城市轨道交通车辆基地上盖物业开发的消防、结构及预留接口设计策略

2018-11-02穆亮杨光

城市轨道交通研究 2018年10期

穆亮杨光

(中铁一院集团山东建筑设计院有限公司，264200,威海//第一作者,工程师)

城市轨道交通建设对城市发展的带动作用日益凸显，其沿线的土地价值升值较快。传统的城市轨道交通车辆基地存在占地面积大、建筑密度低、用地强度小、对周边地块严重分割等明显弊端，使车辆基地上盖物业开发的建设意义及经济价值越发突出，同时也契合我国集约用地的发展理念。

城市轨道交通车辆基地综合开发模式有两种：

(1) 地面式车辆基地物业开发。此种模式主要是将车辆基地布置在地面上，通过对各种厂房及库房进行整合，形成整体平台，做为物业开发的建设用地。车辆基地工作空间与上盖物业通过平台结构板及围墙彻底隔离，以便于管理。车辆基地位于地面，生产货运流线组织便捷，且工程量相对较少。通过模拟微地形处理将车辆基地上盖边缘与城市空间的结合部层次化、丰富化、多元化[1]。实施案例如：青岛大田路车辆基地，深圳前海车辆基地等。

(2) 地下式车辆基地物业开发。此种模式是将车辆基地的主要大型工艺厂房布置在地下，一些人员集中的办公空间及火灾危险性高的厂房、仓库布置于地上。这种车辆基地开发模式充分利用地下空间，结合轨道交通地下正线布置，减少出入段线拉坡需求，避免设置地面U型槽，从而保证在工艺生产的同时将地面城市空间还给公众，极大地节约了城市土地，保留了原有城市空间尺度与脉络。实施案例如：青岛灵山卫车辆基地，深圳中心公园车辆基地等。

由于上盖物业开发的引入，使得车辆基地的设计变得异常复杂。笔者主要以地面式车辆基地为研究对象，从消防设计、结构设计、预留接口设计3个方面，阐述自己的理念及观点，提出设计过程中的一些注意事项。

1 车辆基地上盖物业的概念设计

1.1 消防概念设计

(1)车辆基地内按同一时间内发生1次火灾工况进行消防设计。

(2)做为“上民用+下工业”的建筑综合体，消防设计的重点在于保持两者的独立性，减少相互影响，采取有效的防火分隔措施。

(3)车辆基地和上盖物业均应设置不少于2条与外界城市道路相连通的消防车道，且均应满足大型消防车通行的要求。

(4)上盖物业以设有消防车道的盖板为地面层，计算建筑的层数及高度，按照现行GB 50016—2014《建筑设计防火规范》进行消防设置。

(5)盖下车辆段消防设计的难点在于建筑物的定性，防火分区面积的设定以及人员疏散方式。通过前期规划设计，为盖下车辆基地争取尽量多的直接对外的开敞空间，以提高盖下疏散及救援环境；应提高盖下耐火等级标准和主要受力构件的耐火极限；库内应设置机械排烟、自动喷淋及自动报警系统，提高消防救援设施的标准。

1.2 结构概念设计

(1)转换层及其以下结构组成刚度相对较大的平台，与上盖物业共同形成大底盘多塔结构体系，应尽量使上部结构的综合质心与底盘结构质心接近。

(2)尽量降低转换层设置高度，应将转换结构布置在大底盘内，调整转换层上下楼层的剪切刚度，宜尽量接近。

(3)应保证转换层楼盖的刚度，尽量减少楼盖削弱。楼盖应满足上部结构竖向构件传来的水平力，并传递到下部结构竖向构件上去。

(4)抗震设计中需加强的部分应包括底部及转换层以上1～2层的楼板、剪力墙和柱。结构的延性耗能机制宜呈现在加强部位以上的结构中[2]。

1.3 预留接口概念设计

(1)结构预留应采取安全、经济、可靠、便于施工的原则，宜适当考虑上盖物业的调整，具有一定的包络性。

(2)设备预留设计应遵循灵活可变原则，同时兼顾经济性及节省能源原则，使得系统具有高度安全及可靠性，能灵活适应不同功能区域运作变化的需求。

2 车辆基地上盖物业的消防设计

车辆基地上盖物业开发是将车辆基地的厂房与物业开发的汽车库、住宅、商业用房上下叠加建造。现行国家规范及标准对此类工业与民用组合建筑的防火设计尚无明确规定，无设计依据可循。由于盖上平台占地面积较大，而平台下车辆基地范围直接对外的空间有限,自然通风和采光条件差，火灾救援及人员疏散比较困难，因此导致设计复杂。

