小柱网地下室顶板结构设计多方案比选分析

刘付华,方伟明,史坤峰,陈伯平，覃银辉

（1.中机国际工程设计研究院有限责任公司，长沙 410004;2.中国建筑第五工程局有限公司,长沙 41004; 3.中南林业科技大学土木工程与力学学院,长沙 410004）

小柱网地下室顶板结构设计多方案比选分析

刘付华1,方伟明1,史坤峰1,陈伯平2，覃银辉3

（1.中机国际工程设计研究院有限责任公司，长沙 410004;2.中国建筑第五工程局有限公司,长沙 41004; 3.中南林业科技大学土木工程与力学学院,长沙 410004）

论文就小柱网情况下地下室顶板结构方案优化比选;小柱网情况下地下室顶板在有消防车和没有消防车荷载作用下结构方案对比及小柱网和大柱网情况下地下室顶板结构方案对比等3方面对小柱网情况下的地下室顶板结构方案进行了分析,绘制详细施工图并进行工程量和经济指标的计算。从地下室净高、经济指标、施工情况等多方面综合分析各个方案的优缺点，为在实际项目应用时选择最优的地下室顶板方案及柱网提供参考。

小柱网；大柱网；消防车荷载；地下室顶板结构方案；经济指标

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

1 引言

最近15a国内房地产市场不断扩大发展，地下室尤其是大型住宅小区的地下室面积也在不断增加，地下室的结构设计往往是业主方着重关注的重点，尤其是竞争日趋白日化的房地产市场，成本控制是地产公司考核设计院设计质量的一个重要指标。其中，地下室顶板结构设计考虑以下2个方面因素成为地下室设计中的一个重点和难点：其一，所受荷载大，包括覆土、消防车荷载及人防荷载，所用材料多；其二，受设备专业空间要求限制，地下室层高要求较高，地下室顶板的造价在整个地下室中占较大比重，因此，业主方尤其是国内大型地产公司往往要求设计方在初步设计阶段进行地下室顶板结构多方案的优化比选。

目前，国内就此方面的研究也比较多，有认为综合考虑造价、施工、结构性能等因素，认为地下室顶板采用无梁楼盖方案和加腋梁板方案相比于传统的主次梁结构方案具有更加广泛的应用前景[1]。有对4种不同梁截面的普通梁板楼盖与无梁空心楼盖做了详细分析，比较了各方案的优缺点[2]；有认为无梁楼板时可降低层高，减小地下室埋深，有明显的综合经济效益[3]。以上关于地下室顶板的结构设计方案比选均是建立在柱网尺寸为8.1mm×8.1mm左右的情况下，即考虑一个柱网停3台小车（本文统称为大柱网）的情况下，然而对一个柱网停2台小车的情况（本文统称为小柱网）研究分析较少，本文就以下3个方面进行了研究:小柱网情况下地下室顶板结构方案优化比选、小柱网情况下地下室顶板在有消防车和没有消防车荷载作用下结构方案对比分析及小柱网和大柱网情况下地下室顶板结构方案对比分析研究。

2 小柱网情况下顶板方案优化比选分析

2.1 方案基本情况

方案制定依托长沙某项目的非人防地下室进行,地下室为停车库，层数为1层，层高为3.6m，东西向长约400m，南北向长约100m，标准柱网尺寸为5.4m×5.4m，局部5.4m×6.1m，建筑面积约34000m2,地库上部分布着19栋7层的多层建筑住宅，多层住宅为异型柱框架-剪力墙结构，主体结构设计使用年限50a，上部结构嵌固端在地下室顶板。地下室顶板覆土厚度1.5m，恒载取值27kN/m2;活荷载考虑消防车荷载，且考虑1.5m厚覆土按《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）附录B进行折减。本工程抗震设防类别为标准设防类，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，水平地震影响系数αmax=0.04，设计特征周期Tg=0.35s；设计地震分组为第一组；建筑场地类别为Ⅱ类。主楼抗震等级为三级，抗震基本参数见表1。本工程基本风压：0.35kN/m2，地面粗糙度类别为B类，基本雪压：0.45kN/m2（50a一遇），建筑结构的安全等级为二级。

