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简述地下室结构设计的要点
【摘 要】随着建筑行业的快速发展,目前建筑工程大多会设置地下室,以满足使用功能需求,提高土地资源的使用效率.本文以地下室为核心,首先介绍了顶板结构形式的合理选取,然后指出地下室外墙的设计要点,最后分析柱网的合理布置对工程造价的影响,以供参考.
【关键词】结构设计；地下室顶板结构形式；地下室外墙；柱网布置
在现代建筑中,地下室的主体结构一般采用框架结构或剪力墙结构.实践证实,地下室结构设计是否合理,关系到施工难易程度和整个工程造价的合理性；结构设计是否准确,关系到整个工程的安全性和耐久性,因此成为设计人员的关注重点.以下从顶板、外墙、柱网三个方面出发,探讨了结构设计要点.
1、地下室顶板结构形式的合理选取
1.1 顶板结构形式
地下室顶板结构形式,主要分为普通梁板式和无梁楼盖两种.对于纯地下室,顶板作为梁板楼盖承受楼面荷载；对于存在上部结构的地下室,顶板作为嵌固端具有整体约束的作用.具体设计时,一是考虑顶板的厚度,要求满足上部结构的承载力要求,满足建筑整体的抗震性能要求.结合现行的工程规范,当顶板作为嵌固端时,厚度不宜小于180mm.二是设计地下室层数时,要考虑到建筑功能、地基持力层深度、工程造价等要素,保证设计的科学性.三是设计工作受到设备专业空间的影响,以普通梁板结构为例,设备管道会占用较大空间,在设计期间应该预留出相应空间,避免出现专业碰撞问题.
1.2 经济性分析
以主次梁体系、十字梁体系、井字梁体系、无次梁大板体系、无梁楼盖体系为例,针对顶板结构设计成本进行分析.在工程单价中,包括材料费用、人工费用、机械费用、管理费用、规费税金、风险费用等.其中,柱网尺寸为8.1m×8.1m,荷载包括两个部分：一是恒载,取自重+1.2 米厚覆土；二是活载,消防荷载+ 楼面活载4kN/m2,以此确定构件的截面和配筋.经济性分析利用Satwe软件,结果显示：①当恒载在顶板中发挥较大作用时,选择十字梁体系的经济性好,其梁板布置合理,面对恒载能发挥出双向承载能力,既能减少梁体数量,又能控制楼板厚度,优化楼面荷载的传力路径.②当活载在顶板中发挥较大作用时,选择无次梁大板体系的经济性好,通过增加板厚,能减小顶板上的活载作用效应,增强顶板的承载能力.③在标准柱网尺寸下,选择无梁楼盖体系的经济性好,能减少模板安装、钢筋绑扎、土方开挖工作量,且结构更加美观实用,有利于布置水电、通风、消防管道.2、地下室外墙设计
2.1 荷载分析
地下室外墙即外侧挡土墙,承受的荷载包括：①结构自重；②地面堆载和活载；③侧向土压力；④地下水压力；⑤水平人防等效静载等.考虑到地下室埋在土层内,因此地震力、风荷载对结构的影响小；而竖向荷载有利于结构安全性,且不起控制作用.由此可见,地下室外墙设计的重点,在于水平荷载分析,要求满足工程设计需要.考虑到地下室外墙一般不会发生位移和变形,计算土侧压力时,以静止土压力为准,系数取值0.50-0.55 之间；如果考虑到基坑支护桩的作用,还要根据支护桩的实际情况对该系数进行折减.总结来看,在普通地下室中,外墙荷载等于 地面活载+ 侧向土压力+ 水压力；在人防地下室中,外墙荷载等于 人防等效静载+ 侧向土压力+ 水压力.
2.2 计算简图
第一,普通地下室.如果地下室外墙的框架柱尺寸较大,或者和钢筋混凝土墙相交,外墙设计可以按照双向板计算.具体到外墙框架柱,还要考虑外墙水平荷载对柱的作用,其余情况则按照单向板进行计算.单向板计算简图,是以地下室的底板作为嵌固端,各层楼板作为支点,取宽度为1m 的外墙,按竖向单跨板、多跨连续板进行计算.如下图1,是地下室外墙水平荷载示意图,其中q1 代表平时工况下地面活载引起侧压力,或战时工况下水平人防等效静载；q2 代表地下水位以上土侧压力；q3 代表地下水位以下的土侧压力；q4 代表地下水压力.
第二,人防地下室.在人防地下室中,平时荷载作用下,和普通地下室的外墙计算一致.战时荷载作用下,外墙计算简图和普通地下室一致,外墙荷载计算要增加武器爆炸时产生的人防等效静荷载作用.
2.3 外墙构造
在地下室的外墙构造上, 要考虑到混凝土性能、防水规范等要求, 一般厚度不低于250mm；迎水面纵向受力钢筋的混凝土保护层厚度不低于30mm；混凝土强度等级不低于C20；外墙水平钢筋在外侧配置,竖向钢筋在内侧配置.为了避免混凝土结构开裂,不宜选择过高的混凝土强度等级,可适量掺入抗裂膨胀剂.
3、地下室柱网的合理布置对工程造价的影响
3.1 常见柱网布置方案
地下室柱网的布置方式,直接影响停车效率,柱网布置应该增加车库内的有效停车面积,减少柱子带来的空间浪费.在车库面积一定的条件下,柱子数量越多,停车位数量越少.因此,加大柱网的间距,是增加停车位最有效的办法.但是,柱网间距增大,柱体截面、梁高、层高均相应增加,会提高造价成本.结合以往工程实践,柱网尺寸控制在8.0-8.5m,相邻两柱之间停放3 辆车比较合适,兼顾经济性和合理性.
一个标准的停车位,长度约为5m,宽度约为2.4-2.5m,双车道宽度为5.5m,由此可以推算出柱网长度、宽度为8m×8m.如此布置柱网美观实用,提高了空间利用率,适用于正方形停车位、相互交错的行车路线中.而在狭长形的停车位、单一行车路线中,如此布置柱网会提高工程造价,必须调整柱距、减小跨度,既能顺利行车和停车,又能降低工程造价.
3.2 案例分析
某地下室作为车库使用,初始方案设计柱网尺寸为8m×8m,规划停车位144 个,车库面积共计约4480m2,平均每辆车的占地面积为31.1m2.分析该柱网布置方案的缺点,是对南北方向行车道的利用不充分,西南方位的停车流线不畅,会影响车辆正常进出.优化设计方案后, 柱网尺寸为（4.7+4.7+6.6）m×8m, 车库面积减小至3595m2,在停车位数量不变的前提下,平均每辆车的占地面积减小至24.9m2.对比可知,优化柱网布置方案后,一方面减小了地下室面积、柱网梁跨、层高等指标,提高了地下室使用效率；另一方面地下室开发空间缩减约20%,能为地面管线的布设创造有利条件.
结语：
地下室是现代建筑工程的重要组成部分,地下室结构设计是否科学合理,直接影响整个工程的进度、施工质量、工程造价等.文中以顶板的结构形式、地下室外墙、柱网布置为核心,介绍了地下室的设计要点和注意事项,希望为类似工程的设计提供经验借鉴.
参考文献：
[1] 付全. 地下室空心楼盖结构设计要点分析[J]. 工程建设与设计,2014,(8):41-43.
[2] 古俊东. 高层民用建筑地下室结构设计分析[J]. 山西建筑,2017,(21):41,94.
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