地下室结构优化设计及经济性分析

文／韦彬 华蓝设计（集团）有限公司 广西南宁 530001

引言：

近年来，随着人民生活水平的逐步提高，城市化进程的不断推进，城市人口密度不断增加，城市汽车保有量快速攀升，对地下室停车库的需求也在不断增加。而另一方面，地下室建设过程中，较地上建筑，多出土方开挖工程、基坑支护工程，且防水工程巨大等，造成地下室建设成本远高于地上建筑建设成本，而对于欠发达城市，地下室的价值一般较低且销售难度相对较大，一般盈利水平较低，所以，地下室成本的控制，很大程度上影响建设项目的经济效益。而地下室成本的控制，很大程度上取决于结构成本的控制，而结构成本的控制，一般主要体现在结构方案对地下室利用率的影响、地下室柱网的选择、地下室楼盖体系的选择、地下室层高的选择、抗浮方案、基础方案的选择等几方面。本文就围绕上述几方面，以实际工程为案例，分析和总结如何在地下室结构设计过程中，各结构方案和处理措施的选择。

1、工程概况

某高层住宅小区地下室为一层，建筑面积约32000m2，建筑功能为地下车库及少量设备用房，顶板覆土1.5 米，抗浮水位为地下室顶板标高+0.45 米，抗震设防烈度为7 度，地质情况良好，采用天然独立基础。

2、柱网选择对地下室利用率的影响

地下室设计时，结构柱网的合理性直接影响地下室功能的利用率，地下室柱网应根据具体使用功能合理布置，对于常规的地下室停车库，柱网应根据车位尺寸需求确定，在确保满足停车要求的情况下又不造成空间浪费。目前地下室停车库柱网尺寸主要有7.8 米～8.1 米×7.8 米～8.1 米（常规柱网）、5.1米/6.2 米×7.7 米～8.0 米（小柱网），均为按3 辆小型汽车一个柱网的布置方式，但在垂直于汽车排列方向，在不影响使用的情况下，采用了不同的柱距布置方式，由于地下室顶板往往覆土较厚荷载较大，地下室柱子截面往往较大，而小柱网方案相对于常规柱网方案，柱子承担的荷载范围相对较小，所以柱子截面一般比常规柱网方案小，因此，在满足同等使用标准的情况下，地下室车位利用率相对较高。而相对于常规柱网方案，小柱网方案柱子数量较多，感观上略有不足，所以，确定柱网时，需综合考虑具体项目的档次及经济性要求后在最终确定。本项目所在区域为欠发达地区，品质要求不高，项目属于刚需类住宅项目档次，车位方向柱距满足3 个2.4 米车位宽度要求即可，因此，从成本角度考虑，采用5.1 米/6.2 米×7.7 米的结构柱网，相比8.1 米×8.1 米柱网地下室，本项目节约建筑面积约1900平米，工程造价节约约600 多万。

3、地下室顶板楼盖体系选型

3.1 地下室顶板楼盖体系的分类

地下室顶板楼盖体系，主要分为无梁楼盖及有梁楼盖。由于近年来地下室无梁楼盖多次发生工程事故，对设计及施工质量的要求较高，部位地区已限制地下室选择无梁楼盖，因此，本项目暂不不考虑无梁楼盖体系，而采用常规的有梁楼盖体系。

常见的有梁楼盖体系布置方式有：井字梁或十字梁（次梁）布置方式、单向次梁方式、框架梁+大板布置方式等几类。

3.2 各类地下室结构布置的经济性比较

3.2.1 井字梁或十字梁（次梁）布置方式

适用于7.8 米～8.1 米×7.8 米～8.1 米的柱网尺寸。结构布置如下图1所示：

图1 井字梁或十字梁方式结构布置示意图

此方式的优缺点如下：

优点：(1)通过井字次梁或十字次梁的划分，能够把板划分为较小板块，在1.5 米覆土作用下，板配筋仍较小。(2)次梁较均匀的分到周边框架梁上，框架梁受力较均衡。

缺点：(1)因种植屋面有防水要求，室外地下室顶板厚度不小于250mm，虽然板配筋较小，但板厚的潜力无法有效发挥。(2)次梁集中力较大，造成较大的主梁跨中弯矩，主梁配筋量较大，同时众多次梁也增加了大量梁配筋。（3）纵多次梁造成模板量的增加，同时增加施工措施。

