现代超大型高层冷库高效空间设计*

顾金戈，陈跃熙，陈 胜，程 憬

(1.中国华西企业股份有限公司，四川 成都 610081； 2.四川华西集团有限公司，四川 成都 610081)

0 引言

现代超大型高层冷库的设计环节是建成现代超大型高层冷库的关键，本工程改变传统的设计手法，采用多层、大跨度、板柱-全剪力墙预应力无梁楼盖和结构外保温隔汽设计方法，实现了有效空间最大化和节能环保、绿色建筑的目的。

1 工程概况

银犁农产品冷链物流中心项目二期冷库工程为国内首座首次自主研发、独立完成的采用大跨度预应力无梁楼盖及结构外保温隔汽技术的冷库。其由2栋独立冷库组成，总建筑面积14.21×104m2，地上8层，总高44.5m。冻结物冷藏间设计温度-23℃，超低温库-55℃。冷库为板柱-剪力墙结构，楼板为预应力无梁楼盖，采用后张法有粘结预应力结构。单层平面结构尺寸为98.2m×47.8m，轴(柱)网尺寸主要为10.08m×11.95m，活荷载标准值达25kN/m2，冷库楼板厚300～340mm。

2 现代超大型高层冷库高效空间设计

采用8层、11.95m、板柱-全封闭剪力墙预应力无梁楼盖和结构外保温隔汽设计方法，将传统冷库所采用的短肢抗震剪力墙结构体系改变为全剪力墙体系，优化了多层大空间冷库的建筑形态和空间尺度，更利于冷库货架的排列，显著提高了冷库的有效库容，并避免了墙柱过多造成的热桥能量损失及冷气气流组织分布不均造成的高能耗现象(见图1)。

图1 银犁二期冷库(冷藏间)平面与剖面布置

2.1 采用预应力无梁楼盖结构体系

采用预应力施工的楼板具有抗裂性好、刚度大、耐久性好、自重小及抗剪能力、抗疲劳能力、构件稳定性好的优点。在楼板中施加预压应力，可抵消部分混凝土收缩产生的次拉应力，防止结构出现裂缝。冷库由于存放冻品，有一定的堆放高度。随着结构均布荷载值增大，楼板厚度增加，后张预应力技术可有效降低楼板厚度、增加结构净空、减少混凝土用量。

传统冷库采用的板柱-剪力墙结构，即钢筋混凝土无梁楼盖+框架柱+短肢剪力墙体系，存在柱网布置相对密集、剪力墙数量较多，严重影响了货架的排布，机械作业也产生很大制约，降低了冷库的存储效率。银犁一期即采用该体系，平面布置如图2所示。

图2 中小柱距冷库平面布置

由预应力混凝土平板取代传统的普通混凝土平板结构，将库房柱距从8m左右增大到10～12m，同时取消短肢剪力墙，由四周封闭剪力墙替代，突破了技术壁垒，实现了高效空间的设计思路。

2.1.1采用预应力结构扩大柱距增加空间利用率

GB 50072—2010《冷库设计规范》规定“冷间采用钢筋混凝土结构时，伸缩缝的最大间距不宜大于50m”，由于结构特点及货架排布的限制，普通钢筋混凝土无梁楼盖体系柱网尺寸始终局限在8m左右，无法突破到12m；同时，造成库体柱相对过多，不利于机械化操作。

本工程采用板柱-全剪力墙预应力无梁楼盖，将柱距增大到11.95m。

2.1.2采用四周全封闭剪力墙取代库内短肢剪力墙增加空间利用率

重组了冷库货架排列方式，优化了多层大空间冷库的建筑形态和空间尺度(体型系数<0.082)，显著提高了冷库的有效库容(有效库容提高41.8%)，并避免了墙柱过多造成的热桥能量损失及冷气气流组织分布不均造成的高能耗现象。

2.2 高效空间特点

1)板底光滑，顶部排管和风道的设置更加快捷方便，同时也利于库内气流组织。

2)板底无梁，库房内的空间可充分利用，可增加堆货高度，增加了冷库的有效使用容积。

3)增大柱网尺寸后，货架布置更灵活，提高机械化存取效率。

4)取消了抗震短肢剪力墙，对比相同面积货架排布数量单层增加1 931个货位。

3 高层冷库高效空间设计的难点及解决方案

3.1 预应力在低温状态下的应用

对于预应力筋在低温作用下的应力损失研究，国外一些国家(如美、日)已进行部分研究，且相对较早，但最近十几年资料相对较少。国内现有规范未考虑预应力筋在降温过程中及低温下的预应力损失。对冷库建筑，降温过程中及低温稳定情况下的预应力损失及有效应力是否变化尚不清楚。因此，在冷库的建造中罕有考虑预应力的应用。

