地下室结构优化设计的一些探讨

【前言】地下室结构优化设计的一些探讨由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。由于建筑物地下部分的工程造价占整个项目的35%左右，且其梁、柱抗震等级为三级或者四级（不包括塔楼相关范围内的地下1层梁、柱），相应的构造措施要求也不高，因此把地下部分设计得经济合理，成为很多大底盘地下室项目的重点。本文以上海市嘉定区某总部广场近3万m2的...

摘要：以嘉定区某中心广场2层地下室为分析对象，针对地下室基础、桩基选型、梁板布置方式选型等方面，采用新型底板体系、从多角度、多方面优化各构件的配筋量和混凝土用量，在满足结构受力的前提下，节省了大量资金，使整个地下室获得了良好的经济指标。

关键词：地下室；承台柱帽式无梁筏板；空心方桩；梁板楼盖体系；优化

中图分类号： TU318 文献标识码： A

引言

近年随着国民经济的快速发展，土地价格的市场走势不断上扬，物价飞涨和贷款利率的不断提高，使得开发商的建筑成本控制意识日益增强，严格控制工程造价成为建设方的重要关切。作为设计方，如何把施工图设计做得经济合理，也成为衡量设计公司技术水平的关键指标，也是公司长久发展的重要基石。

由于建筑物地下部分的工程造价占整个项目的35%左右，且其梁、柱抗震等级为三级或者四级（不包括塔楼相关范围内的地下1层梁、柱），相应的构造措施要求也不高，因此把地下部分设计得经济合理，成为很多大底盘地下室项目的重点。本文以上海市嘉定区某总部广场近3万m2的大底盘地下室为研究对象，重点阐述设计中为实现结构优化所做的对比分析，针对地下室基础、桩基、外墙、梁板、受力体系和可行的计算方法等，供同行参考。

一、工程概况和结构体系

本工程位于上海市嘉定区，由2座多层商场、2座高层塔楼及裙房及地下室组成（如图1）。总建筑面积约7.8万m2，塔楼总面积3.2万m2，屋面结构板标高为86m，多层商业建筑面积为1.6万m2，2层地下室建筑面积为3万m2。其中负1层约14396 m2，作为商业和停车库；负2层建筑面积约15708 m2，局部为平战结合的人防停车库，其余部分为普通停车库。

图1 总体鸟瞰效果图

塔楼结构抗侧力体系为框架-核心筒结构，地下室部分为框架结构，楼面为现浇混凝土楼板，地下室底板为带承台柱帽无梁筏板结构体系。各部分采用的混凝土强度等级为：地下室底板、外墙、地下室部分的框架梁柱均为C35，框架核心筒和塔楼部分的框架柱从C50渐变到C30，其它部分均为C30。

二、带承台柱帽无梁筏板应用分析

带承台柱帽无梁筏板是近年来发展起来的一种新型地下室底板结构，适合于各种柱下桩基础的大底盘地下室，尤其是对需要抗浮设计的地下室底板更具有明显的结构和经济优势。此外，相对于梁板式筏基底板和平板式筏基，这种结构更具有经济合理、施工方便、易保证施工质量的特点[1]。其结构受力是根据无梁楼盖的计算原理，利用桩承台大柱帽来减小无梁筏板主控内力—柱上板带承台边筏板的支座弯矩，从而减小柱上板带支座弯矩的配筋，充分发挥了柱基承台柱帽承载力和刚度作用。

本工程地下室共2层，负2层地下室底板面的标高为-8.500m，抗浮设计水位为室外地面下0.5m，水浮力标准值为86kN/m2。根据建筑专业提资条件，地下室标准柱网为8.4m8.4m，底板上面层厚度200mm，底板预估厚度600mm。则底板自重加面层及活荷载标准值为21.6 kN/m2。显然，本工程地下室底板计算工况受水浮力控制。抗浮考虑用桩基，承台平面尺寸初步设定为2.5m2.5m1.0m，故采用承台柱帽无梁筏板基础。

在初步设计阶段，根据无梁楼盖的经验系数法及承台柱帽无梁筏板的修正系数[2]，采用Excel编制表格来计算柱上板带跨中弯矩、柱上板带承台边支座弯矩、跨中板带跨中弯矩及支座弯矩等。并用JCCAD软件的抗浮模块建立了整体模型与之比较，结果表明二者弯矩比较接近，计算结果满足底板抗浮的受力要求及承台边筏板裂缝宽度小于0.2mm的要求。根据计算，筏板底、筏板面通长钢筋分别为20@150、18@150。

三、桩基的优化设计分析

本工程的多层商场、裙房部分的桩基为抗拔兼承压桩，纯地下室部分的桩基为抗拔桩。如何合理选择桩型，成为桩基设计的重点。桩基设计主要考虑要点如下：a、选用尽量少的桩型，使得桩体的采购和施工容易操作；b、选择的桩型具有较高的性价比；c、选择的桩基满足设计抗浮设计的要求，同时根据使用工况，满足抗压设计要求。

