地下室結構優化設計及經濟性分析

文／韋彬 華藍設計（集團）有限公司 廣西南寧 530001

引言：

近年來，隨著人民生活水平的逐步提高，城市化進程的不斷推進，城市人口密度不斷增加，城市汽車保有量快速攀升，對地下室停車庫的需求也在不斷增加。而另一方面，地下室建設過程中，較地上建筑，多出土方開挖工程、基坑支護工程，且防水工程巨大等，造成地下室建設成本遠高于地上建筑建設成本，而對于欠發達城市，地下室的價值一般較低且銷售難度相對較大，一般盈利水平較低，所以，地下室成本的控制，很大程度上影響建設項目的經濟效益。而地下室成本的控制，很大程度上取決于結構成本的控制，而結構成本的控制，一般主要體現在結構方案對地下室利用率的影響、地下室柱網的選擇、地下室樓蓋體系的選擇、地下室層高的選擇、抗浮方案、基礎方案的選擇等幾方面。本文就圍繞上述幾方面，以實際工程為案例，分析和總結如何在地下室結構設計過程中，各結構方案和處理措施的選擇。

1、工程概況

某高層住宅小區地下室為一層，建筑面積約32000m2，建筑功能為地下車庫及少量設備用房，頂板覆土1.5 米，抗浮水位為地下室頂板標高+0.45 米，抗震設防烈度為7 度，地質情況良好，采用天然獨立基礎。

2、柱網選擇對地下室利用率的影響

地下室設計時，結構柱網的合理性直接影響地下室功能的利用率，地下室柱網應根據具體使用功能合理布置，對于常規的地下室停車庫，柱網應根據車位尺寸需求確定，在確保滿足停車要求的情況下又不造成空間浪費。目前地下室停車庫柱網尺寸主要有7.8 米～8.1 米×7.8 米～8.1 米（常規柱網）、5.1米/6.2 米×7.7 米～8.0 米（小柱網），均為按3 輛小型汽車一個柱網的布置方式，但在垂直于汽車排列方向，在不影響使用的情況下，采用了不同的柱距布置方式，由于地下室頂板往往覆土較厚荷載較大，地下室柱子截面往往較大，而小柱網方案相對于常規柱網方案，柱子承擔的荷載范圍相對較小，所以柱子截面一般比常規柱網方案小，因此，在滿足同等使用標準的情況下，地下室車位利用率相對較高。而相對于常規柱網方案，小柱網方案柱子數量較多，感觀上略有不足，所以，確定柱網時，需綜合考慮具體項目的檔次及經濟性要求后在最終確定。本項目所在區域為欠發達地區，品質要求不高，項目屬于剛需類住宅項目檔次，車位方向柱距滿足3 個2.4 米車位寬度要求即可，因此，從成本角度考慮，采用5.1 米/6.2 米×7.7 米的結構柱網，相比8.1 米×8.1 米柱網地下室，本項目節約建筑面積約1900平米，工程造價節約約600 多萬。

3、地下室頂板樓蓋體系選型

3.1 地下室頂板樓蓋體系的分類

地下室頂板樓蓋體系，主要分為無梁樓蓋及有梁樓蓋。由于近年來地下室無梁樓蓋多次發生工程事故，對設計及施工質量的要求較高，部位地區已限制地下室選擇無梁樓蓋，因此，本項目暫不不考慮無梁樓蓋體系，而采用常規的有梁樓蓋體系。

常見的有梁樓蓋體系布置方式有：井字梁或十字梁（次梁）布置方式、單向次梁方式、框架梁+大板布置方式等幾類。

3.2 各類地下室結構布置的經濟性比較

3.2.1 井字梁或十字梁（次梁）布置方式

適用于7.8 米～8.1 米×7.8 米～8.1 米的柱網尺寸。結構布置如下圖1所示：

圖1 井字梁或十字梁方式結構布置示意圖

此方式的優缺點如下：

優點：(1)通過井字次梁或十字次梁的劃分，能夠把板劃分為較小板塊，在1.5 米覆土作用下，板配筋仍較小。(2)次梁較均勻的分到周邊框架梁上，框架梁受力較均衡。

缺點：(1)因種植屋面有防水要求，室外地下室頂板厚度不小于250mm，雖然板配筋較小，但板厚的潛力無法有效發揮。(2)次梁集中力較大，造成較大的主梁跨中彎矩，主梁配筋量較大，同時眾多次梁也增加了大量梁配筋。（3）縱多次梁造成模板量的增加，同時增加施工措施。

