地鐵車輛段TOD上蓋開發(fā)結(jié)構(gòu)預(yù)留研究

文／胡鑫 廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣東廣州 510000

1、TOD上蓋開發(fā)結(jié)構(gòu)預(yù)留特點(diǎn)

TOD上蓋開發(fā)結(jié)構(gòu)預(yù)留的特點(diǎn)集中體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1 開發(fā)時(shí)序及上蓋方案的不確定性

按正常程序，地鐵在建設(shè)完成所需的預(yù)置平臺(tái)之后，平臺(tái)再造出來的用地經(jīng)過“招、拍、掛”流程出讓，由開發(fā)商再次深入進(jìn)行物業(yè)開發(fā)的設(shè)計(jì)。開發(fā)商本應(yīng)較早地介入項(xiàng)目，進(jìn)行策劃，為地鐵建設(shè)提供資料輸入，對經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行把控，而目前車輛段TOD上蓋物業(yè)開發(fā)在建設(shè)時(shí)序上往往滯后于地鐵建設(shè)，車輛段設(shè)計(jì)大多是以地鐵建設(shè)為主導(dǎo)，為了保證地鐵通車的工期，在未取得各部門審批許可的條件下先行確定物業(yè)開發(fā)條件，以滿足車輛段開工建設(shè)的需要[1]。在后期物業(yè)方案穩(wěn)定的過程中，輸入條件需要進(jìn)行數(shù)次修改。對此，需要在蓋下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行一定的包容性設(shè)計(jì)，為后續(xù)上蓋物業(yè)開發(fā)調(diào)整方案留有一定的調(diào)整余地。

1.2 蓋下設(shè)計(jì)時(shí)需提前考慮遠(yuǎn)期物業(yè)開發(fā)荷載的預(yù)留

車輛段設(shè)計(jì)階段，需根據(jù)上蓋物業(yè)開發(fā)的要求，做好結(jié)構(gòu)荷載預(yù)留的條件，包括施工材料設(shè)備運(yùn)輸通道、轉(zhuǎn)換層施工荷載、塔吊等吊裝設(shè)備基礎(chǔ)荷載等。

當(dāng)車輛段兩層蓋板分期實(shí)施時(shí)，恒載需結(jié)合一期建筑屋面做法及二期建筑樓面做法，取不利工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。另由于二層蓋板施工過程中不能影響車輛段運(yùn)營，首層蓋板的施工通道布置要考慮上層蓋板的施工順序，且應(yīng)在首層蓋板充分考慮施工荷載的預(yù)留設(shè)計(jì)。

當(dāng)首層蓋板與二層蓋板同期實(shí)施時(shí)，首層不應(yīng)考慮施工荷載，但頂層蓋板仍應(yīng)考慮預(yù)留塔吊荷載等。

1.3 結(jié)構(gòu)接口預(yù)留應(yīng)考慮遠(yuǎn)期TOD上蓋物業(yè)開發(fā)的可實(shí)施性

車輛段屬于工業(yè)建筑，上蓋物業(yè)開發(fā)屬于民用建筑，考慮兩者間管理界限的清晰，車輛段與上蓋物業(yè)的交通組織需分開各自單獨(dú)考慮。因此，上蓋物業(yè)與地鐵如何銜接是在地鐵車輛段TOD上蓋中重點(diǎn)要研究的技術(shù)內(nèi)容。在車輛段設(shè)計(jì)中，需結(jié)合物業(yè)開發(fā)方案，預(yù)留接至蓋上的交通設(shè)施設(shè)置的條件，包括設(shè)施的位置、后期物業(yè)開發(fā)施工時(shí)的可實(shí)施性等。因車輛段在設(shè)計(jì)、施工過程中，物業(yè)開發(fā)方案有繼續(xù)調(diào)整的可能，原預(yù)留條件一旦成形則無法更改，所以上蓋預(yù)留結(jié)構(gòu)接口條件等研究需在車輛段設(shè)計(jì)階段提前落實(shí)穩(wěn)定。