在顶板所承受的荷载较大时（如1.5 米覆土叠加消除车荷载或人防荷载），往往需要两个方向的主梁分担荷载才能控制结构梁尺寸在合理范围内，此时，此布置方式较易发挥出其优势。

3.2.2 单向次梁布置方式

适用于7.8 米～8.1 米×7.8 米～8.1 米的柱网尺寸，结构布置如下图2所示：

图2 单向次梁方式结构布置示意图

此方式的优缺点如下：

优点：（1）板跨较小，板配筋量较小。（2）相对井字次梁或十字次梁的布置方式，减少了梁与梁交叉节点的处理。（3）平行于次梁的主梁截面及配筋较小。（4）利于主楼内外地下室高差的处理。

缺点：（1）因种植屋面有防水要求，室外地下室顶板厚度不小于250mm，虽然板配筋较小，但板厚的潜力无法有效发挥。（2）主梁受力不均衡，支撑次梁的主梁受力大，截面及配筋较大，梁截面高对地下室层高控制不利。

在顶板所承受的荷载适中时（如1.5 米覆土叠加常规小型机动车或花园荷载）时，主要传力方向为一个方向的主梁亦能控制主梁截面尺寸在合理范围内，此时，此布置方式较易发挥出其优势。

3.2.3 框架梁+大板布置方式

适用于5.1米/6.2米×7.7米～8.0米（小柱网）的柱网尺寸，结构布置如下图3所示：

图3 框架梁+大板布置（小柱网）结构布置示意图

此方式的优缺点如下

优点：（1）无次梁，减少梁交接处的节点处理，同时减少模板量及施工措施。（2）板荷载均匀作用与框架梁上，且小柱网的框架梁承担的荷载相对较小，引起的框架梁弯矩及剪力较小，梁配筋及梁截面小，有利用控制地下室含钢量及层高。（3）单根柱子承担的力较小，柱子截面相对常规柱网时小，有利于节省结构占用空间，提高地下室利用率。（4）小柱网布置，对底板抗浮设计时，可减少抗浮底板的跨度，利用控制底板厚度及配筋，减少抗浮成本。

缺点：（1）板跨度较大，造成部分板厚较厚，部分达到300mm 厚，板配筋量较大。（2）柱子数量相对常规柱网偏多，感观上略有不足。

在顶板所承受的荷载适中时（如1.5 米覆土叠加常规小型机动车或花园荷载）且板厚最小要求较厚（如种植屋面要求板厚不小于250mm）时，在板厚得到合理控制的情况下板配筋不大，此时，此布置方式较易发挥出其优势。

3.2.4 经济指标对比

本项目分别就以上三个地下室顶板布置方案进行分析计算，地下室顶板（含梁板）、柱子各材料经济性指标如下表1：

表1

从以上经济性指标可以看出，框架梁+大板（小柱网）结构布置方式混凝土用量最大，但相比其他两个布置方式并不明显，而本布置方式的钢筋含量明显较其他两个布置方式低，且模板量最少，梁高小，层高相对其他方案降低100mm，对土方开挖及基坑支护有利，且柱距小，对底板抗浮成本控制有利，综合以上因素，框架梁+大板布置（小柱网）方式经济性优势明显，且项目本身属于刚需楼盘，档次要求不高，因此，从经济性角度考虑，同时结合项目自身情况，框架梁+大板（小柱网）为最优方案。

4、地下室层高设计

地下室层高直接影响到地下室埋深，进而影响土方开挖成本、基坑支护成本、抗浮成本，层高越高，以上成本越大。层高设计时，应充分考虑建筑、结构、给排水、电气、通风等专业之间的协调，进行综合管线分析，尽量减少设备管线占用空间，在有条件的情况下，考虑电缆、给排水管线穿结构梁处理。同时适当控制梁高，减少结构梁占用的空间，受力大的位置局部采用宽扁梁处理。综合以上因素后，本项目给排水、电气、通风等设备专业预留管线空间为500mm，通过采用小柱网布置，结构梁最高为750，适当预留容错空间，地下室层高定为3600mm。

