上海某高层住宅地下室结构优化设计

蒋 坤

(上海闵澜房地产开发有限公司,上海 200237)

随着我国近年来房地产业的迅猛发展,全国各地兴建了大量高层住宅,相应的工程造价也不断提高[1]。在国家建设“资源节约型社会”的政策倡议下,各建设方均愈发重视住宅项目的成本优化。高层住宅通常伴随大底盘地下室,而建筑物地下部分的工程造价约占整个项目的35%[2];同时根据规范中相应条文,地下室构件相应的抗震构造措施要求低于主楼[3],因此如何将地下室设计得安全且经济,通常会成为工程项目节省成本的重点。

本文以上海某高层住宅项目近8.6万m2的大底盘地下室作为工程实例,对地下室底板厚度、顶板及中层板的布置形式进行优化比选,可为类似项目提供设计参考。

1 工程概况

本工程位于上海市杨浦区,东至兰州路,西至P-07地块,南至昆明路,北至P-06A地块边界,规划用地面积为69 399.6 m2,总建筑面积约282 089 m2,其中地上总建筑面积196 089 m2,地下建筑面积86 000 m2。本工程由地上16栋12层—20层高层住宅楼、配套用房和局部地下2层大底盘地下室组成;建筑抗震设防分类为丙类,抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.10g,设计地震分组为第二组,建筑场地类别为Ⅳ类,场地特征周期为0.9 s。其中12层—20层住宅楼采用剪力墙结构体系,配套用房及地下室采用框架结构。

2 底板优化设计

2.1 底板设计参数

本工程地下室为满铺一层,局部两层,其中地下1层底板面相对标高为-5.65 m,地下2层底板面相对标高为-9.25 m,抗浮水位取为室外地面以下0.5 m,其余相关设计参数见表1。

表1 顶板经济比选相关参数表

2.2 底板厚度经济性比选

首先对一层地下室的底板厚度进行比选：基础形式采用抗拔桩+筏板+下柱墩,基础平面布置简图见图1,其中常工况下柱墩高度(含底板)统一取为800 mm,典型下柱墩平面尺寸取为3 100 mm×3 100 mm/2 800 mm×2 800 mm,柱墩侧边放坡角度为90°。

单层地下室底板按350 mm和400 mm两种厚度进行比选。在试算过程中发现,350 mm厚底板在按最小配筋率配置贯通钢筋后,仍需附加较大的钢筋才能满足抗弯计算要求。故考虑配筋方便,350 mm厚底板方案进一步拆分为：

1)X向按最大弯矩值贯通配筋(板底贯通筋为14/16@160 mm,板顶贯通筋为16/18@160 mm),Y向仍按规范[4]中最小配筋率贯通(板顶、板底均为12@200 mm)+附加筋形式;2)X,Y向均按最大弯矩值贯通配筋(板底贯通筋为14/16@200 mm双向,板顶贯通筋为16/18@200 mm双向),400 mm厚底板按贯通筋+附加筋形式配筋,其中X向板底贯通筋为14@180 mm,板顶贯通筋为14/16@180 mm,Y向贯通筋板顶、板底均为12@180 mm。

三种配筋方案下的经济性对比结果如表2所示。

由经济对比分析算量结果可知,常荷载工况下,350 mm厚单向贯通配筋方案造价最为节省,但由于本项目实际柱跨纵横交错,实施图纸中绘制配筋一般按双向贯通配筋方案,此时400 mm厚底板配筋方案经济性反而优于350 mm厚底板双向贯通配筋方案,同时结合上海当地相关工程经验,单层地库常工况下选择400 mm厚底板造价最节省。

表2 (常工况)单层地下室基础底板算量结果

按照以往项目经验,两层地下室底板厚度通常取450 mm或500 mm,故对上述两种底板厚度进行比选以确定最优厚度。常工况下柱墩高度(含底板)统一取为800 mm,典型下柱墩平面尺寸取为2 800 mm×2 800 mm/3 100 mm×3 100 mm,450 mm厚底板板底贯通筋为12@160 mm双向,板顶贯通筋为X向16/18@160 mm,Y向12@160 mm;500 mm厚底板板底贯通筋为12@150 mm双向,板顶贯通筋为X向16@150 mm,Y向12@150 mm。仍取典型柱跨,两种板厚方案下的经济性对比结果见表3,从计算结果可得出,当底板厚度为450 mm时经济性更优。