表1 抗震基本参数

2.2 各个方案拟定及主要构件参数

2.2.1 各个方案的拟定

地下室标准柱网为5.4m×5.4m，研究时按长、宽方向均为5跨进行计算，主要研究普通地下室顶板采用以下3种结构形式的优缺点及主要经济指标。方案1：仅设置框架主梁的大板方案；方案2：设置框架主梁和1根次梁的“十字梁”方案；方案3：普通无梁楼盖方案。柱子基本截面尺寸为400mm× 600mm，梁板混凝土标号为C35，各个方案的布置简图见图1。

图1 各个方案简图

2.2.2 各种方案主要构件参数情况

各个方案的重要结构构件参数统计见表2。

表2 小柱网情况下有消防车、无人防荷载时顶板方案选型比较（参数）

2.3 各方案施工图绘制及工程量计算

因图幅较大，施工图在此省略。

根据各个方案，计算各个方案的工程量和综合经济指标，见表3和表4。

2.4 各方案比选分析

从地下室净高考虑，此工程地下室层高3.6m，扣除梁高和板厚后，地下室结构净高见表5。假设设备管线要求占用梁或板下0.6m高度，扣除设备管线高度后地下室建筑高度汇总见5。

表3 小柱网情况下有消防车、无人防荷载时顶板方案选型比较（工程量）

表4 小柱网情况下有消防车、无人防荷载时顶板方案选型比较（经济指标）

表5 各个方案建筑及结构净高

从表5可知，根据《车库建筑设计规范》（JGJ100—2015）[4]4.2.5及4.3.6条，方案一（大板）、方案二（十字梁）、方案三（普通无梁楼板）的建筑和结构高度均能达到规范要求。方案三（普通无梁楼板）则有较高的结构高度和建筑高度，地下室无压抑感，使用舒适；从模板指标来看，方案三（普通无梁楼板）支模工程量比较少，能大大节约施工周期，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（普通无梁楼板）的含钢量为42.309kg/m2,相比方案一（大板）、方案二（十字梁）分别少34.298kg/m2、16.512kg/m2,为含钢量最省方案。

从每平方米的综合单价来看，方案三（普通无梁楼板）为 470.32元/m2,相比方案一 （大板）、方案二 （十字梁）分别少107.11元/m2、57.50元/m2,节约造价非常明显，以此地下室为例，使用无梁楼盖部分的地库面积约为12 000m2，方案三相比方案一和方案二能节约总造价约128.5万元、69.00万元。

3 小柱网情况下有消防车和没有消防车荷载作用下对比分析

3.1 方案基本情况

基本情况同“小柱网情况下顶板方案优化比选分析”,考虑地下室除消防车道和消防扑救面需要考虑消防车荷载外，其余位置一般不考虑消防车荷载，本方案在研究“小柱网情况下顶板方案优化比较分析”的情况下取消了消防车荷载，改用普通活荷载为5kN/m2。

3.2 各个方案拟定及主要构件参数

各个方案的重要结构构件参数统计见表6。

表6 小柱网情况下无消防车、无人防荷载时顶板方案选型比较（参数）

3.3 各方案施工图绘制及工程量计算

因图幅较大，总工程量和施工图在此省略。

根据各个方案，计算其各个方案的综合经济指标见表7。

表7 小柱网情况下无消防车、无人防荷载时顶板方案选型比较（经济指标）

3.4 比选分析

从表7和表4数据对比来看，和有消防车情况比较，无消防车荷载作用下，方案1（大板体系）、方案2（十字梁体系）和方案3（无梁楼盖体系）单位造价降低了137.87元/m2、98.76元/m2、46.31元/m2。

从表7可以看出，小柱网情况下无消防车荷载时，采用无梁楼盖体系仍然是最节约的方案，相比方案1（大板体系）和方案2（十字梁体系）仅节约15.55元/m2和5.05元/m2。相比有消防车荷载作用时最省方案3（无梁楼盖体系）比最贵方案1（大板体系）少107.11元/m2，节约幅度大大减少，说明在无消防车荷载作用的情况下，无梁楼盖体系方案在经济性方案的优越性难以得到体现。但采用方案3（无梁楼盖体系），建筑、结构净高仍最高，有地下室层高压缩空间，能从地下室墙、柱工程量减少及降低了底板抗浮水位等多方面节约地下室造价。

