地下车库顶楼盖结构形式的经济性对比分析

黄明波

【摘要】在常用的几种地下车库顶楼盖结构形式里，在满足安全合理的前提下，何种结构形式更为经济，成为地下车库楼盖结构选型的关键。本文应用PKPM计算软件对地下车库顶楼盖结构形式进行计算分析对比，并选取顶板覆土厚度、层高、跨度等主要影响因素进行经济性优选分析，便于日后实际工程设计选取适合的顶板楼盖结构形式。

【关键词】楼盖结构形式；十字梁；井式梁；大板主梁；经济性分析

中图分类号：TU318.2 文献标识码：A

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021. 26.063

1、引言

地下车库顶楼盖结构形式一般有大板、无梁楼盖、井式梁、十字梁、单向次梁、空心楼盖等。影响地下车库顶楼盖结构形式的因素主要有：埋深、层高、楼板厚度、柱网尺寸、顶板覆土厚度、施工荷载、消防车荷载、人防等级、吊挂荷载等。在常用的几种楼盖结构形式里，何种结构形式布局更合理，更经济，将成为地下车库楼盖结构选型的关键。根据大量工程统计数据，地下车库顶楼盖结构的材料用量最大，不论是混凝土还是钢筋用量都占到总用量50%左右甚至更多（举例见下表1）。

注：（1）以下各表的材料用量统计，均为直接材料用量或成本，均未含损耗、措施等费用。

（2）钢筋价格按3000元/t；混凝土价格按350元/m3。

2、主要分析内容

由于无梁楼盖结构安全冗余度和延性较低，且近年无梁楼盖地下车库工程事故频发，故本文仅选用了有梁楼盖进行分析。又主梁+单向次梁（下文简称：单向次梁）此布置形式会使得一个方向的主梁截面过大，通长用在两个跨度相差较大的车库。为此，本文仅选取主梁+十字次梁（下文简称：十字梁）、主梁+井字次梁（下文简称：井式梁）、主梁+大板（下文简称：大板主梁）等三种梁板结构形式进行分析。分析和比较几种楼盖在不同的跨度和不同的荷载下的经济性，为了满足车库的使用要求，选用的常用的柱距分别为7.8m×7.8m，8.1m×8.1m，8.4m×8.4m等三种跨度，附加荷载选用0.6m～2.0m覆土之间的形式，在经济性比较过程中，并考虑土方开挖的因素。

通过对几种楼盖的经济性进行比较，结合安全性考虑，尤其是有梁楼盖的比较，最后得出结论，在什么样的柱距、荷载下选用哪种楼盖是较为经济的，可以方便设计人员在设计地下车库楼盖之前作为参考，并进行定量化的概念设计，使得选取的楼盖形式合理经济且缩短设计周期。

3、工程概况

本文算例均按设计基准期为50年，设计使用年限为50年；抗震设防分类为丙类，基本抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第一组[1]，框架抗震等级为四级；计算模型中不考虑风荷载。根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012表5.1.1项次8和附录B进行消除车荷载考虑板跨、覆土厚度影响的折减[2]。构件混凝土强度等级为C40，钢筋等级为HRB400。

顶板最小厚度要求：《地下工程防水技术规范》第4.1.7条规定地下工程防水混凝土结构厚度不应小于250mm[3]。

顶板最小配筋率要求：《混凝土结构设计规范》第8.5.1条规定板类受弯构件的受拉钢筋，当采用强度等级400MPa的钢筋时，其最小配筋率百分率应允许采用0.15和45ft/fy中的较大值[4]。

由于时间和篇幅有限，本文仅选取顶板覆土厚度、层高、跨度等主要影响因素进行优选分析研究，也作为日后更多的方案优选的一个方法参考。

假定地下车库比选方案有以下的相同设计条件：位于邯郸市内，柱网8.1m×8.1m，10跨×10跨，层高均为3.9m（均需满足净高大于2.2m）。选取不同的顶板覆土厚度（0.6m、1.2m、1.8m）、不同的消防车荷载（根据结构板跨和覆土调整），顶板结构形式依次取十字梁、井式梁、大板主梁等三种结构形式，每种结构型式计算三套方案（构件截面不同），总共需计算3×3×2=18个模型[5]。

4、地下车库顶楼盖结构形式的优选分析

本算例计算采用了PKPM2010V4.3系列进行计算分析。

根据上文论述，对多种结构形式地下车库顶板结构进行模型设计。选取柱网尺寸，分别为7.8m×7.8m、8.1m×8.1m、8.4m×8.4m，均为10×10跨，四周设置地下外墙。