表3 (常工况)两层地下室基础底板算量结果

核6级人防工况下两层地下室底板厚度比选与常工况类似,区别在于需额外考虑人防荷载25 kN/m2,故人防区域的贯通筋配筋率需按0.25%控制,则与此配筋率对应的450 mm厚底板贯通筋为14/16@150 mm双层双向,500 mm厚底板贯通筋为16@150 mm双层双向。在人防工况下,450 mm厚和500 mm厚的底板经济性对比结果见表4,同样是450 mm厚底板造价更节省。

表4 (人防工况)两层地下室基础底板算量结果

综合上述比选结果,本项目单层地下室底板厚度选为400 mm,双层地下室底板厚度选为450 mm最为经济。

3 地下室顶板优化设计

3.1 顶板设计参数

典型柱跨尺寸与底板统一,取为8 100 mm×(5 200+6 600+5 200)mm,覆土厚度为1.5 m,地下室顶板混凝土强度等级取C35,考虑覆土厚度的顶板恒载为27.5 kN/m2,活载为5 kN/m2。

3.2 顶板方案经济性比选

拟采用以下三种方案(如图2所示)进行常工况下经济性比选。

方案一：框梁大板,X向主梁截面尺寸为350 mm×800 mm,Y向主梁尺寸为300 mm×600 mm/700 mm,顶板厚度取为250 mm。

方案二：单次梁,X向主梁及次梁截面尺寸均为300 mm×700 mm,Y向主梁尺寸为400 mm×800 mm,顶板厚度取为250 mm。

方案三：十字梁,X向主梁截面尺寸为350 mm×800 mm,Y向主梁尺寸为350 mm×700 mm/800 mm,两个方向的次梁截面尺寸均为250 mm×600 mm,顶板厚度取为250 mm。

上述三种顶板方案在典型柱跨下的经济性对比分析详见表5,由表5中结果可知：方案一(框梁大板)造价最节省。

表5 (常工况)地下室顶板算量结果

方案一：框梁大板,X向主梁截面尺寸为450 mm×800 mm,Y向主梁尺寸为300 mm×800 mm,顶板厚度取为250 mm/300 mm(其中300 mm板厚用于6.6 m跨)。

方案二：单次梁,X向主梁及次梁截面尺寸均为450 mm×750 mm,Y向主梁尺寸为500 mm×800 mm,顶板厚度取为250 mm。

方案三：十字梁,两个方向的主梁截面尺寸均为450 mm×800 mm,两个方向的次梁截面尺寸均为300 mm×750 mm,顶板厚度取为250 mm。

上述三种顶板布置方案在消防工况下的经济性对比分析详见表6,由表6中结果可知：方案一(框梁大板)造价最节省。

表6 (消防工况)地下室顶板算量结果

由上述比选结果可知,无论是常工况还是消防工况,均为框梁大板方案经济性最优,故本项目顶板布置方案统一选择框梁+大板。

4 地下室中层板优化设计

4.1 中层板设计参数

典型柱跨尺寸仍取为8 100 mm×(5 200+6 600+5 200)mm,中层板梁、板混凝土强度等级取为C35,钢筋强度等级取为HRB400,常工况下顶板附加恒载为2 kN/m2,活载为4 kN/m2,其余相关设计参数均同表1。

4.2 中层板方案经济性比选

常工况下对以下三种中层板方案进行经济性对比：

方案一：框梁大板,X向主梁截面尺寸为250 mm×600 mm,Y向主梁尺寸为250 mm×500 mm,板厚取为150 mm/180 mm(180 mm板厚用于6.6 m跨)。

方案二：单次梁,X向主梁及次梁截面尺寸均为250 mm×550 mm,Y向主梁尺寸为250 mm×600 mm,板厚取为120 mm。

方案三：十字梁,X向主梁截面尺寸为250 mm×600 mm,Y向主梁尺寸为250 mm×550 mm,两个方向的次梁截面尺寸均为250 mm×500 mm,顶板厚度取为120 mm。

上述三种地库中层板方案在典型柱跨下的经济性对比分析详见表7,由表7中结果可知：方案二(单次梁)造价最节省。

表7 (常工况)地下室中层板算量结果

与常工况相比,核6级人防工况下中层板设计需另考虑人防荷载55 kN/m2。消防荷载工况下同样采用三种顶板布置方案进行比选：

方案一：框梁大板,X向主梁截面尺寸为350 mm×800 mm,Y向主梁尺寸为300 mm×600 mm/700 mm(其中700 mm梁高用于6.6 m跨),板厚取为200 mm。