1.4 結(jié)構(gòu)預(yù)留設(shè)計(jì)存在結(jié)構(gòu)超限工作的前置性

TOD上蓋開發(fā)通常均存在結(jié)構(gòu)超限情況，其主要原因包括以下2點(diǎn)：

（1）上蓋物業(yè)大多為小開間軸線布置的住宅與辦公樓等，柱網(wǎng)及開間尺寸大部分為3.3～5.4m×5.1～6m，由于建筑功能的要求，蓋下一般設(shè)有停車場、列檢庫、運(yùn)用庫等，因此蓋下結(jié)構(gòu)均是柱網(wǎng)較大的廠房，柱網(wǎng)尺寸一般為 7.2～8.4m×12～18m。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于上蓋物業(yè)與下層廠房的柱網(wǎng)難以保證對齊，上部樓層的豎向構(gòu)件不能直接連續(xù)貫通落地，需要在結(jié)構(gòu)改變的位置布置水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件即轉(zhuǎn)換層來完成對上、下不同柱網(wǎng)，不同開間的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，并合理解決豎向結(jié)構(gòu)的突變使得豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)問題，同時(shí)由于蓋上結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件不能直接落地，因此蓋上與蓋下結(jié)構(gòu)存在剛度突變與承載力突變，這樣會(huì)直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)軟弱層與薄弱層并存的問題。

車輛段上蓋超限不規(guī)則項(xiàng)通常集中體現(xiàn)在以下幾項(xiàng)：扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)、剛度突變、構(gòu)件間斷、承載力突變。

（2）根據(jù)已建成TOD上蓋物業(yè)的車輛段使用來看，伸縮縫處是建筑防水的最薄弱環(huán)節(jié)，而且由于建筑功能要求，這類建筑要求盡量少設(shè)縫，這樣必然會(huì)出現(xiàn)大底盤多塔樓問題，以及大底盤與上蓋結(jié)構(gòu)底層的形心存在較大偏心的問題，即塔樓偏置問題，塔樓偏置會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，影響結(jié)構(gòu)的安全以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的正常使用。

由上述可知，帶上蓋車輛段結(jié)構(gòu)存在轉(zhuǎn)換層、豎向剛度突變、多塔、塔樓偏置等諸多復(fù)雜因素。作為超限高層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增加抗震性能設(shè)計(jì)，在蓋下設(shè)計(jì)階段需提前進(jìn)行結(jié)構(gòu)超限預(yù)審查工作，以保證蓋下結(jié)構(gòu)預(yù)留的合理性和可靠性。

2、TOD上蓋開發(fā)結(jié)構(gòu)預(yù)留重難點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)體系布置方案的確定及要求

由于車輛段功能的要求，車輛段多為高大空間，一般停車列檢庫，結(jié)構(gòu)層的層高約為10～11m，檢修庫更是達(dá)到了約14m，而上蓋開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)層的層高一般為3m，小汽車庫最高約6m，上下層層高相差大，造成結(jié)構(gòu)剛度的突變，容易在首層同時(shí)形成薄弱層及軟弱層。另外車輛段由于受軌道、行車及檢修等功能限制，對限界要求嚴(yán)格，造成上部物業(yè)開發(fā)的結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件無法直接落地，尤其是垂直軌道方向的剪力墻基本無法落地，存在較多的上部豎向構(gòu)件轉(zhuǎn)換甚至二次轉(zhuǎn)換的情況。

因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在滿足建筑功能要求的基礎(chǔ)上，選用合適的結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)類型，具體原則如下：

（1）上蓋塔樓剪力墻、柱轉(zhuǎn)換方案，應(yīng)根據(jù)各個(gè)車輛段的具體情況制定轉(zhuǎn)換方案，原則上在不影響車輛段使用要求時(shí)，上蓋塔樓的剪力墻盡量落地，能不轉(zhuǎn)換則不轉(zhuǎn)換，能少轉(zhuǎn)換則少轉(zhuǎn)換。當(dāng)上蓋塔樓的剪力墻、柱無法避開車輛段的軌道、庫房、消防車道等使用功能，必須進(jìn)行豎向結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換時(shí)，盡量采用低位轉(zhuǎn)換，因?yàn)閺耐两ǔ杀究紤]，在首層蓋板轉(zhuǎn)換的土建成本要比在二層蓋板轉(zhuǎn)換的低。但考慮到車輛段使用空間的凈高要求、綜合管線布置等要求，往往不允許在首層蓋板進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，此時(shí)只能在二層蓋板進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。上部物業(yè)開發(fā)方案的靈活可調(diào)性及對車輛段影響最小化的角度出發(fā)，二層蓋板進(jìn)行轉(zhuǎn)換更為適宜。