2.1 消防设计的依据

一是借鉴相关规范，如GB 50016—2014《建筑设计防火规范》，《地铁设计防火规范》(报批稿)；二是结合国内外已建成类似工程的设计经验；三是进行消防性能优化专项设计。

2.2 消防设计的总原则

以车辆基地盖板作为设计界面，界面上下划分上盖物业开发与盖下车辆基地，通过盖板进行完全防火分隔，盖上、盖下消防独立且互不影响。上盖物业开发与车辆基地分别设置消防车道、人员疏散口、消防设施，各类管线不宜穿越盖板，如图1所示。

图1 消防设计原则示意图

上盖物业按GB 50016—2014《建筑设计防火规范》中民用建筑部分要求执行；盖下车辆基地定性为工业建筑(单、多层厂房、仓库),按GB 50016—2014《建筑设计防火规范》中厂房、仓库部分要求执行。

上盖物业消防控制中心与盖下车辆基地消防控制中心各自独立，并保证发生火灾时实现火灾信息共享，从而有效提高预警报警能力，为快速扑救提供保障。

2.3 消防车道及消防救援场地的设置

上盖物业开发的消防车道及救援场地设置在盖上平台，此平台为开敞的室外空间，可视为上盖物业建筑的地面层。盖板上平台建筑密度不宜大于30%，以确保足够的开敞空间作为人员疏散的安全区，以满足人员疏散、滞留和等待救援的需求。盖上平台通向地面标高的城市道路车行出入口不应小于2条，且每条宽度不宜小于7 m，同时均匀布置人行出入口，使人员可以最终到达地面标高的城市道路[3]。

盖下车辆基地在工艺厂区内设环行消防车道，至少设置2个出入口与地面标高的城市道路连通，且每条宽度不宜小于7 m。盖下消防车道顶部尽可能加大敞开范围，满足自然通风和排烟的要求，建议开敞率原则上不小于25%。对于地下式车辆基地消防车道，应在消防车道与运用库、检修库等建筑之间设置防火隔墙。防火隔墙上应设置供消防人员出入的通道，通道处应设甲级防火门等进行分隔。盖下消防车道的顶棚、墙面、地面装修材料均为A级，车道范围内不得摆放任何可燃物，不得用于除人员和车辆通行以外的其他用途。

2.4 车辆基地的防火分区

地面式车辆基地防火间距及防火分区可按GB 50016—2014《建筑设计防火规范》中关于地上厂库、仓库的相关规定来设计。地下式车辆基地内的运用库、检修库等厂房，可参照《地铁设计防火规范》(报批稿)规定的8 000 m2控制(需设置自动灭火系统)；咽喉区视为无人区、无可燃物，按照构筑物设计，不划分防火分区，只划分防烟分区；辅助边跨设置独立的防火分区。

2.5 盖下车辆基地人员疏散

对于人员相对集中的厂房辅助边跨应尽量靠近盖板边缘设置，以减小消防疏散距离。地面式车辆基地工艺厂房通向盖下消防车道的出口可视为安全出口，数量不得少于2个；盖下人员由室内经盖下消防车道最终疏散到盖外。地下式车辆基地的人员直接通过厂房内的封闭楼梯间或防烟楼梯间疏散到地面层；或通过设置在盖下消防车道通向地面的出入口进行疏散；亦可采用下沉式广场等开敞空间进行疏散，广场内引入消防车道并设置水泵接合器等消防设施。

