模块化装配式钢结构立体车库设计

王学琨，严文财，张 政，刘 梅

（山东大学土建与水利学院，济南 250061）

随着经济发展，近几年我国汽车总量迅速提高，造成静态交通和动态交通严重失衡。为解决这一问题，必须建立立体停车库，有效缓解动静态交通压力，增加停车空间，促进交通通顺。立体车库可靠性强，其不但结构强度大，而且装配精度也更高，既可以大面积使用，也可以见缝插针设置，短期停车和长期停车的组合是解决城市停车难的有效有段。

为实现快装式多层停车楼，本文提出了模块化装配式钢结构立体车库，由多个停车单元组成，单个单元可作为居民小区、商务区等地的长期停车场，如遇大型活动，可根据场地形状，对多个停车单元进行组合，形成临时停车场，以满足短时间、高强度的临时停车需求。设计方案效果图如图1 所示。

图1 装配式立体车库效果图

1 设计理念

1.1 平面设计

方案采用单元化设计，包括多个可重复使用的停车单元，通过安装或拆除停车单元来实现长期停车和临时停车之间的转化。停车单元可分为“带坡道”和“无坡道”2 类。一个带坡道的停车单元具备完整的竖向交通、水平交通和停车功能，适合作为长期停车场。带坡道停车单元内部空间主要包括车位、设备室、水平交通空间（楼层内车道）和竖向交通空间（坡道、楼梯、电梯）。当车库的体量较大，需要的车位较多时，将2 个带坡道单元和2 个无坡道单元进行组合，既能保证车辆单向流动，防止造成拥堵，又可以提供尽可能多的车位，充分利用楼层面积。各单元可以组合成八边形、一字形、L 形等，以适应不同的场地形状。

快装式多层停车楼单个单元的建筑面积为13059m2，可作为居民小区、商务区等地的长期停车场，如遇大型活动，可根据场地形状，将4 个停车单元进行组合，形成临时停车场，以满足短时间、高强度的临时停车需求。停车楼内部空间主要包括车位、设备室和交通空间（车道、楼梯、电梯）。

建筑高度20.4 m，其中一层层高3.6 m，为轻型客、货车停车场，2—7 层高2.8 m，为小型车和微型车停车场。作为长期停车场时，每层可提供42 个车位，总建筑面积/总车位数=44 m2/车位，作为临时停车场时，每层可提供182 个车位，屋面亦作为停车场，总建筑面积/总车位数=36 m2/车位。

1.2 流线设计

为满足高强度、大流量的临时停车需求，停车场交通流线需要实现灵活组合、减小占地面积，并且能够减少车辆行驶路程。结构流线采用三角形模块化设计，夹角处做弧边处理，达到更好的空间利用效果。同时避免驾车过程中的视觉盲区，提高设计安全性。出入口处采用双坡道设计，实现交通单流线，合理对车辆进行分流，解决出入口处堵车的痛点，避免车辆绕行。此外，车库坡道由三角形长边处理而来，不占用建筑主体的面积，提高了空间利用率，且坡道坡度较缓（一层13%，二层及以上10%），能够保证行车平稳。每一单元的“L”形直角处设置有楼梯与电梯，通过无障碍电梯，方便残障人士通行。双坡道设计效果图如图1 所示。

1.3 立面设计

长期停车场的外立面采用垂直百叶窗与实心护板进行围护，简约、整洁、庄严，美观性与功能性兼顾。垂直百叶窗上下两端连接在相邻上下层梁的外侧翼缘上，与梁板节点不相冲突。百叶窗角度可根据太阳位置、外界光照强度、风速等自然条件进行调整，既能遮风、挡雨、遮阳，又可以保持一定的自然采光、通风能力，使车库内光线柔和、空气流通。实心护板的高度为1.2 m，与围护立面平行，具有2 方面的作用：一是加强围护结构的强度，提高车库的安全性；二是避免地面上的小物体从垂直百叶窗的空隙中掉出，造成高空坠物的危险。

垂直百叶窗和实心护板的材料为聚碳酸酯，该种材料透光率高，抗冲击、耐蠕变性能突出，抗拉、抗弯强度高，韧性好，并具有较高的耐热性和耐寒性，且密度仅传统防雨罩覆层重量的三分之一，安装方便快捷，综合性能优良，已经成为了近年来建筑装饰业常用的理想材料之一。对于临时停车场，只设置实心护板，不设垂直百叶窗。

2 结构设计方案及计算分析

2.1 结构方案

结构体系采用装配式钢框架结构，地上共7 层，一层层高3.6 m，二至七层层高2.8 m，屋面上设有电梯间，电梯间层高2.8 m。结构设计使用寿命50 a，抗震设防烈度7 度，抗震等级为四级。