（2）充分考慮項(xiàng)目車輛基地蓋板及上蓋物業(yè)在開發(fā)、設(shè)計(jì)、施工等各階段的有效銜接和使用的經(jīng)濟(jì)性，合理利用地形條件制定相關(guān)技術(shù)措施。

（3）除滿足建筑要求外，剪力墻、柱布置應(yīng)做到經(jīng)濟(jì)合理，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度不得過大，剪力墻、柱軸壓比在滿足規(guī)范要求前提下盡量均勻且不得過小，盡量接近規(guī)范上限，盡量少采用短肢剪力墻，以免增加配筋量。

（4）大跨度的屋蓋視實(shí)際需要可采用鋼結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土等。

（5）蓋板宜優(yōu)先選用單向板結(jié)構(gòu)體系，次梁垂直軌道方向。

（6）咽喉區(qū)蓋板應(yīng)盡量加大柱距，減少框架柱數(shù)量，盡量滿足咽喉區(qū)行車瞭望安全距離要求。

（7）多塔樓結(jié)構(gòu)宜按整體模型和塔樓分開的模型分別計(jì)算。當(dāng)塔樓周邊的裙樓超過兩跨時(shí)，分塔樓模型宜至少附帶兩跨的裙樓結(jié)構(gòu)。

2.2 結(jié)構(gòu)荷載預(yù)留應(yīng)全面考慮各工況條件進(jìn)行綜合分析

除特別規(guī)定外，荷載應(yīng)按現(xiàn)行荷載規(guī)范取值。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對承載力極限狀態(tài)和正常使用狀態(tài)分別進(jìn)行（效應(yīng)）組合，并應(yīng)取各自最不利的效應(yīng)組合進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，并考慮活載不利布置。施工荷載（塔吊荷載及施工車道荷載除外）及調(diào)蓄蓄水荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.0。

首層蓋板（遠(yuǎn)期為上蓋物業(yè)車庫層），結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)按照兩個(gè)階段的工況進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)：

2.2.1 臨時(shí)屋面階段

荷載類型：臨時(shí)屋面附加恒載、溫度荷載、消防車荷載、施工荷載、調(diào)蓄蓄水荷載（可不與施工荷載組合）、風(fēng)荷載、地震荷載、蓋下車輛基地荷載要求（如風(fēng)機(jī)、天車、綜合支吊架、接觸網(wǎng)）等。

受力模型：單層蓋板。

2.2.2 使用階段

荷載類型：車庫層樓面附加恒載、溫度荷載、車庫樓面活載、消防車荷載、施工荷載（如后續(xù)建設(shè)需要）、上蓋物業(yè)預(yù)留荷載、風(fēng)荷載、地震荷載、蓋下車輛基地荷載要求等；

受力模型：包含遠(yuǎn)期上蓋開發(fā)部分的完整模型，建議在塔樓內(nèi)額外考慮一層架空層荷載（用于處理覆土蓋板處的室內(nèi)外高差）。

2.3 蓋板結(jié)構(gòu)分縫設(shè)置原則

（1）有上蓋高層建筑的蓋板，在滿足蓋下需求的前提下，應(yīng)結(jié)合上蓋高層建筑布置分縫，盡量避免塔樓嚴(yán)重偏置，且分縫應(yīng)考慮蓋下庫房布置位置，盡量避免分縫位于庫房及單體內(nèi)。同時(shí)蓋板分縫后的單個(gè)結(jié)構(gòu)單元內(nèi)應(yīng)盡量保證上蓋建筑結(jié)構(gòu)形式一致、建筑高度相近。

