小柱網地下室頂板結構設計多方案比選分析

劉付華,方偉明,史坤峰,陳伯平，覃銀輝

（1.中機國際工程設計研究院有限責任公司，長沙 410004;2.中國建筑第五工程局有限公司,長沙 41004; 3.中南林業科技大學土木工程與力學學院,長沙 410004）

小柱網地下室頂板結構設計多方案比選分析

劉付華1,方偉明1,史坤峰1,陳伯平2，覃銀輝3

（1.中機國際工程設計研究院有限責任公司，長沙 410004;2.中國建筑第五工程局有限公司,長沙 41004; 3.中南林業科技大學土木工程與力學學院,長沙 410004）

論文就小柱網情況下地下室頂板結構方案優化比選;小柱網情況下地下室頂板在有消防車和沒有消防車荷載作用下結構方案對比及小柱網和大柱網情況下地下室頂板結構方案對比等3方面對小柱網情況下的地下室頂板結構方案進行了分析,繪制詳細施工圖并進行工程量和經濟指標的計算。從地下室凈高、經濟指標、施工情況等多方面綜合分析各個方案的優缺點，為在實際項目應用時選擇最優的地下室頂板方案及柱網提供參考。

小柱網；大柱網；消防車荷載；地下室頂板結構方案；經濟指標

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.06.001

1 引言

最近15a國內房地產市場不斷擴大發展，地下室尤其是大型住宅小區的地下室面積也在不斷增加，地下室的結構設計往往是業主方著重關注的重點，尤其是競爭日趨白日化的房地產市場，成本控制是地產公司考核設計院設計質量的一個重要指標。其中，地下室頂板結構設計考慮以下2個方面因素成為地下室設計中的一個重點和難點：其一，所受荷載大，包括覆土、消防車荷載及人防荷載，所用材料多；其二，受設備專業空間要求限制，地下室層高要求較高，地下室頂板的造價在整個地下室中占較大比重，因此，業主方尤其是國內大型地產公司往往要求設計方在初步設計階段進行地下室頂板結構多方案的優化比選。

目前，國內就此方面的研究也比較多，有認為綜合考慮造價、施工、結構性能等因素，認為地下室頂板采用無梁樓蓋方案和加腋梁板方案相比于傳統的主次梁結構方案具有更加廣泛的應用前景[1]。有對4種不同梁截面的普通梁板樓蓋與無梁空心樓蓋做了詳細分析，比較了各方案的優缺點[2]；有認為無梁樓板時可降低層高，減小地下室埋深，有明顯的綜合經濟效益[3]。以上關于地下室頂板的結構設計方案比選均是建立在柱網尺寸為8.1mm×8.1mm左右的情況下，即考慮一個柱網停3臺小車（本文統稱為大柱網）的情況下，然而對一個柱網停2臺小車的情況（本文統稱為小柱網）研究分析較少，本文就以下3個方面進行了研究:小柱網情況下地下室頂板結構方案優化比選、小柱網情況下地下室頂板在有消防車和沒有消防車荷載作用下結構方案對比分析及小柱網和大柱網情況下地下室頂板結構方案對比分析研究。

2 小柱網情況下頂板方案優化比選分析

2.1 方案基本情況

方案制定依托長沙某項目的非人防地下室進行,地下室為停車庫，層數為1層，層高為3.6m，東西向長約400m，南北向長約100m，標準柱網尺寸為5.4m×5.4m，局部5.4m×6.1m，建筑面積約34000m2,地庫上部分布著19棟7層的多層建筑住宅，多層住宅為異型柱框架-剪力墻結構，主體結構設計使用年限50a，上部結構嵌固端在地下室頂板。地下室頂板覆土厚度1.5m，恒載取值27kN/m2;活荷載考慮消防車荷載，且考慮1.5m厚覆土按《建筑結構荷載規范》（GB50009—2012）附錄B進行折減。本工程抗震設防類別為標準設防類，抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g，水平地震影響系數αmax=0.04，設計特征周期Tg=0.35s；設計地震分組為第一組；建筑場地類別為Ⅱ類。主樓抗震等級為三級，抗震基本參數見表1。本工程基本風壓：0.35kN/m2，地面粗糙度類別為B類，基本雪壓：0.45kN/m2（50a一遇），建筑結構的安全等級為二級。

表1 抗震基本參數

2.2 各個方案擬定及主要構件參數

2.2.1 各個方案的擬定

地下室標準柱網為5.4m×5.4m，研究時按長、寬方向均為5跨進行計算，主要研究普通地下室頂板采用以下3種結構形式的優缺點及主要經濟指標。方案1：僅設置框架主梁的大板方案；方案2：設置框架主梁和1根次梁的“十字梁”方案；方案3：普通無梁樓蓋方案。柱子基本截面尺寸為400mm× 600mm，梁板混凝土標號為C35，各個方案的布置簡圖見圖1。

