房屋建筑地下室结构设计中的成本优化探析

赵振东

（大同市建筑设计研究院，山西 大同 037000）

随着近几年城市化进程的加快，我国在地下室建筑物的开发和利用上有了很大的发展。城市建设用地日渐紧张，汽车数量的急剧增加，充分利用地下空间建设停车场对缓解城市道路拥挤有非常重要的作用。从最初简单的存储性能到目前的地下停车场多功效构造的配合，如大型商业区和民防项目，这些功能需要适合、更高设计准则的基础架构。需要设计者不仅具备更专业的设计水平，并且具备前瞻性的设计理念。建筑物的地下结构设计是整个建筑设计的基础，因此，建筑物地下结构设计的重要性对建筑的设计和使用功能非常重要。在满足建筑功能和设备功能满足的情况下，安全和经济是摆在结构工程师面前的重要课题。地下室开发成本控制对于整个建筑成本控制具有重要意义。

1 房屋建筑地下室结构设计中成本优化的内容

地下室结构成本优化主要包括结构布置、基础及抗浮、底板做法、顶板做法、侧壁做法以及一些更加经济的结构构造方法的利用。

地下室层高直接影响地下室工程的造价，降低地下室层高对于减少地下室工程造价起到关键作用。地下室层高影响造价的方面包括土方费用、基坑支护费用、降水费用、底板侧壁钢筋费用、内墙涂料费用和外墙防水费用。在满足建筑功能使用的情况下，减低车库层高，优先选用大小柱网（比如5.1m/6.1mx7.8m） 的柱布置方法。车库层高=风管线路上的结构高度+风管高度+喷淋高度+建筑净空要求。小跨度梁梁高较小，与风管叠加布置时对层高影响小，主要关注大跨度一侧梁高，当叠加布置时对层高影响大，布置风管时应尽量垂直小跨度梁布置，局部穿越大跨度梁应尽量设置在一个轴开间内，局部调整为停2 辆车的柱网形式。结构在风管经过区域控制梁高，可以从整体优化地下室层高。设计中应通过暖通、建筑、结构专业协作，合理布置柱网、风管走向，以此来优化地下室层高。

地下室基础宜优先考虑天然基础，然后再根据地勘情况选用复合地基、预应力管桩基础，最后选择灌注桩基础。基础的选用对于地下室工程的土方开挖，基坑支护和工期长短有重要影响，对结构成本优化起重要作用。对于需要抗浮的地下室，需满足整体抗浮和局部抗浮。抗浮稳定性验算需满足：W/F≥1.05 其中W-结构自重（包括结构梁、板、柱和顶底板上的哦覆土荷载，不包括批荡装修等荷载）、F-水浮力。设计时宜优选选用自重和增加配重的方法进行抗浮，在这些方法不能满足或不能使用的情况下，再选用抗浮锚杆、管桩抗浮和灌注桩抗浮等。

2 案例分析

以某建筑工程项目为例，做抗浮成本对比：项目信息：柱跨7.9mx7.9m，1000mm 覆土，抗浮容重取16kN/m3；两层地下室，负一层3.7 米层高，负二层3.5 米层高，抗浮水位相对标高-1.100，水反力80kN/m2；首层板160mm 厚，含梁折算后厚度200mm，负一层折算厚度150mm，负二层底板厚度600mm。即柱下需抵抗的反力： [80- (0.2+0.15+0.6) ×22.5-1×16]×7.9×7.9=2660kN。价格均按30 米计算。