（2）蓋板變形縫的設(shè)置，根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，框架結(jié)構(gòu)露天工況的伸縮縫最大間距為35m，蓋板若按此構(gòu)造規(guī)范進(jìn)行變形縫的留設(shè)會(huì)出現(xiàn)大量的變形縫，導(dǎo)致土建的成本增加，建議通過計(jì)算合理進(jìn)行變形縫的設(shè)置，即通過溫度應(yīng)力的分析計(jì)算來指導(dǎo)變形縫的設(shè)置，避免變形縫設(shè)置過多所帶來的使用不便及成本增加的不利影響。蓋板分縫間距建議取150～200m。且應(yīng)按規(guī)范要求設(shè)置后澆帶，設(shè)置間距可取30～40m，帶寬 800～1000mm，鋼筋采用搭接接頭，后澆帶混凝土宜滯后45d以上澆筑。

（3）對于變形縫處，盡量不要布置雙柱，采用兩邊向變形縫懸挑的形式，如果懸挑跨度太大，考慮變形縫接水槽施工不便的問題，建議變形縫雙柱凈距取800mm。變形縫處雙柱宜采用同類型柱，應(yīng)盡量避免一側(cè)為方柱、一側(cè)為圓柱。

3、TOD上蓋開發(fā)不同結(jié)構(gòu)預(yù)留體系對比分析

根據(jù)對全國各地鐵車輛段TOD上蓋開發(fā)項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)，其結(jié)構(gòu)體系主要有以下幾種預(yù)留方案：（1）框架結(jié)構(gòu)。（2）剪力墻結(jié)構(gòu)。（3）部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)。（4）層間隔震結(jié)構(gòu)。（5）全框支剪力墻結(jié)構(gòu)。

3.1 框架結(jié)構(gòu)

在工藝及限界允許范圍布置框架轉(zhuǎn)換柱，上蓋建筑采用框架結(jié)構(gòu)托柱轉(zhuǎn)換，無須設(shè)置落地剪力墻。一般在上蓋開發(fā)強(qiáng)度較低，開發(fā)高度能滿足框架結(jié)構(gòu)A級(jí)高度情況下，結(jié)構(gòu)體系可采用框架結(jié)構(gòu)。如蓋上的公共建筑部分，包括學(xué)校、幼兒園等。轉(zhuǎn)換形式一般為托柱轉(zhuǎn)換，而此類結(jié)構(gòu)體系滿足高規(guī)中框架結(jié)構(gòu)的對應(yīng)要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對簡單，缺點(diǎn)是當(dāng)上蓋為住宅或公寓時(shí)，框架結(jié)構(gòu)的梁柱會(huì)影響上蓋的使用效果。

3.2 剪力墻結(jié)構(gòu)

軌道間預(yù)留約30m寬白地范圍，以布置高層建筑，在此范圍內(nèi)不布置列車軌道。此布置方法在增加少量用地的情況下解決了高層建筑與軌道在空間上的矛盾，可不用進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所有墻柱全部落地。該方案優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)性好，不用轉(zhuǎn)換，且戶型基本不受軌道影響，可靈活布置。缺點(diǎn)是會(huì)占用車輛段用地面積，軌道布置需避開塔樓投影范圍。

3.3 部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)

下圖中陰影部分為工藝及限界允許范圍，盡量在每條線路之間均設(shè)置可布置結(jié)構(gòu)柱（墻）位置，中間為列車位置，布置的基本思路是使電梯間形成的核心筒直接落地，其余剪力墻盡可能多的落地，上部住宅剪力墻僅個(gè)別需要轉(zhuǎn)換，這樣，上蓋開發(fā)高層建筑基本能滿足部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)要求，可按高規(guī)的部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該方案優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)于高強(qiáng)度的車輛段上蓋開發(fā)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對常規(guī)，缺點(diǎn)是軌道對上部戶型影響較大，只有特定的戶型，才能滿足極少轉(zhuǎn)換的要求，二級(jí)開發(fā)建筑方案靈活性大大降低。

3.4 層間隔震結(jié)構(gòu)