5、抗浮设计

5.1 抗浮方式的选择

抗浮通常有压重法、设置抗浮锚杆、抗拔桩等几种方式，一般情况下，在水头不高，水浮力超过结构自重及其上方永久荷载总和不多时，增加压重法工期快、操作简单、可靠性强且造价较低，但当水头较高，单纯依靠自重及其上方永久荷载总和远不足于抵抗水浮力时，需要借助抗浮锚杆或抗拔桩抵抗水浮力，而正常情况下，抗拔桩的造价相对抗浮锚杆要高，如根据地质情况，有条件采用天然基础时，在考虑压重基础上，一般为优先采用抗浮锚杆进行抗浮设计。

本地下室底板底抗浮水头为4.45m,通过结构自重及顶板覆土远远无法满足整体抗浮要求，需要进行抗浮设计，单纯通过压重法抗浮，需要增加的压重过大，压重材料巨大，且增加大量压重会增加较多地下室埋深，明显增加了土方工程和基坑支护造价，故不单独采用压重法进行抗浮，而本项目底板底地质情况良好，基础适合采用天然独立基础，故本项目不需采用桩基础，抗浮选择抗浮锚杆进行抗浮设计。但对于外墙等特殊区域，可通过调节外墙基础外挑长度获得足够的土体压重，故此区域仅依靠压重进行抗浮。

5.2 地下室抗浮锚杆的布置方式

地下室抗浮锚杆布置方式常见的有集中在基础底布置及均匀分布在底板上的满堂布置。

抗浮锚杆集中在基础底的布置，为用于天然独立基础时，把抗浮锚杆均设在独立基础下方的布置方式，如下图4所示：

图4 （左）抗浮锚杆集中基础底布置示意图

此种方式为利用柱子承受的上部结构恒荷载、底板自重及抗浮锚杆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结构的恒荷载进行抗浮，往往需要的锚杆相比底板满堂布置节省，但是基础间的底板需要自身结构抗力抵抗底板抗浮力，底板钢筋量相对较大，当顶板传来的恒荷载较大、底板抗浮力大于顶板传来的恒荷载不多时，采用此方式经济性较好。

抗浮锚杆满堂布置，即抗浮锚杆较均匀布置于抗浮底板下方，如上图5所示：

图5 （右）抗浮锚杆满堂布置示意图

此方式依靠锚杆提供的抗拔力及底板自重平衡底板受到的水浮力。抗浮锚杆数量一般较多，但是因为锚杆间距一般不大，底板配筋不大，另外，因为有锚固长度的要求，底板厚度一般较厚。当上部荷载较大时，采用此布置方式，在抗浮设计时，柱子传递的上部恒荷载未能得到充分考虑，且板厚一般较厚，经济性一般较差，但当水头比较高和上部恒荷载较小时，独立基础下方无法布置足够的锚杆抵抗抗浮力，且底板厚度及配筋一般较大，此情况下，满堂布置抗浮锚杆可发挥出较好的经济性。

本项目水头适中，顶板覆土较厚，柱子能够提供较大的抗浮压力，需要抗浮锚杆提供的抗拔力不大，底板厚度及配筋不大，经过计算比较抗浮锚杆集中布置于基础底的方式和满堂布置于底板的方式，采用前者方式更能体现经济性。因此，本项目最终确定抗浮锚杆集中布置于基础底的布置方式。

结语：

在地下室设计中，地下室成本与地下室档次定位、地下室功能、地下室利用率、地下室荷载情况、地下室埋深、抗浮水位情况、地质情况等因素紧密相关，地下室结构设计过程中，应根据地下室档次定位、地下室功能选择合适的柱网及层高，提高地下室利用率，根据地下室荷载情况，选择合适的楼盖体系，根据上部荷载及抗浮水位情况，选择合理的抗浮方案，根据地质情况，选择合理经济的基础形式。且地下室层高、埋深、楼盖体系、柱网形式、抗浮、基坑支护等各方面都是相互联系的，设计时不可单独考虑其中一方面的利弊，而是综合各方面的利弊后统筹考虑，最终形成一整套相互协调的结构设计方案，达到降低地下室成本的目的。