地下车库结构经济性优化设计
摘要：针对住宅的地下车库结构经济性优化设计，探讨了从柱网方案选型、梁板布置到主要参数选取等多方面控制结构成本的思路和方法，并对地下车库含钢量、含混凝土量的常规控制指标及规律进行了统计和介绍，可供设计人员参考
关键词：经济性优化；柱网选型；梁板布置；成本控制；含钢量；含混凝土量
房地产公司为了控制土建成本，获得利润最大化，常常在设计合同中提出结构含钢量和含砼量的控制指标。而地下车库，尤其是上部有多栋塔楼的大底盘地下车库在整个项目中的造价占比相当大，是结构经济性优化的重中之重，直接关系到整个项目结构经济指标的优劣。如何在确保结构安全性和建筑使用功能的前提下、进行结构经济性优化，设计出安全可靠、经济合理的作品成为结构工程师关注的重点。
1. 车库轴网尺寸的比选：
对于地下车库来说，柱网暨车位排布方案对工程造价有着非常重大的影响。目前工程中常见柱网一般为3车位，根据各地要求及项目定位的不同，开间为8.4米或8.1米不等。在停车效率相同的前提下，如果采用2车位的小面宽柱网，梁跨减小及其关联产生的连锁反应必然对结构经济性大有裨益。由此，对小柱网的可行性和经济性进行考量是非常必要的。
以下对8.4mx6.0m跨度柱网（每柱网停3辆车，图1，简称“大
柱网”）和5.6mx6.0m跨度柱网（每柱网停2辆车，图1，简称“小柱网”）进行建筑功能、结构经济性比较。两种方案单车位宽度均为2.6m，均取67.2mx55.8m相同面积的区域进行比较。由图2.1和2.2及表1可知：两种方案停车数量相同。即，在面积相同的情况下，两种方案布置的车位数非常接近，这一点在实施过的几个实际项目中也得到了印证。另外，经过对市场的调研发现：对于3车位柱网，客户通常优先选择靠柱的车位----因为在两侧有车的情况下，中间车位开门不便。由此可见，双车位柱网对建筑功能和终端销售无负面影响。
在结构经济性方面，按相同的荷载工况对两种方案的地下室进行结构设计，以比较工程造价。顶板厚度均为200，顶板计1.5米覆土荷载，不考虑人防等效静载，桩基均采用预制方桩。表1对结构构件尺寸进行对比，表2和表3分别对顶板和底板的工程量进行了对比。5.6mx6.0m跨度小柱网由于跨度减小，不仅梁配筋可大幅减少且控制性梁高也可降低；层高可降低0.2m，墙柱等竖向构件的砼和钢筋用量均下降，并使土方开挖及围护费用得以降低；跨度减小同时使得底板和地梁钢筋、底板厚度均得以减小。柱数量虽增加，但由于截面尺寸小，柱单项造价与大柱网很接近。由表3可得出结论：5.6m双车位柱网在节省工程造价方面优势明显，对于钢筋、混凝土用量可节约10%左右，按地下室造价3000--3500元/平方估算，则每平方可节约300余元，值得向建设单位推广。
与上述情况类似，在比较了不同跨度的柱网后发现，在不影响停
车位数量的前提下，矩形柱网优于正方形柱网，且柱网尺寸越小，结构的经济性指标越好。另外，也需从有利于建筑和设备专业实现使用功能着想，力求与其他专业达到和谐共赢。
2.对于桩基造价，根据土质及桩基选型的差异会互有高低。但总体而言，建筑面积及荷载总量相同，桩数及造价必然基本接近。2.结构布置形式的选用及比较
地下车库顶板、顶梁的造价在约占整个车库结构造价的40%左右，因此选取合理的结构梁板布置形式非常重要。常见的次梁布置形式有“十字形”、“两横两纵”、“两横一纵”、“单向双纵”、“单向纵梁”，前两者常用于正方形柱网，后三者常用于矩形柱网；此外“主梁大板（无次梁）”等形式也常被设计人员所采用。对上文所列大小柱网采取不同的梁板布置形式（图3.1，图3.2）进行计算对比，结果如表4。