表1 抗浮材料的价格

从成本考虑，在条件允许的情况下，优先选用管桩，再次锚杆，最后选灌注桩。

地下室底板结构布置：1） 以天然基础的独立基础或桩承台为柱帽的平板结构；2） 以墙柱支撑的有梁板结构；3）柱墙下带柱墩的筏板结构。除柱网上布置底板梁外，一般不布置次梁或尽可能少布置。尽量不做梁板结构。地下室底板应考虑的荷载有：1） 水浮力；2） 人防等效荷载；3） 底板结构自重4） 底板使用活荷载。结构设计应计入水浮力作用。基本组合的分项系数：水浮力取1.27，结构自重取1.0。抗浮防水底板迎水面钢筋的混凝土保护层厚度取25mm，梁迎水面钢筋的混凝土保护层厚度取30mm，裂缝宽度取0.2mm；室内一侧板钢筋的混凝土保护层厚度取20mm，梁钢筋的混凝土保护层厚度取25mm，裂缝宽度取0.3mm。人防荷载组合验算时，不考虑裂缝宽度。在满足地基承载力时，底板一般不外挑出，与外墙形成直角。当确实需要单独设置抗拔锚杆或抗拔桩时，应均匀布置在底板跨中。防水板配筋和裂缝计算，应把锚杆或抗拔桩对底板的下拉力作为荷载考虑输入。

地下室顶板的结构体系包括有梁楼盖和无梁楼盖(或无梁空心楼盖)。顶板无覆土时：①无覆土顶板优先选用单向单次梁结构体系，最小板厚160mm；②中间楼层优先选用单向双次梁或单向单次梁体系，最小板厚100mm。顶板有较厚覆土时：①顶板优先选用单向双次梁体系，最小板厚160mm；②地区需要采用最小250mm 板厚时，优先选用大梁大板结构体系；③无梁楼盖在层高限制较多时可以选用，板厚不小于300mm。消防车道采用单向楼盖布置时，次梁设计时均布活荷载折减系数取0.8，主梁设计时均布活荷载折减系数取0.6。双向板楼盖的梁设计时均布活荷载折减系数取0.8。可不考虑消防车荷载对构件裂缝宽度和挠度的影响，在基础设计时，不考虑消防车荷载。

该项目对比顶板采用双向单次梁体系和大梁大板体系的含钢量对比。项目信息：东西方向为7×7800，南北方向为5×5100+2×6100 的结构布置，层高3500mm。

表2 结构体系的用钢量

由此可知，在仅考虑顶板含钢量的情况下，从成本上来讲，双次梁结构体系优于大梁大板结构体系。

地下室外墙的边界支撑条件根据构件抗弯刚度比值确定。一般外墙的厚度应小于底板厚度，可按嵌固考虑，而外墙的厚度大于顶板的板厚时，按铰接假定。地下室侧墙设置有横向砼墙且墙间距小于层高的两倍时，可作为地下室侧墙的支座，按双向板设计。若仍按单向板设计，应计入横向支座的影响，支座处可附加横向钢筋。地下室侧墙混凝土强度不应小于C30，迎水面最外层钢筋保护层厚度不小于30mm，裂缝宽度限值0.2mm；室内一侧最外层钢筋保护层厚度不小于20mm，裂缝宽度限值0.3mm。地下室外墙竖向和水平贯通分布筋的配筋率不小于0.3%，外侧墙的受力竖向钢筋的间距不宜大于150mm，不应大于200mm。外侧墙水平钢筋的间距不应大于150mm。地下室外墙一般不设置暗梁。

3 结语

建筑结构优化设计的最终目的，就是要使设计出来的结构不仅各个构件受力均衡，技术应用科学、合理，而且结构整体安全、可靠，每一个构件都能充分发挥其最大作用，这样才能使设计出来的建筑结构最终达到既受力均衡、坚固耐久，又经济、合理和安全可靠的目的。由于结构设计的主要任务是在满足建筑使用功能的前提下，确保建筑投入使用后的安全性和舒适度，使其具有更强的生命力，而结构造价在建筑产品中的比重很大，通过精心思考后的优化设计能给建筑产品带来可观的经济效益，这也是办一切事业的基本出发点和落脚点。结构工程师在对建筑结构优化设计时，务必要把降低结构造价当作重要的基本原则来予以重视，千万不可掉以轻心。