北方向為5×5100+2×6100 的結(jié)構(gòu)布置，層高3500mm。

表2 結(jié)構(gòu)體系的用鋼量

由此可知，在僅考慮頂板含鋼量的情況下，從成本上來講，雙次梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)于大梁大板結(jié)構(gòu)體系。

地下室外墻的邊界支撐條件根據(jù)構(gòu)件抗彎剛度比值確定。一般外墻的厚度應(yīng)小于底板厚度，可按嵌固考慮，而外墻的厚度大于頂板的板厚時，按鉸接假定。地下室側(cè)墻設(shè)置有橫向砼墻且墻間距小于層高的兩倍時，可作為地下室側(cè)墻的支座，按雙向板設(shè)計。若仍按單向板設(shè)計，應(yīng)計入橫向支座的影響，支座處可附加橫向鋼筋。地下室側(cè)墻混凝土強(qiáng)度不應(yīng)小于C30，迎水面最外層鋼筋保護(hù)層厚度不小于30mm，裂縫寬度限值0.2mm；室內(nèi)一側(cè)最外層鋼筋保護(hù)層厚度不小于20mm，裂縫寬度限值0.3mm。地下室外墻豎向和水平貫通分布筋的配筋率不小于0.3%，外側(cè)墻的受力豎向鋼筋的間距不宜大于150mm，不應(yīng)大于200mm。外側(cè)墻水平鋼筋的間距不應(yīng)大于150mm。地下室外墻一般不設(shè)置暗梁。

3 結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的最終目的，就是要使設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)不僅各個構(gòu)件受力均衡，技術(shù)應(yīng)用科學(xué)、合理，而且結(jié)構(gòu)整體安全、可靠，每一個構(gòu)件都能充分發(fā)揮其最大作用，這樣才能使設(shè)計出來的建筑結(jié)構(gòu)最終達(dá)到既受力均衡、堅固耐久，又經(jīng)濟(jì)、合理和安全可靠的目的。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要任務(wù)是在滿足建筑使用功能的前提下，確保建筑投入使用后的安全性和舒適度，使其具有更強(qiáng)的生命力，而結(jié)構(gòu)造價在建筑產(chǎn)品中的比重很大，通過精心思考后的優(yōu)化設(shè)計能給建筑產(chǎn)品帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，這也是辦一切事業(yè)的基本出發(fā)點和落腳點。結(jié)構(gòu)工程師在對建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，務(wù)必要把降低結(jié)構(gòu)造價當(dāng)作重要的基本原則來予以重視，千萬不可掉以輕心。