近年来, 地下室的建设数量越来越多, 规模越来越大, 造价也越来越高, 地下室造价约占整个项目造价的10%～20%, 所以地下室结构方案的选择将直接影响项目建设成本。本文结合武汉某单位长丰村城中村改造K10地块项目实例, 通过对地下室结构布置进行多方案比较分析, 并结合建筑、设备专业的要求, 在结构选型上进行了一些探索。

　　 本项目总建筑面积约340 000m², 包含一层地下室和多栋高层住宅, 本文主要对地下室的结构方案进行分析, 地下室建筑面积约48 500m², 主要使用功能为机动车库和设备用房。地下室层高3.25m (结构高度) , 为满足建筑净高及设备管线要求, 结构构件高度需控制在550mm之内。

　　 地下室覆土厚度为1.2m, 恒载取值21.4kN/m², 活载考虑两种工况, 工况一:考虑正常荷载, 按4kN/m²取值;工况二:考虑消防车荷载, 消防车荷载折减后板按22.5kN/m²、梁按16kN/m²取值。结构设计使用年限为50年, 抗震设防烈度为6度 (0.05g) , 设计地震分组为第一组, 多遇地震水平地震影响系数最大值为0.04, 场地类别为Ⅱ类, 场地特征周期为0.35s。梁、板钢筋均采用HRB400, 混凝土强度等级为C30。主楼相关范围外地下室抗震等级为四级。

　　 地下室层高是建筑设计中一个重要方面, 它直接影响到土方开挖、降水、支护、抗拔桩布置数量等。控制地下室层高是影响工程造价的一个重要因素, 本项目抗浮设计水位接近地表, 减小层高带来的经济效益则尤为凸显。地下室层高由建筑净高、设备管线高度及结构构件高度控制。结构专业则通过方案比选以减小层高及材料成本, 从而达到降低工程造价的目标。

　　 本项目地下室建筑总层高为3.2m, 其中建筑净高为2.2m, 所以设备管线高度与结构构件高度必须控制在1m的竖向空间中, 因此本项目对设备专业和结构专业提出了更高的要求。鉴于此, 地下室选择了小柱网 (5.4m×5.4m) 无梁楼盖结构方案, 一方面可以减小结构构件自身高度;另一方面由于选择了无梁楼盖, 设备管线高度可以避开柱帽范围, 从而提高竖向空间利用率。同时为配合结构专业实现此目的, 暖通专业通过增加风机数量减小主风管大小等方式进一步优化了设备管线高度。图1和图2分别为地下室局部剖面示意图和设备管线剖面示意图。

　　 经过和设备专业配合, 同时结合小柱网无梁楼盖体系, 具体层高控制的原则如下:

　　 (1) 对于无梁楼盖部分, 尽量保证在同一垂直空间内最多只布置两种设备管线, 即风管加喷淋支管或电缆桥架加喷淋支管, 层高为板厚加风管加喷淋支管加建筑净高, 其中风管加喷淋支管高度为0.7m, 建筑净高为2.25m, 具体层高方案见表1。对于三种管道 (即风管、电缆桥架和喷淋支管) 出现在同一垂直空间的情况, 通过结构抬板来实现对层高的控制。

　　 (2) 在出现结构梁的部位, 尽量不布置风管, 只布置电缆桥架加喷淋支管, 结构板厚可以为梁高加风管加喷淋支管加建筑净高, 其中风管加喷淋支管高度为0.6m, 建筑净高为2.2m, 具体层高方案见表1。其他层高超过控制情况则通过梁上翻来实现层高要求。

　　 本文以小柱网不同楼盖体系的比选为基础, 拓展到小柱网条件与大柱网条件的相关经济性比较。小柱网尺寸为5.4m×5.4m, 楼盖的比选方案包括单向梁、框架大板、无梁楼盖;大柱网尺寸为7.8m×7.8m, 楼盖的比选方案包括单向梁、井字梁、框架大板、十字梁、无梁楼盖。楼盖的比选方案汇总见表2。

　　 分别对工况一和工况二作用下两种柱网条件中不同楼盖体系方案进行配筋设计, 并统计各种结构体系中梁、板、柱及基础的混凝土用量和钢筋用量, 对其经济性进行分析。

　　 取武汉市钢筋的平均单价为4 290元/t、混凝土的平均单价为416元/m³, 对工况一和工况二作用下小柱网和大柱网条件中不同楼盖体系的单方钢筋、混凝土及总造价进行对比分析, 结果如图3, 4所示。从图中可看出, 小柱网不同楼盖体系所需的混凝土用量和钢筋材料用量明显少于大柱网楼盖体系的, 其单方总造价比大柱网楼盖体系的可节约50～60元/m²。