结构柱采用冷弯空心圆钢管柱，规格包括Φ400×8和Φ500×10，梁采用焊接H 型钢，规格为H250×175×6×10 和H400×250×6×10，支撑采用内约束防屈曲支撑，楼板、屋面板采用150 mm 厚预制薄壁钢管肋空心混凝土板。为满足快速拆装的要求，各主要结构构件在工厂内预制成型，并完成端板、耳板等连接件的焊接，运抵现场后通过螺栓进行连接，避免现场焊接作业。连接所用螺栓包括六角头高强螺栓和T 型单边螺栓，强度皆为10.9 级，摩擦性高强螺栓。

2.2 结构计算

通过设置防震缝将一个具有完整功能的停车单元分为“停车部分”和“坡道部分”，2 部分作为2 个独立的建筑物分别进行结构计算。停车部分一个单元的结构计算模型如图2 所示。

纵横向交接位置设置支撑，支撑截面为Φ83×3.5，采用人字形支撑，两支撑斜杆之间形成一消能梁段，消能梁段的长度为400 mm。支撑为内约束防屈曲支撑，只进行强度验算，稳定性由支撑内部填充的泡沫金属保证。坡道部分结构冷弯空心圆钢管柱包括GZ1 和GZ2 两种，GZ1 为Φ400×8，GZ2 为Φ500×10。梁包括GL1 和GL2 两种，GL1 为H400×250×6×10，GL2 为H250×175×6×10。

建立结构计算模型进行荷载作用下的内力分析，并对结构构件进行截面调整，满足设计要求，强度和稳定验算应力比控制在0.75~1，保证了结构经济性。水平风荷载和地震作用下水平位移均满足规范限值。结构的自振周期为1.74 s，第一振型为X向平动，第二振型为Y向平动，第三振型为扭转。其中，X向水平风荷载作用下楼层最大位移分析见表1，其中楼层最大位移为11.41mm，最大层间位移角为1/719。Y向水平风荷载作用下的楼层最大位移为11.34 mm，最大层间位移角为1/723。X向地震作用下楼层最大位移为38.03 mm，最大层间位移角为1/333，Y向地震作用下的楼层最大位移为31.47 mm，最大层间位移角为1/414。停车部分主体结构用钢量为39.59 kg/m2。

表1 X 向风荷载作用下楼层最大位移

坡道部分内力计算结果也均满足规范要求，其中自振周期为1.41 s，X向风荷载作用下楼层最大位移为1.65 mm，最大值层间位移角为1/9 333。Y 向风荷载作用下楼层最大位移为6.78 mm，最大值层间位移角为1/1 674。X向地震作用下楼层最大位移为18.20 mm，最大值层间位移角为1/795。Y向地震作用下楼层最大位移为21.82 mm，最大值层间位移角为1/531。坡道部分用钢量49.03 kg/m2。结构综合用钢555.09 t，综合用钢量42.51 kg/m2。

3 创新技术应用

3.1 快速拼装技术

建筑主体结构为钢结构，构件为H 型钢梁与圆管钢柱。H 型钢梁通过末端焊接的弧形端板与圆管柱连接，端板处适合使用高强螺栓，但是由于所使用的圆管钢柱为封闭截面，且柱段较长、柱口直径较小，在柱内壁进行安装操作十分困难，若仍然采用传统的带螺母的高强螺栓进行连接，将严重影响施工进度，并且大幅降低结构的装配化水平。采用T 型单边螺栓连接技术单侧拧紧的安装方式（图3），可以有效地解决封闭截面构件连接的问题，更好地提高建筑结构的装配化水平，实现快速拼装。该种T 型单边螺栓紧固件特点包括：不需要特殊的螺栓制造工艺和安装工具，避免了螺栓预紧力的损失；实现单侧安装，避免了在封闭钢管柱上开多余的空隙；安装孔的尺寸精密度要求较低，避免了微小变形对安装与拆卸过程的影响，提高了构件的利用率。该T 型单边螺栓还可用于楼板与梁之间的连接，使施工人员能够站在板顶插入螺栓、拧紧螺母，楼板面即为工作面，减少了施工用时，方便快捷。

图3 T 型单边螺栓图及梁柱节点

圆钢管柱拼接可采用螺纹连接的圆钢管柱，该种圆钢管柱连接节点，包括上下2 段圆钢管柱单元，圆钢管柱单元之间在拼接段处进行螺纹连接。其中位于上段的圆钢管柱单元上设有使撬棍穿过的撬棍孔，当上下相邻的两圆钢管柱单元吊装就位后，通过对插入撬棍孔的撬棍施力来旋紧上段圆钢管柱单元，完成钢管柱单元之间的连接。该螺纹连接节点克服了现场焊接节点的低效率、低质量、受天气和气候影响等缺点，降低了对工人技术水平的要求，通过简单的操作即可实现圆钢管柱的拼接。