在頂板所承受的荷載較大時（如1.5 米覆土疊加消除車荷載或人防荷載），往往需要兩個方向的主梁分擔荷載才能控制結構梁尺寸在合理范圍內，此時，此布置方式較易發揮出其優勢。

3.2.2 單向次梁布置方式

適用于7.8 米～8.1 米×7.8 米～8.1 米的柱網尺寸，結構布置如下圖2所示：

圖2 單向次梁方式結構布置示意圖

此方式的優缺點如下：

優點：（1）板跨較小，板配筋量較小。（2）相對井字次梁或十字次梁的布置方式，減少了梁與梁交叉節點的處理。（3）平行于次梁的主梁截面及配筋較小。（4）利于主樓內外地下室高差的處理。

缺點：（1）因種植屋面有防水要求，室外地下室頂板厚度不小于250mm，雖然板配筋較小，但板厚的潛力無法有效發揮。（2）主梁受力不均衡，支撐次梁的主梁受力大，截面及配筋較大，梁截面高對地下室層高控制不利。

在頂板所承受的荷載適中時（如1.5 米覆土疊加常規小型機動車或花園荷載）時，主要傳力方向為一個方向的主梁亦能控制主梁截面尺寸在合理范圍內，此時，此布置方式較易發揮出其優勢。

3.2.3 框架梁+大板布置方式

適用于5.1米/6.2米×7.7米～8.0米（小柱網）的柱網尺寸，結構布置如下圖3所示：

圖3 框架梁+大板布置（小柱網）結構布置示意圖

此方式的優缺點如下

優點：（1）無次梁，減少梁交接處的節點處理，同時減少模板量及施工措施。（2）板荷載均勻作用與框架梁上，且小柱網的框架梁承擔的荷載相對較小，引起的框架梁彎矩及剪力較小，梁配筋及梁截面小，有利用控制地下室含鋼量及層高。（3）單根柱子承擔的力較小，柱子截面相對常規柱網時小，有利于節省結構占用空間，提高地下室利用率。（4）小柱網布置，對底板抗浮設計時，可減少抗浮底板的跨度，利用控制底板厚度及配筋，減少抗浮成本。

缺點：（1）板跨度較大，造成部分板厚較厚，部分達到300mm 厚，板配筋量較大。（2）柱子數量相對常規柱網偏多，感觀上略有不足。

在頂板所承受的荷載適中時（如1.5 米覆土疊加常規小型機動車或花園荷載）且板厚最小要求較厚（如種植屋面要求板厚不小于250mm）時，在板厚得到合理控制的情況下板配筋不大，此時，此布置方式較易發揮出其優勢。

3.2.4 經濟指標對比

本項目分別就以上三個地下室頂板布置方案進行分析計算，地下室頂板（含梁板）、柱子各材料經濟性指標如下表1：

表1

從以上經濟性指標可以看出，框架梁+大板（小柱網）結構布置方式混凝土用量最大，但相比其他兩個布置方式并不明顯，而本布置方式的鋼筋含量明顯較其他兩個布置方式低，且模板量最少，梁高小，層高相對其他方案降低100mm，對土方開挖及基坑支護有利，且柱距小，對底板抗浮成本控制有利，綜合以上因素，框架梁+大板布置（小柱網）方式經濟性優勢明顯，且項目本身屬于剛需樓盤，檔次要求不高，因此，從經濟性角度考慮，同時結合項目自身情況，框架梁+大板（小柱網）為最優方案。

4、地下室層高設計

地下室層高直接影響到地下室埋深，進而影響土方開挖成本、基坑支護成本、抗浮成本，層高越高，以上成本越大。層高設計時，應充分考慮建筑、結構、給排水、電氣、通風等專業之間的協調，進行綜合管線分析，盡量減少設備管線占用空間，在有條件的情況下，考慮電纜、給排水管線穿結構梁處理。同時適當控制梁高，減少結構梁占用的空間，受力大的位置局部采用寬扁梁處理。綜合以上因素后，本項目給排水、電氣、通風等設備專業預留管線空間為500mm，通過采用小柱網布置，結構梁最高為750，適當預留容錯空間，地下室層高定為3600mm。