圖1 各個方案簡圖

2.2.2 各種方案主要構件參數情況

各個方案的重要結構構件參數統計見表2。

表2 小柱網情況下有消防車、無人防荷載時頂板方案選型比較（參數）

2.3 各方案施工圖繪制及工程量計算

因圖幅較大，施工圖在此省略。

根據各個方案，計算各個方案的工程量和綜合經濟指標，見表3和表4。

2.4 各方案比選分析

從地下室凈高考慮，此工程地下室層高3.6m，扣除梁高和板厚后，地下室結構凈高見表5。假設設備管線要求占用梁或板下0.6m高度，扣除設備管線高度后地下室建筑高度匯總見5。

表3 小柱網情況下有消防車、無人防荷載時頂板方案選型比較（工程量）

表4 小柱網情況下有消防車、無人防荷載時頂板方案選型比較（經濟指標）

表5 各個方案建筑及結構凈高

從表5可知，根據《車庫建筑設計規范》（JGJ100—2015）[4]4.2.5及4.3.6條，方案一（大板）、方案二（十字梁）、方案三（普通無梁樓板）的建筑和結構高度均能達到規范要求。方案三（普通無梁樓板）則有較高的結構高度和建筑高度，地下室無壓抑感，使用舒適；從模板指標來看，方案三（普通無梁樓板）支模工程量比較少，能大大節約施工周期，其次是方案一（大板），支模工程量也不大，支模工程量最大的是方案二（十字梁）。方案三（普通無梁樓板）的含鋼量為42.309kg/m2,相比方案一（大板）、方案二（十字梁）分別少34.298kg/m2、16.512kg/m2,為含鋼量最省方案。

從每平方米的綜合單價來看，方案三（普通無梁樓板）為 470.32元/m2,相比方案一 （大板）、方案二 （十字梁）分別少107.11元/m2、57.50元/m2,節約造價非常明顯，以此地下室為例，使用無梁樓蓋部分的地庫面積約為12 000m2，方案三相比方案一和方案二能節約總造價約128.5萬元、69.00萬元。

3 小柱網情況下有消防車和沒有消防車荷載作用下對比分析

3.1 方案基本情況

基本情況同“小柱網情況下頂板方案優化比選分析”,考慮地下室除消防車道和消防撲救面需要考慮消防車荷載外，其余位置一般不考慮消防車荷載，本方案在研究“小柱網情況下頂板方案優化比較分析”的情況下取消了消防車荷載，改用普通活荷載為5kN/m2。

3.2 各個方案擬定及主要構件參數

各個方案的重要結構構件參數統計見表6。

表6 小柱網情況下無消防車、無人防荷載時頂板方案選型比較（參數）

3.3 各方案施工圖繪制及工程量計算

因圖幅較大，總工程量和施工圖在此省略。

根據各個方案，計算其各個方案的綜合經濟指標見表7。

表7 小柱網情況下無消防車、無人防荷載時頂板方案選型比較（經濟指標）

3.4 比選分析

從表7和表4數據對比來看，和有消防車情況比較，無消防車荷載作用下，方案1（大板體系）、方案2（十字梁體系）和方案3（無梁樓蓋體系）單位造價降低了137.87元/m2、98.76元/m2、46.31元/m2。

從表7可以看出，小柱網情況下無消防車荷載時，采用無梁樓蓋體系仍然是最節約的方案，相比方案1（大板體系）和方案2（十字梁體系）僅節約15.55元/m2和5.05元/m2。相比有消防車荷載作用時最省方案3（無梁樓蓋體系）比最貴方案1（大板體系）少107.11元/m2，節約幅度大大減少，說明在無消防車荷載作用的情況下，無梁樓蓋體系方案在經濟性方案的優越性難以得到體現。但采用方案3（無梁樓蓋體系），建筑、結構凈高仍最高，有地下室層高壓縮空間，能從地下室墻、柱工程量減少及降低了底板抗浮水位等多方面節約地下室造價。

4 小柱網和大柱網情況下3個方案對比分析研究

4.1 方案基本情況

方案基本情況同“小柱網情況下頂板方案優化比選分析”，只是增加了人防荷載作用。

4.2 各個方案擬定及主要構件參數

地下室標準柱網為7.8m×8.1m，研究時按長、寬方向均為5跨進行計算，主要研究普通地下室頂板采用以上3種結構形式的優缺點及主要經濟指標。柱子基本截面尺寸為550mm×550mm，梁板混凝土標號為C35，各個方案的布置簡圖見圖2，各個方案的重要結構構件參數統計見表8和表9。