3.2 模块化设计

车库由临时停车区和长期停车区组合而成，由4 个停车单元合并，临时停车单元与长期停车单元可采用相同设计，结构布局合理，单元的角柱、边柱上留有额外的螺栓孔，便于与其他单元进行连接。长期停车区域附带坡道，临时停车区域拆除后可保持独立停车功能。

每个停车单元均可被看作一个大型“模块”，其平面组合十分灵活，可组合成八边形、一字形、L 形等形成丰富的空间关系，在保证停车便捷高效的同时最大限度地利用场地面积。

每个单元内的每一层也可被看作“标准模块”，在结构设计方面，各层保持一致，在功能分区上利用模块化的可变性，通过拆分、组合等方式完成局部模块区域功能的转变。在层与层的叠放中，利用模块单元重复性的特点，通过模块单元的重复布局来构成整体建筑，在保证功能分区合理与结构形式可靠的同时，大大提升了车库的施工速度。

模块单元构成要素主要包括角柱、边梁、楼板3 个部分。角柱是模块单元中最重要的承重构件，其负责承受模块由楼板单元以及上层、模块传导下来的重力。由于模块单元需要具有较高的集成化，因此在角柱内集成排水管，辅助模块单元排水。在梁与角柱的连接上，主要是通过弧形端板与单边螺栓进行连接。边梁的主要作用是固定楼板，并维持模块单元整体的稳定性。作为主要受力构件之一，梁的作用除了维持自身结构的稳定性以外，由于对外的接触面较大，因此还具备固定附加构件的功能。在边梁与楼板的连接当中，在板下部对空间进行预留，用于室内照明排线。楼板是直接支承车辆、人员的承重构件，也是模块单元主要的内围护结构，需要考虑其防水性能等。楼板在设计中作为模块的底面时，容易出现积水等问题，因此楼板设计可采用塑性橡胶龟背式设计用于排水，同时在橡胶下依次布置保护层等，完成底面设计，顶面设计与地面设计类似。通过对模块单元自身的构造方式进行了系统性的分析研究，装配式建筑模块化设计中还需要考虑模块单元之间的组合关系，因此模块单元间的连接形式也是设计的重点。模块单元的组合形式可以分为水平方向的组合和竖直方向的组合。在水平拓展与竖向拓展向均有相应的设计。模块的水平拓展即通过模块互相组合扩大建筑空间。具体的连接方式是通过钢梁进行连接，相互之间通过预留孔洞进行准确定位，并用M22 螺栓进行梁与角柱的连接。模块的竖向拓展，主要是提高建筑的层数，以及丰富竖向的空间效果。具体的连接方式是通过柱与柱之间的螺纹节点进行柱的接长。除此之外，模块单元与地面也需要通过柱脚锚栓进行固定，保证模块单元的稳定性。

3.3 节能设计

本结构中由4 个单元组成，各单元中部镂空形成天井，在满足自然采光的同时增加了建筑整体的绿化面积。4 个单元组合为八边形后，八边形中部亦有一小天井，实现充分的自然采光。长期停车单元的屋面采用种植屋面与光伏屋面相结合的形式。坡道顶部及内天井顶部覆盖天窗，天窗采用碲化镉薄膜光伏组件。该种光伏组件热斑效应弱，在阴天、清晨、傍晚等弱光环境中也能发电，与传统晶体硅光伏组件相比有显著优点，此外，其透光率、颜色、形状可以根据需要进行个性化定制，可兼做建筑物的装饰层，集采光、遮阳、发电和装饰功能于一身，是实现光伏建筑一体化（BIPV）的良好材料。

屋面其他区域覆盖改良土，种植地被植物，为钢结构冰冷的外表增添了生机与活力，同时，绿色植物可以净化汽车尾气、吸收温室气体，从而改善空气质量、降低碳排放，使屋面美观、独特，更好地融入周围环境中，符合绿色建筑的设计理念。

4 结论与展望

本方案为快装式多层停车楼，由多个停车单元组成，可作为居民小区、商务区等地的长期停车场，或将4 个停车单元进行灵活组合，形成临时停车场，以满足短时间、高强度的临时停车需求。

结构方案采用装配式钢框架结构，满足快速拆装的要求。设计阶段采用模块化设计，实现了建筑构件的标准化与统一化，项目通过单边螺栓连接技术既保证了临时停车场部分的可拆卸装配化，又实现快速拼装的功能。通过采用新型结构形式与技术，以及创新的建筑结构，实现了建筑的绿色节能。采用的新型结构构件提高了结构的稳定性和施工装配的效率，同时降低了设计的建设成本。一定程度上减少了停车楼运营过程中的能源消耗，绿色清洁，对环境友好，符合国家的“双碳”战略。