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008），单桩的抗压、抗拔极限承载力标准值分别为：（1）

（2）

比较式（1）和（2），根据勘察报告提供的地质分布情况，发现桩的侧阻力发挥了很大的作用，如何在保证承载力不变的情况下使工程费用更经济？空心方桩的出现使其成为可能。

空心方桩是一种结合预应力管桩和预制方桩二者的优点，同时克服了其大部分缺点的新型桩型，现国际上（如日本、美国等）已开始推广使用。按混凝土的强度等级和混凝土截面的大小可分为：预应力混凝土空心方桩（KFZ）、预应力高强混凝土空心方桩（HKFZ）、预应力混凝土薄壁空心方桩（TKFZ）。相对于预应力管桩，其优点有：

1）同截面混凝土用量相同情况下，方桩外表面积比管桩大，且成正方外形，在土层中桩体周边土与土的休止角比圆形的摩阻系数要大，即空心方桩比管桩在同等地质条件下能获得更大的承载力；

2)在同样桩身承载力的情况下，方桩比管桩截面小，意味着方桩的承台尺寸比管桩承台小，可以减小承台的混凝土和钢筋用量；

3)方桩的理论计算抗剪力是同种混凝土用量管桩的2~3倍，根据日本建设省的实际测试是管桩的4.5倍，说明空心方桩的抗震性能非常优越，值得在多震地区、高层建筑及大底盘地下室建筑物基础中推广。

本工程柱网8.48.4m，多层商业部分的框架柱传至柱底荷载的设计值在6000kN左右，同时两层地下室埋深较深，水浮力也较大。根据土层分布情况宜采用柱底集中布置抗拔桩基础方案。

桩端持力层可选择⑦1a、⑦1b层，考虑桩的施工质量及泥浆排放因素不选择灌注桩。选用预制桩时穿越⑦1a层砂质粉土有困难，故持力层最终确定为⑦1a砂质粉土。预制桩可选预制实心方桩、预制空心方桩、预制管桩。下表中桩长均为22m。勘察单位建议选用Ф600预应力管桩，笔者做了4种桩型的技术指标对比，见表3.1。

和业主协商后，本工程选用450450mm的空心方桩，按此估算，一个基础造价（含桩基、承台等）为1000万元的工程，选用空心方桩替换管桩后，可以

表3.1 不同桩型经济性指标对比

节省约250万元，显示了空心方桩超高的性价比。

四、梁板楼盖体系布置方案的优化比较分析

梁板楼盖体系是整个结构中最基本的部分，但布置方式因设计理念、建筑美观等要求可有多种布置方式，相应的工程造价也相差较大。如何布置梁板结构体系，使其做到经济合理，使设计师必须思考并解决的问题。现以本工程地下室标准柱网、标准荷载为分析对象，将楼盖设计中常见的梁板布置方式进行经济性比较。

本工程负1层楼面，使用功能为地下停车库，分别比较了以下5种常用方案：Ⅰ：无梁楼盖；Ⅱ：单向单次梁楼盖；Ⅲ：单向双次梁楼盖；Ⅳ：十字梁楼盖；Ⅴ：井字梁楼盖。标准柱网为8.4m8.4m，恒荷载为楼板自重、装修面层及管道吊重合计4.5 kN/m2 ，地下室停车库活荷载为4.0 kN/m2 ，梁板的混凝土强度等级为C35。

本工程地下室顶板上因需满足绿化要求，有1.2m厚的覆土。顶板大部分区域为室外，考虑可能有室外堆载，活荷取5.0 kN/m2，梁板的混凝土强度等级为C35。

根据梁板配筋图，梁、板钢筋牌号均为HRB400，计算负1层和地下室顶板层的钢筋用量及混凝土用量见表4-1和表4-2。

表4-1负1层楼盖梁、板钢筋及混凝土用量对比表

表4-2 地下室顶板层楼盖梁、板钢筋及混凝土用量对比表

计算结果表明，对于负1层楼盖及地下室顶板楼盖两种荷载差别比较大的情况下均是方案Ⅲ，即单向双梁单向板较为经济。

结语

通过对嘉定区某总部广场大底盘地下室主要构件的经济性分析和优化设计，提出了一些简化的计算方法及经济可行的技术措施，应用了新颖和经济的地下室底板体系和楼盖体系，从而实现了结构主要构件的优化设计，达到了经济、美观、适用的目的。经建设方初步概预算，本工程地下室部分的总体造价较同类项目节省了约20%的工程费用。本文提供的设计思路可以为做同类项目的设计师提供参考。

参考文献

[1]邹奇，傅学怡，吴兵.钢筋混凝土带承台柱帽无梁筏板在地下底板中的应用.重庆：第十八届全国高层建筑结构学术交流会,2004:89-93.

[2]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社 1997

[3]GB 5001-2010混凝土结构设计规范[S] 北京：中国建筑工业出版社 2011

[4]JGJ 94-2008 建筑桩基技术规范[S] 北京：中国建筑工业出版社 2008

作者简介：硕士，工程师，一级注册结构工程师