圖2 大柱網基本方案

表8 小柱網情況下有消防車、有人防荷載時頂板方案選型比較（參數）

表9 大柱網情況下有消防車、有人防荷載時頂板方案選型比較（參數）

4.3 各方案施工圖繪制及工程量計算

根據各個方案，計算其綜合經濟指標，見表10和表11（總工程量省略）。

表10 小柱網情況下有消防車、人防荷載時頂板方案選型比較（經濟指標）

表11 大柱網情況下有消防車、人防荷載時頂板方案選型比較（經濟指標）

4.4 比選分析

由表8和表9可知，大柱網情況下，根據《車庫建筑設計規范》（JGJ100-2015）4.2.5及4.3.6條，采用方案1（大板體系）、方案2（十字梁體系）時地庫最少層高需要0.9+2.2+0.6=3.7m，比小柱網情況下增加0.1m。

通過表10和表11可以看出，和大柱網相比，小柱網情況下采用方案1（大板體系）、方案2（十字梁體系）、方案3（無梁樓蓋體系）分別節約了124.9元/m2、67.35元/m2、49.47元/m2，扣除柱子根數的增加費用，節約是十分明顯的。

5 結論及建議

根據上述對樓蓋方案的對比分析，得出以下結論和建議：

1）小柱網情況下，有消防車、無人防荷載作用時，地下室頂板采用方案三（普通無梁樓板），結構凈高較高，每平方米造價最省，可作為小柱網地下室頂板樓蓋方案的首選方案。

2）無消防車、無人防荷載作用下，小柱網情況下地下室頂板采用方案三（普通無梁樓板）仍然是最節約的方案，只是和方案1（大板體系）、方案2（十字梁體系）相比減少幅度有限，但考慮地下室凈高等因素，建議采用優選方案三（普通無梁樓板）。

3）和大柱網相比，當有消防車、有人防荷載作用時，小柱網情況下地下室頂板采用方案1（大板體系）、方案2（十字梁體系）、方案3（無梁樓蓋體系）都能節約造價，小柱網用鋼量少，能有效降低地下室頂板施工難度，建議根據主樓柱網優先布置小柱網。

4）根據《建筑抗震設計規范》（GB50011—2010）[5]6.1.14條及《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3—2010）[6]3.6.3條，的相關范圍的頂板應采用現澆梁板結構”，根據此條及參考文獻[7]對地下室頂板作為上部結構嵌固部位時的相關分析，當地下室頂板作為上部結構的嵌固部位，又想采用方案三（普通無梁樓板）時，最好在方案階段和初步設計階段提前和施工圖審查中心溝通，保證方案的順利實施。

【1】徐建明.地下室頂板結構多種方案的經濟分析[J].建筑與結構設計, 2012（1）:111-113.

【2】張圣海，覃維.某工程8.1×8.1柱網地下室頂板樓蓋方案結構選型[J].四川建筑，2012（4）:169-171.

【3】李國勝，閆穎.高層建筑地下室及地下車庫結構選型的經濟比較[C].第十九屆全國高層建筑結構學術會議論文，2006.

【4】JGJ100—2015車庫建筑設計規范[S].

【5】GB50011—2010建筑抗震設計規范[S].

【6】JGJ3—2010高層建筑混凝土結構技術規程[S].

【7】朱炳寅.高層建筑混凝土結構技術規程應用與分析[M].北京：中國建筑工業出版社，2013.

The Scheme Optimization Selection of the Basement Roof Structure Design Under Small Column

LIU Fu-hua1,FANGWei-ming1,SHI Kun-feng1,CHENGBo-ping2,QINYin-hui3,
（1.ChinaMachinery International Engineering Design&ResearchInstituteCo.Ltd.,Changsha 410004,China; 2.China Construction Fifth Engineering Division Co.Ltd.,Changsha 410004,China; 3.Department of CivilEngineeringandMechanics,Central SouthUniversityof ScienceandTechnology,Changsha 410004,China）

The basement roof structure scheme under small column grid was analyzed from the follow ing three aspects:the structure scheme optim ization selection,the structure scheme comparison in fire truck loading and no fire truck loading,the structure scheme comparison insmallcolumngrid and largecolumngrid.Thedetailedworkingwasdrawnup,thedetailedwork amountand econom ic index were calculated also.In order to provide reference to select the optimal basement roof scheme and column grid,the advantages and disadvantageswereanalyzed comprehensively from thebasementnetheight,econom icindex,constructionetc.

smallcolumngrid;largecolumn grid;truck loading;basementroofstructurescheme;econom ic indexx

TU93

A

1007-9467（2016）06-0025-04

2015-12-10

中機國際工程設計研究院有限責任公司2015年度科研業務建設立項項目（201504）

劉付華（1980～），男，湖南婁底人，高級工程師，從事結構設計與研究，（電子信箱）285455701@qq.com。