一般在車輛段蓋板頂部設(shè)置隔震層，將車輛段上蓋結(jié)構(gòu)與蓋板采用隔震支座連接。該結(jié)構(gòu)形式優(yōu)點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)換層上、下部結(jié)構(gòu)由隔震層分開成為兩個(gè)相對獨(dú)立的結(jié)構(gòu)體，不會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)剛度突變產(chǎn)生應(yīng)力集中給結(jié)構(gòu)造成不利影響，因此隔震層以下框支層的剛度可適當(dāng)降低，提供更大的建筑空間，底部大空間的布置可更靈活。（2）上部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)減小，同時(shí)隔震層上部結(jié)構(gòu)抗震措施可降低一度，節(jié)約工程造價(jià)。缺點(diǎn)：（1）增加了一個(gè)隔震層（約1.5m），結(jié)構(gòu)多一層梁板。（2）隔震層上下的設(shè)備管線等需采取相應(yīng)的措施，如需采用柔性連接。

目前設(shè)防烈度為 8 度的地區(qū)，車輛段上蓋多采用隔震結(jié)構(gòu)，如北京的五路車輛段上蓋、西平府車輛段上蓋。7 度區(qū)也有采用隔震結(jié)構(gòu)的案例，如徐州杏山子車輛段上蓋等。然而，在低烈度區(qū)，由于隔震結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性不明顯，甲方往往不愿意采用隔震結(jié)構(gòu)的形式。

3.5 全框支剪力墻結(jié)構(gòu)

在多數(shù)情況下，車輛段布置不能完全滿足采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)的條件，且隨著市場對上蓋住宅品質(zhì)追求逐漸提升，而部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)存對二級(jí)開發(fā)戶型靈活性限制等缺點(diǎn)，漸漸難以滿足車輛段上蓋開發(fā)的需求。全框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系[2]應(yīng)運(yùn)而生，該結(jié)構(gòu)體系上蓋塔樓剪力墻全部在蓋板頂轉(zhuǎn)換，蓋下全部采用框支柱。此種結(jié)構(gòu)形式優(yōu)點(diǎn)：（1）因?yàn)闊o剪力墻落地，所以對蓋下建筑、工藝及軌道的布置影響更小。（2）二級(jí)開發(fā)時(shí)的蓋上戶型不受已經(jīng)施工的落地剪力墻限制，可以靈活地調(diào)整，若采用厚板轉(zhuǎn)換，則建筑戶型調(diào)整的靈活性更高。缺點(diǎn)：（1）全框支剪力墻結(jié)構(gòu)為現(xiàn)行國家規(guī)范所列體系之外的一種新結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)分析較為復(fù)雜，但已納入廣東省高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中[3]。（2）需保證蓋下豎向構(gòu)件及轉(zhuǎn)換層具有足夠的剛度和強(qiáng)度，框支柱、轉(zhuǎn)換梁（厚板）截面較大，經(jīng)濟(jì)性略差。

全框支剪力墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層可采用梁式轉(zhuǎn)換、厚板轉(zhuǎn)換、桁架轉(zhuǎn)換或箱式轉(zhuǎn)換。

3.6 不同結(jié)構(gòu)預(yù)留體系對比

幾種車輛段TOD上蓋開發(fā)結(jié)構(gòu)預(yù)留體系對比及適用情況如表1所示：

表1 車輛段TOD上蓋開發(fā)結(jié)構(gòu)預(yù)留體系對比表

結(jié)語：

綜上所述，地鐵車輛段TOD上蓋開發(fā)結(jié)構(gòu)預(yù)留，涉及上部建筑與下部建筑的相互銜接關(guān)系，體現(xiàn)在對整體結(jié)構(gòu)的布置和計(jì)算進(jìn)行全面考量，以保證下部結(jié)構(gòu)預(yù)留的合理性，以及后續(xù)上蓋開發(fā)的可實(shí)施性。在工程項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)階段統(tǒng)籌結(jié)構(gòu)預(yù)留工作，可以為整個(gè)項(xiàng)目帶來更大的自由度，對于控制整個(gè)工程項(xiàng)目開發(fā)成本具有重要的意義。