3.2 预应力在超长、全封闭结构中应用的问题

结构超长，结构单元长度98.2m，无伸缩缝，温度应力相对很大，会引起裂缝的产生；空载时楼板反拱问题；低温环境下楼板的应力和裂缝控制问题等。

3.3 分析及解决方案

3.3.1预应力在低恒温状态下的应用

参照北方地区预应力施工及应用经验，应避免在高、低温状态下进行张拉。冷库降温全过程分为4个阶段，即降温起始阶段、稳定降温阶段、缓慢降温阶段、低温稳定阶段(长期)。一般认为，低温下的长期预应力损失值很小，在5%左右，设计人员可根据实际情况确定是否需考虑以及如何考虑低温下的预应力变化。本工程冻结物冷藏间设计温度-23℃，不属于超低温，且预应力张拉在常温下进行，故在设计中不考虑低温状态下的预应力损失值。

3.3.2收缩作用对混凝土的影响

设置2条后浇带，采用有限元分析，在板的四周按实际设置剪力墙，根据DBJ51/T 031—2014《预应力结构设计与施工技术规程》，混凝土的收缩变形可采用收缩当量降温ΔT′来分析，计算温度降温ΔT′可取10～15℃。取15℃验算校核，主拉应力最大出现在板的四周，四边基本相同，在四角部最大，考虑四角剪力墙后浇，抗拉强度为3MPa以内，计算的主拉应力如图3所示，设置2道后浇带能满足早期收缩裂缝的控制要求。

图3 应力分析

3.3.3楼板反拱及裂纹控制验算

张拉阶段荷载仅考虑结构自重，按张拉控制应力σcon=0.75fptk进行校核，楼板不会产生反拱。

计算内容包括有限元内力计算、弹性位移计算、板边及跨中最大与最小弯矩位置处配筋、挠度、裂缝计算。通过计算条件、设计参数的设置，进行预应力损失计算、施工阶段验算、跨中验算，结论是在施工阶段跨中上部不会开裂及出现楼板反拱(见图4)。

图4 计算结果

4 传统柱网冷库和大柱距预应力冷库的对比

4.1 传统冷库的货架排布

以成都银犁一期传统柱网尺寸冷库为例，冷藏间总平面尺寸为99.9m×49.5m。库房纵向为15跨，中间设置1道双柱伸缩缝(间距为200mm)；横向为6跨，跨度均为8.75m。货架排布如图5所示。

图5 传统冷库货架排布

统计得出，传统柱网单层可存储货架位置为4 622个。

4.2 大柱距预应力冷库的货架排布

保持库房平面尺寸不变，对柱网尺寸进行调整，纵向调整为10跨，跨度不等，约为11m；横向调整为4跨，跨度约为10m，最大柱网尺寸为10.08m×11.95m。大柱网冷库货架排布如图6所示。

图6 大柱网冷库货架排布

统计得出，大柱网方案单层可存储货架位置为6 552个。与传统冷库相比，增加货柜1 931个。有效库容增加(6 552-4 622)÷4 622×100%=41.8%。

4.3 存储量对比

1)采用大柱网布置，相对于传统柱网，每层可增加6 552-4 622=1 930个货架，货架增加率约为41.8%，显著提高了有效库容量。

2)按一般物流冷库6层库房计算，在不增加建筑面积的情况下，总体可增加1 930×6=11 580个货架。

3)每个货架位按3t计算，可增加3×11 580=34 740t库容量。

4)每个货架租金按约2.5元/d计算，1年可增收1 056×104元。

5)增大柱网尺寸后，货架布置更为灵活，有利于实现机械化存取。

统计结果如表1所示。

表1 传统冷库与大柱距预应力冷库对比

4.4 总体土建造价对比

对一期传统柱网和二期预应力大柱网地上结构部分的总体造价进行分析，传统冷库工程土建造价1 324.9元/m2，此项目造价1 352.3元/m2。

统计得出，在考虑目前材料上涨的情况下，预应力冷库与传统冷库造价基本持平，通过预应力结构的创新性应用，设计荷载增加，增大了柱网柱距，取消了伸缩缝及抗震短肢剪力墙，机械作业效率得到全面提升，且有效仓容提高41.8%，具有较好的经济效益。

5 结语

1)目前，预应力混凝土无梁楼盖结构在一般民用及公共建筑中已大量运用，技术较成熟，但在冷库建设中应用较少。

2)冷库高效空间设计项目联合设计单位、高等院校、施工单位等进行可行性研究，形成了现代超大型高层冷库高效空间设计方法。银犁二期冷库建成投产后，证明设计方案切实可行。设计及施工过程中试验性数据，为国家和行业规范的修订及此后同类工程设计与施工提供了参考和借鉴。

3)预应力技术在冷库中应用能大幅度提升仓容，并提高物流作业效率，此项技术在国外冷库中有所应用，但在国内还属空白。率全国之先，首次将预应力技术应用于冷库建设，本项目是国内首座大柱距高层预应力冷库。

4)现代超大型高层冷库高效空间设计方法达到国际领先水平，并在国内15座现代大型冷库建造中推广应用，取得了显著的经济和社会效益。