4 小柱网和大柱网情况下3个方案对比分析研究

4.1 方案基本情况

方案基本情况同“小柱网情况下顶板方案优化比选分析”，只是增加了人防荷载作用。

4.2 各个方案拟定及主要构件参数

地下室标准柱网为7.8m×8.1m，研究时按长、宽方向均为5跨进行计算，主要研究普通地下室顶板采用以上3种结构形式的优缺点及主要经济指标。柱子基本截面尺寸为550mm×550mm，梁板混凝土标号为C35，各个方案的布置简图见图2，各个方案的重要结构构件参数统计见表8和表9。

图2 大柱网基本方案

表8 小柱网情况下有消防车、有人防荷载时顶板方案选型比较（参数）

表9 大柱网情况下有消防车、有人防荷载时顶板方案选型比较（参数）

4.3 各方案施工图绘制及工程量计算

根据各个方案，计算其综合经济指标，见表10和表11（总工程量省略）。

表10 小柱网情况下有消防车、人防荷载时顶板方案选型比较（经济指标）

表11 大柱网情况下有消防车、人防荷载时顶板方案选型比较（经济指标）

4.4 比选分析

由表8和表9可知，大柱网情况下，根据《车库建筑设计规范》（JGJ100-2015）4.2.5及4.3.6条，采用方案1（大板体系）、方案2（十字梁体系）时地库最少层高需要0.9+2.2+0.6=3.7m，比小柱网情况下增加0.1m。

通过表10和表11可以看出，和大柱网相比，小柱网情况下采用方案1（大板体系）、方案2（十字梁体系）、方案3（无梁楼盖体系）分别节约了124.9元/m2、67.35元/m2、49.47元/m2，扣除柱子根数的增加费用，节约是十分明显的。

5 结论及建议

根据上述对楼盖方案的对比分析，得出以下结论和建议：

1）小柱网情况下，有消防车、无人防荷载作用时，地下室顶板采用方案三（普通无梁楼板），结构净高较高，每平方米造价最省，可作为小柱网地下室顶板楼盖方案的首选方案。

2）无消防车、无人防荷载作用下，小柱网情况下地下室顶板采用方案三（普通无梁楼板）仍然是最节约的方案，只是和方案1（大板体系）、方案2（十字梁体系）相比减少幅度有限，但考虑地下室净高等因素，建议采用优选方案三（普通无梁楼板）。

3）和大柱网相比，当有消防车、有人防荷载作用时，小柱网情况下地下室顶板采用方案1（大板体系）、方案2（十字梁体系）、方案3（无梁楼盖体系）都能节约造价，小柱网用钢量少，能有效降低地下室顶板施工难度，建议根据主楼柱网优先布置小柱网。

4）根据《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）[5]6.1.14条及《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）[6]3.6.3条，的相关范围的顶板应采用现浇梁板结构”，根据此条及参考文献[7]对地下室顶板作为上部结构嵌固部位时的相关分析，当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位，又想采用方案三（普通无梁楼板）时，最好在方案阶段和初步设计阶段提前和施工图审查中心沟通，保证方案的顺利实施。

【1】徐建明.地下室顶板结构多种方案的经济分析[J].建筑与结构设计, 2012（1）:111-113.

【2】张圣海，覃维.某工程8.1×8.1柱网地下室顶板楼盖方案结构选型[J].四川建筑，2012（4）:169-171.

【3】李国胜，闫颖.高层建筑地下室及地下车库结构选型的经济比较[C].第十九届全国高层建筑结构学术会议论文，2006.

【4】JGJ100—2015车库建筑设计规范[S].

【5】GB50011—2010建筑抗震设计规范[S].

【6】JGJ3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].

【7】朱炳寅.高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析[M].北京：中国建筑工业出版社，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

中机国际工程设计研究院有限责任公司2015年度科研业务建设立项项目（201504）

刘付华（1980～），男，湖南娄底人，高级工程师，从事结构设计与研究，（电子信箱）285455701@qq.com。