人员到安全出口的距离应按照GB 50016—2014《建筑设计防火规范》表3.7.4控制，地下车辆基地疏散距离可参照北京市DB-11-995—2013《城市轨道交通工程设计规范》第24.2.58条规定,车辆段基地地下停车列检库室内至疏散楼梯间或其他安全出口的距离不应超过120 m。

2.6 结构构件防火设计

结构构件的耐火极限应在一级的基础上相应提高，采取加厚钢筋保护层厚度等措施，保证结构柱的耐火极限不小于4 h、盖板及盖板梁的耐火极限不小于3 h。同时盖下结构承重构件强度需满足盖上消防车的通行要求。

2.7 车辆基地消防设施

除咽喉区及不宜用水保护或灭火的场所外，盖下其余位置均设自动喷水灭火系统，库房区域采用快速响应喷头，按照“非仓库类高大净空建筑”考虑喷水强度和作用面积。咽喉区内部不设置室内消火栓，沿咽喉区外消防车道布置距离适当加密的室外消火栓。

2.8 车辆基地防排烟设施

咽喉区宜采用自然排烟，且自然排烟有效面积不应小于5%；当确有困难无法自然排烟时应设置机械排烟。盖下车辆基地无法自然排烟的厂房、库房采取机械排烟、补风，补风量为排烟量的50%，烟气结合盖上建筑排出室外或直接排放到盖板边缘。消防车道顶部盖板设自然排烟口，自然排烟口距最不利点距离不大于30 m。

2.9 盖上、盖下建筑的防火分隔

设置于盖上平台的盖下进风、排风、排烟口的边缘与上盖民用建筑的防火间距建议按照13 m控制，宜采用顶部进排风方式，避免盖板上下的相互影响。例如,青岛灵山卫车辆基地、青岛海洋大学车辆基地及青岛辽阳东路车辆基地均采用上述原则及措施。

3 车辆基地上盖物业的结构设计

3.1 上盖物业的结构形式分析

车辆基地依据线路布置可分为引导区、咽喉区和库区3个部分。引导区的用地特点为带状，垂直线路方向宽度较小，通常无法进行上盖物业开发；咽喉区部分线路道岔集中布置，结构柱位置、构件尺寸等都严格受限，一般结合建筑布局盖上布置绿地或其他荷载较轻的开发模式；库区上方为物业开发的重点部分。车辆基地上盖物业开发结合周围环境、城市规划、经济收益等通常采用多层建筑(7层以下)、小高层建筑(7～11层)和高层建筑(11层以上)[4]，具体如图2～图4所示。

图2 厚板式转换示意图

上盖物业为多层建筑时，多采用框架结构形式。上盖物业框架柱宜结合场库区内柱位置布置(库区内受工艺、限界等专业限制，垂直线路方向柱位通常调节能力较差)，应尽量减少需转换的竖向构件。当竖向构件不能连续时，可采用转换梁、桁架梁或厚板等转换形式。例如,青岛灵山卫车辆基地，将7层框架结构地铁综合楼布置于库区上方，采用转换梁形式完成转换。

图3 梁式转换示意图

图4 预留核心筒示意图

上盖物业为小高层建筑时，多采用剪力墙结构。受库区功能限制,上盖物业剪力墙均不能落地，此种结构相对复杂，不能满足规范要求，需进行结构超限审查[5]。转换形式通常可采用框支结构或桁架转换。例如,青岛海洋大学车辆基地，将11层剪力墙结构住宅及地下式物业车库布置于库区上方，所有剪力墙均不落地，采用全框支结构体系在物业车库顶完成转换。

上盖物业为高层建筑时，多采用框架核心筒或剪力墙结构。因上盖物业结构荷载较大和抗震设计要求，核心筒无法完成转换，必须落地，周围框架可进行转换，库区建筑布置时应结合核心筒位置设计。当高层建筑采用剪力墙结构时，建筑宜采用平面呈长方形的布局，总平面布置时，各单体宜沿线路方向呈带状分布，所有剪力墙全部落地，结构不需转换。例如,重庆大竹林车辆基地，将18层剪力墙筒体结构住宅布置于库区上方，采用核心筒落地，外围竖向构件采用梁式转换。