经过对比发现，主梁大板（无次梁）的形式造价最高，井字梁（含十字型或两横一纵、两横两纵等）的形式造价居其次，而单向布梁的形式结构用材最省。因此，在地下室顶板设计中推荐采用单向布梁的方式，此时x向框架主梁为控制性要素，可设置梁底加腋等措施控制其梁截面和配筋率。
3.主要参数的合理选用
在选定经济合理的结构布置的同时，应精确控制各项技术参数、覆土厚度及荷载；严格控制计算程序中所取的各类参数值，不盲目放大，以确保满足计算又经济合理的含钢量。在地下车库设计中，
对结构经济性影响较大的主要参数有：
1）消防车荷载：应按建筑总图输入消防通道和登高场地处的消防车荷载，不应盲目扩大荷载范围；计算消防车荷载时应按《建筑结构荷载规范》（gb 50009-2012）[1]（以下简称《荷载规范》）附录b考虑覆土厚度折减，但该规范中未明确覆土应力扩散角的选取范围及方法。可参照《城镇供热管网结构设计规范》（cjj105-2005）[2]附录c，取覆土应力扩散角为35°。
2）抗浮水位的选取：确定抗浮水位时，应考虑周边场地、道路标高的影响。尤其是场地周边存在较大高差时，水位的选取应既合情又合理，此类情况建议分段考虑水位。如，某项目场地及周边市政道路为北高南低，南北高差达2.5米，经过与地勘单位、建设单位和相关专家研究确定，以水平长度20～30米分段，各区段抗浮水位按阶梯式变化取值，在确保安全的情况下也实现了良好的经济性。
3）. 抗浮计算系数的选取：目前抗浮计算系数存在着多种计算方法，第一种为根据《荷载规范》3.2.4.3条文说明，永久荷载抗浮分项系数按工程经验取不大于1.0的值——则浮力取标准值，抗浮分项系数按经验取为0.9；第二种同样根据《荷载规范》3.2.4.3条文说明，采用其它规范——则采用《给水排水工程构筑物结构设计规范》（gb 50069-2002）[3]5.2.3条的计算方法，即建筑物抗浮稳定系数取1.05，抗浮分项系数为1.0；第三种计算方法为根据《民用建筑工程设计常见问题分析及图示》（05sg109-1）[4]3.6.11，
建筑物抗浮力及浮力分项系数均为1.0，且两者比值不小于1.0；经试算，第一种计算方法较为不利，且与其它可借鉴规范中抗浮条款的安全度相当，故此可按第一种方法进行抗浮验算。
4.地下车库含钢量、含混凝土量的常规控制指标及规律
笔者统计了地下车库结构含钢量，含混凝土量的常规指标，见表4。
经计算统计，不同类型地下室车库经济性指标存在着一定的变化规律。在荷载取值相同的情况下，大柱网比小柱网钢筋含量高30 kg/m2，混凝土含量高0.25 m3/m2；抗震等级每增加一个等级，钢筋含量增加10 kg/m2，混凝土含量无变化；人防地下室比普通地下室钢筋含量高30 kg/m2，混凝土含量高0.25 m3/m2；二层地下室比一层地下室钢筋含量少30 kg/m2，混凝土含量少0.25 m3/m2。
5.结语
结构专业在前期方案、结构体系等基础性问题上应主动提前介入，与建筑、设备等相关专业协调，充分考虑，尽量提出有利于达成经济性指标的方案，否则建筑方案确定后，土建造价的基数就已大致定型，施工图阶段再想调整为时已晚；在初步设计阶段，应对梁板布置等进行多方案比选，做到心中有数，为施工图设计奠定基础、指明方向；施工图阶段计算配筋时则应按实取用荷载，合理选用参数，于细处挖潜，不盲目放大配筋；而附属构件或构造性钢筋可以尽量取低限，合理配置有限的资源，力求将“好钢用在刀刃上“。