方案二：单次梁,X向主梁及次梁截面尺寸均为300 mm×750 mm,Y向主梁尺寸为400 mm×800 mm,板厚取为200 mm。

方案三：十字梁,X向主梁截面尺寸为350 mm×800 mm,Y向主梁尺寸为300 mm×800 mm,两个方向的次梁截面尺寸均为250 mm×750 mm,板厚取为200 mm。

上述三种中层板方案在核6级人防工况下的经济性对比分析详见表8,由表8中结果可知：方案一(框梁大板)造价最节省。

表8 (人防工况)地下室中层板算量结果

5 配筋控制原则

1)地下室顶板计算时,在消防车荷载作用下,梁配筋计算的荷载应按照荷载规范要求折减(双向楼盖折减系数取0.8),否则需分两个模型分别计算梁、板配筋。

2)地下室顶板框架梁梁宽等于350 mm时,当采用四肢箍时,跨中采用两根主筋+架立钢筋的配筋形式,地下室顶板次梁跨中采用架立筋的配筋形式,梁宽为350 mm时,在满足计算要求的前提下宜采用三肢箍。

3)地下室顶板有消防车荷载作用的区域,常规做法为顶板梁截面按照消防车荷载作用下承载能力极限状态(强度)及正常使用极限状态(裂缝)进行包络设计配筋。但根据以往工程经验,地下室顶板有消防车荷载作用的区域,顶板梁截面的配筋通常由承载能力极限状态控制,如采取包络配筋,则实际配筋按包络值即可,无需再放大配筋。

4)地下室顶板在人防荷载作用下,按照《人民防空地下室设计规范》第4.9及4.10节相关规定,顶板梁可仅按照承载能力极限状态(强度)进行截面配筋设计,配筋量不需放大。

5)地下室顶板矩形混凝土梁按考虑楼板翼缘的T形梁配筋,地下室顶板梁的通长钢筋宜采用小直径钢筋贯通,如采用直径18 mm,20 mm,22 mm等,梁底第二排钢筋按照国标图集做法——截断不伸入支座。

6)地下室底板配筋按双层双向,按最小配筋率要求贯通后,计算值不满足时再附加钢筋,底板底筋伸入基础内满足锚固或搭接长度即可。

7)对地下车库挡土墙,可采用单向板计算,对主楼下的挡土墙,符合条件的采用双向板计算。

8)外墙外侧竖向钢筋采用通长钢筋+附加钢筋,附加钢筋长度为1/3层高,且内外侧配筋分别按各自的计算结果进行配筋,外墙裂缝计算按常水位工况的0.3 mm裂缝限值控制(迎水面无需按0.2 mm,详《全国民用建筑工程技术措施结构》(混凝土结构)2.6.5条),水平筋按单侧0.15%构造配筋;外墙顶部和底部不需设置暗梁。

9)常工况下,单层地下室基础底板厚度不宜大于400 mm,柱帽厚度按冲切控制要求,不宜加大高度。柱帽尺寸不宜大于柱网尺寸的1/3,基础底板贯通钢筋和柱帽钢筋的最小配筋率统一按0.15%控制(防水板贯通筋优先按卧置于地基土上的底板考虑,贯通筋配筋率按0.15%)。

10)人防底板内力如为人防工况控制,则底板贯通筋按0.25%配筋率(混凝土强度等级不大于C35),如为平时工况控制,则按0.15%配筋率。

11)基础底板形式为筏板加柱帽或独立基础加防水板时,基础底板不应设置暗梁。

12)人防临空墙的配筋建议采用分离式配筋,即通长竖筋加支座附加短筋的方式,不得将支座处的计算钢筋沿全高布置。

6 结论与展望

1)结构设计优化是在满足规范要求及保证结构承载能力安全的前提下合理地节省工程造价,并非盲目地减少工程成本。

2)经过经济性对比分析,结合相关工程经验,本工程单层地下室底板厚度定为400 mm,两层地下室底板厚度定为450 mm,地下室顶板选择框梁大板方案,对于地下室中层板,人防区域选择框梁大板方案,非人防区域选择单次梁方案。

3)结构设计优化贯穿整个设计过程,除本文涉及的顶、底板方案比选及配筋控制原则外,还包括模型参数、荷载输入及构造措施等;故在工程设计中需要不断的深化对结构设计的理解,采取多种合理技术手段以实现优化的目的[5]。