3.2 车辆基地上盖物业的结构设计要点

3.2.1 合理的竖向刚度分布

转换层上下的结构质量中心宜接近重合，转换层上下层的侧向刚度比不宜大于2，竖向刚度宜连续，避免突变。因车辆基地层高通常高于住宅、商业类建筑，结构概念设计时不宜照搬规范,对薄弱层的加强应有针对性。

3.2.2 合理的转换构件选择

结构转换构件可采用转换梁、桁架、空腹桁架、箱形结构、斜撑、厚板等，转换构件的选择应结合上部荷载条件及功能要求。厚板式转换虽然对上部结构适应性较强，利于建筑外立面造型，但其传力路径不明、结构概念不清晰、抗震性能差，应慎重采用。

3.2.3 精确的结构计算

对于复杂的转换结构，需采用不同的力学模型进行对比计算，辅以静力或动力弹塑性分析，找到结构薄弱位置，对关键节点可采用有限元或试验等方法深化研究。对关键结构构件提出性能优化目标，例如转换梁、框支梁、转换柱等宜满足设防地震工况下的抗剪弹性、抗弯弹性，以及罕遇地震工况下的抗剪弹性、抗弯不屈服等指标，保证关键结构构件不发生脆性破坏。

3.2.4 恰当的构造性措施

结构构件的细节设计和有针对性的构造措施是安全性的重要保障，对复杂的转换构件应采用有限元分析方法，提高设计精度。

3.2.5 结构抗浮

部分车辆基地采用地下式。对于地下水位较高的地区，底板水浮力较大，可能存在结构不满足抗浮的要求。车辆基地占地面积较大，平面基本呈方形，利用围护结构通常亦不满足结构抗浮要求。可采用泄水减压方式，降低底板水压力，解决结构局部抗浮，甚至整体抗浮不满足要求的问题，亦可合理利用水资源。对比传统的抗拔桩、增加上部自重等方式，大幅降低工程造价，经济性较好。

4 车辆基地与上盖物业预留接口设计

上盖物业开发受规划、市场、开发主体等影响很大，可能存在与车辆基地设计不能同步进行的情况,即使同步设计，亦会存在不同步施工的情况;后期因外部因素上盖物业还可能进行重新调整设计。因此,经济、合理、有一定适应性的结构与设备预留接口是设计需考虑的重要因素之一。

结构预留接口设计需在一定的既定条件下开展，当已知上盖物业开发为多层建筑时，可考虑以下预留方法：①将转换层置于结构第2层，仅施工第1层车辆基地部分，对可能的上盖部分进行包容性设计，加强转化范围内的构件强度，使得后期上盖物业开发调整具有一定的灵活性，但第2层柱位已确定，该层建筑布置受限。②采用厚板转换形式，上盖物业在厚板上后续施工。③结构构件设计宜留有后续加强的可能性，例如留有体外预应力等加强措施的施工条件。当已知上盖物业开发为高层建筑时，可考虑以下预留方法,即设计中应确定核心筒、落地剪力墙的位置，对周围底层框架柱及周边框架梁进行加强，从而使后续上盖物业有一定的调整能力。

针对地下式车辆基地因不同步施工引起的结构抗浮问题，通过采用泄水减压方法，并使泄水量具有一定的调节能力，来提高结构在上部荷载未施加的工况下的抗浮能力，为分步施工提供可能性，避免仅靠自重抗浮引起的投资。

设备预留应从轨道交通运营安全及管线安装维修方便等方面考虑，在盖板上预留共用管廊供上盖物业开发管线使用，亦可在车辆基地厂房上设有物业车库层兼作为管线转换层。物业开发管线不应穿越车辆段，以盖板为界，将上盖物业与盖下车辆基地完全隔离。

对于上盖物业开发建设方或业态功能不能同步确定的项目，以上预留方式为后续建设提供了一定的灵活性和前瞻性。