5、抗浮設計

5.1 抗浮方式的選擇

抗浮通常有壓重法、設置抗浮錨桿、抗拔樁等幾種方式，一般情況下，在水頭不高，水浮力超過結構自重及其上方永久荷載總和不多時，增加壓重法工期快、操作簡單、可靠性強且造價較低，但當水頭較高，單純依靠自重及其上方永久荷載總和遠不足于抵抗水浮力時，需要借助抗浮錨桿或抗拔樁抵抗水浮力，而正常情況下，抗拔樁的造價相對抗浮錨桿要高，如根據地質情況，有條件采用天然基礎時，在考慮壓重基礎上，一般為優先采用抗浮錨桿進行抗浮設計。

本地下室底板底抗浮水頭為4.45m,通過結構自重及頂板覆土遠遠無法滿足整體抗浮要求，需要進行抗浮設計，單純通過壓重法抗浮，需要增加的壓重過大，壓重材料巨大，且增加大量壓重會增加較多地下室埋深，明顯增加了土方工程和基坑支護造價，故不單獨采用壓重法進行抗浮，而本項目底板底地質情況良好，基礎適合采用天然獨立基礎，故本項目不需采用樁基礎，抗浮選擇抗浮錨桿進行抗浮設計。但對于外墻等特殊區域，可通過調節外墻基礎外挑長度獲得足夠的土體壓重，故此區域僅依靠壓重進行抗浮。

5.2 地下室抗浮錨桿的布置方式

地下室抗浮錨桿布置方式常見的有集中在基礎底布置及均勻分布在底板上的滿堂布置。

抗浮錨桿集中在基礎底的布置，為用于天然獨立基礎時，把抗浮錨桿均設在獨立基礎下方的布置方式，如下圖4所示：

圖4 （左）抗浮錨桿集中基礎底布置示意圖

此種方式為利用柱子承受的上部結構恒荷載、底板自重及抗浮錨桿提供的抗拔力共同抵抗底板承受的水浮力，此方式可充分利用上部結構的恒荷載進行抗浮，往往需要的錨桿相比底板滿堂布置節省，但是基礎間的底板需要自身結構抗力抵抗底板抗浮力，底板鋼筋量相對較大，當頂板傳來的恒荷載較大、底板抗浮力大于頂板傳來的恒荷載不多時，采用此方式經濟性較好。

抗浮錨桿滿堂布置，即抗浮錨桿較均勻布置于抗浮底板下方，如上圖5所示：

圖5 （右）抗浮錨桿滿堂布置示意圖

此方式依靠錨桿提供的抗拔力及底板自重平衡底板受到的水浮力。抗浮錨桿數量一般較多，但是因為錨桿間距一般不大，底板配筋不大，另外，因為有錨固長度的要求，底板厚度一般較厚。當上部荷載較大時，采用此布置方式，在抗浮設計時，柱子傳遞的上部恒荷載未能得到充分考慮，且板厚一般較厚，經濟性一般較差，但當水頭比較高和上部恒荷載較小時，獨立基礎下方無法布置足夠的錨桿抵抗抗浮力，且底板厚度及配筋一般較大，此情況下，滿堂布置抗浮錨桿可發揮出較好的經濟性。

本項目水頭適中，頂板覆土較厚，柱子能夠提供較大的抗浮壓力，需要抗浮錨桿提供的抗拔力不大，底板厚度及配筋不大，經過計算比較抗浮錨桿集中布置于基礎底的方式和滿堂布置于底板的方式，采用前者方式更能體現經濟性。因此，本項目最終確定抗浮錨桿集中布置于基礎底的布置方式。

結語：

在地下室設計中，地下室成本與地下室檔次定位、地下室功能、地下室利用率、地下室荷載情況、地下室埋深、抗浮水位情況、地質情況等因素緊密相關，地下室結構設計過程中，應根據地下室檔次定位、地下室功能選擇合適的柱網及層高，提高地下室利用率，根據地下室荷載情況，選擇合適的樓蓋體系，根據上部荷載及抗浮水位情況，選擇合理的抗浮方案，根據地質情況，選擇合理經濟的基礎形式。且地下室層高、埋深、樓蓋體系、柱網形式、抗浮、基坑支護等各方面都是相互聯系的，設計時不可單獨考慮其中一方面的利弊，而是綜合各方面的利弊后統籌考慮，最終形成一整套相互協調的結構設計方案，達到降低地下室成本的目的。