　　 图5和图6分别为小柱网和大柱网条件下不同楼盖体系单方总造价。从图5可看出, 小柱网条件工况一作用下, 小柱网不同楼盖体系中无梁楼盖体系的造价与单向梁楼盖体系相当, 但比框架大板楼盖体系低, 在消防荷载作用下, 无梁楼盖体系的造价最低。小柱网条件工况二作用下三种楼盖体系的造价均比正常荷载作用下的高, 但无梁楼盖体系造价变化最小, 综合考虑实际受荷情况, 无梁楼盖结构体系更为经济。从图6可看出, 大柱网条件下, 不同楼盖体系造价从高到低依次为:框架大板、十字梁、无梁楼盖、井字梁、单向梁。

　　 对比图5和图6可看出, 无梁楼盖体系在小柱网条件下优势明显, 但在大柱网条件下优势并不明显, 由此说明, 楼盖体系的选择与柱网尺寸大小紧密相关。

　　 图7为小柱网和大柱网条件下不同楼盖体系对层高的影响。从图7可看出, 小柱网相较于大柱网, 地下室层高可降低200～400mm;无梁楼盖体系与框架大板楼盖体系相比, 小柱网条件下的地下室层高可降低250mm, 大柱网条件下的可降低450～550mm。随着地下室层高的降低, 在满足整体抗浮的前提下, 抗拔桩 (锚杆) 数量随之减少, 地下室内外墙高度随之降低。文献[5]指出, 层高每减少100mm, 地下室综合成本可节约30元/m²。

　　 综合考虑柱网尺寸、楼盖体系和层高对成本的影响可以发现, 小柱网条件相比大柱网条件综合成本更低。小柱网条件下综合成本造价由低到高依次为:无梁楼盖、单向梁、框架大板;大柱网条件下综合成本造价由低到高依次为:无梁楼盖、单向梁、井字梁、十字梁、框架大板。小柱网条件下无梁楼盖体系综合成本最低, 最为经济。

　　 本项目基础形式采用柱下独立基础加底板, 地基承载力设计值为410MPa。虽然实际承压水位很低, 但武汉市抗浮水位一般取地表, 通过在底板均匀布置抗浮锚杆可实现整体抗浮的要求, 不同柱跨单位面积所需抗浮锚杆数量相同。底板配筋设计时, 由于抗浮锚杆对底板形成支座约束作用, 底板实际计算板跨均很小, 配筋均为构造配筋。

　　 基础方案与经济性指标见表3, 考虑底板厚度和柱网尺寸对抗浮锚杆数量及布置影响较大, 本文假定在同一抗浮水位情况下, 不同柱网尺寸对抗拔锚杆数量、底板厚度、底板配筋无影响, 所以表3中仅包含独立基础的材料用量。由表3可以得到, 小柱网条件下基础成本与两种荷载工况及楼盖体系关系不大, 大柱网条件下不同楼盖体系、不同基础尺寸同一荷载工况下基础成本差别不大。

　　 本项目设计完成后, 对实际结构体系即5.4m×5.4m柱网下无梁楼盖方案的材料单方用量进行了计算, 计算结果如表4所示, 表中数据包含了地下室所有结构构件的混凝土和钢筋的结构算量, 不包括损耗用量、预制构件钢筋用量以及建筑构造钢筋用量。从表中可看出, 小柱网条件下无梁楼盖体系实际混凝土和钢筋与2.2节所述基本一致。

　　 本文对不同柱网和楼盖形式的地下室进行了层高分析及经济性比较, 所得结论如下:

　　 (1) 在层高优化方面, 采用小柱网可一定程度降低地下室结构层高, 同时通过对比地下室不同楼盖体系表明, 无梁楼盖方案对降低地下室结构层高比较明显。

　　 (2) 造价方面, 考虑无梁楼盖方案降低地下室层高带来的经济性影响, 小柱网的经济性要优于大柱网, 小柱网条件下综合成本造价由低到高依次为:无梁楼盖体系、单向梁体系、框架大板体系;大柱网条件下综合成本造价由低到高依次为:无梁楼盖体系、单向梁体系、井字梁体系、十字梁体系、框架大板体系。

　　 (3) 不考虑抗浮锚杆和底板对基础的影响时, 小柱网条件下基础成本与两种荷载工况及楼盖体系关系不大, 大柱网条件下不同楼盖体系、不同基础尺寸同一荷载工况下基础成本差别不大。