根据覆土厚度和板跨不同考虑消防车荷载确定荷载折减，仅布置在部分板跨中。

从每种结构型式的三种方案中选出最优的一种，绘制出墙柱梁板配筋图（不含基础），统计出钢筋量、混凝土量的单位面积材料用量，以此找出不同覆土厚度下最经濟的结构型式。统计结果见表2～5。

从统计结果表2可见，所有方案的混凝土用量相差不大，但用钢量相差较大。单位面积材料用量十字梁最小，井式梁次之，大板主梁最大。可见覆土厚度在2m以内，十字梁布置最为合理。当覆土厚度较小时（<1.0m），大板主梁的经济性更突出。

选取表2中方案2十字梁，进行更进一步的分析研究，即：选取不同的顶板覆土厚度（0.6m、0.8m、1.0m、1.2m、1.4m、1.6m、1.8m），统计结果见表3。由此可见，每减小0.10m覆土厚度，可以减少钢筋约2kg/m2（混凝土用量均相同）。覆土厚度直接影响结构设计结果，而地下车库顶板的覆土厚度一般根据三点确定。首先，地下室顶板覆土厚度应结合景观方案精细化设计，不同种植区域覆土厚度应不同。也可采用树池或堆土来种植，目的是尽量减少覆土荷载优化成本。其次，如采用覆土种植，建议覆土厚度为：种植大树处覆土局部1200mm高，普通乔木处800mm，草坪一般300～400mm高。第三，方案阶段，给排水专业应给出排水方案，根据水管布置长度及上方有无行车情况确定所需覆土厚度，进行局部调整。因此有必要在方案阶段或者初设阶段，建筑和规划专业、景观专业对覆土厚度做比较精细的确定，有利于控制成本。

仍选取表2中方案2十字梁，在满足净高要求2.2m的前提下，选取不同的层高（3.6～4.2m）作为影响因素，统计结果见表4。可见，增加层高单位面积材料用量增加不大，但可增加净高和车库使用的舒适度，当然也会增加一定的模板量和土方量等。

最后选取表2中方案2十字梁，在满足每跨停放车辆为3辆的前提下，选取不同的跨度（7.8m、8.1m、8.4m）作为影响因素，统计结果见表5。可见，每增加跨度0.1m，单位面积混凝土用量基本不变，但钢筋用量增加约0.82kg/m2，但可增加车库使用的舒适度，当然也会增加一定的模板量和土方量等。

5、结语和展望

本文重点讨论了影响地下车库顶板结构形式的主要因素：层高、柱网、地下室顶板覆土、消防车荷载等。设计人员应该在方案确定时深刻推敲各因素，以降低项目的整体成本，提高项目效益。根据以上的计算对比结果，总结如下：

（1）所有方案的混凝土用量相差不大，但用钢量相差较大。单位面积材料用量十字梁最小，井式梁次之，大板主梁最大。可见覆土厚度在2m以内，十字梁布置最为合理。当覆土厚度较小（<1.0m）或跨度较小（<6.0m）时，大板主梁的經济性更突出；

（2）每减小0.10m覆土厚度，可以减少钢筋约2kg/m2（混凝土用量均相同）；

（3）增加层高单位面积材料用量增加不大，但可增加净高和车库使用的舒适度，当然也会增加一定的模板量和土方量等；

（4）每增加跨度0.1m，单位面积混凝土用量基本不变，但钢筋用量增加约0.82kg/m2，但可增加车库使用的舒适度，当然也会增加一定的模板量和土方量等。

本文仅选取顶板覆土厚度、层高、跨度等主要影响因素进行优选分析研究，后续研究还可以从以下几方面进行：第一、可以根据不同的层数、混合柱网、施工荷载、人防等进行更进一步比选；第二、还可对普通无梁楼盖及现浇空心无梁楼盖作更多研究；第三、增加更多的比选结果，如土方开挖、基础、模板、净空等；第四、将上述各影响因素以列表或者图表的形式直观表达，方便设计选取；第五、其他专业如水专业、景观专业、道路等综合管线的影响。

参考文献：

[1]建筑抗震设计规范（2016年版）：GB50011-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]建筑结构荷载规范：GB50009-2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3]地下工程防水技术规范：GB50108-2008[S].北京：中国计划出版社，2008.

[4]混凝土结构设计规范（2015年版）：GB 50010-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[5]许爱国.地下车库顶板在不同楼盖结构形式下的经济性对比分析[J].四川建筑，2017.06，第37卷3期，245-249.