1、地下车库结构用钢量设计优化方案研究I地下车库结构用钢量设计优化方案研究上海中森建筑与工程设计顾问有限公司2014 年 12 月地下车库结构用钢量设计优化方案研究II目录一、前言 11.1 背景 .11.2 精细化设计的意义： .2二、 优化设计目标 2三、影响地下车库成本与用钢量的因素 31. 地库顶板面覆土厚度 .32. 地库柱网 .33. 地库顶板结构布置形式 .34. 地下车库层高及设备管线高度 .3四、地下车库建筑与结构方案选型 51. 基本条件 .52. 荷载条件 .63. 柱网跨距 .64. 地库建筑平面图 .75.停车指标： .116.通风机房布置图 .117. 地库剖面及结构层
2、高 .138. 地库顶板结构布置形式 .159. 侧墙 .1510. 基础 .15地下车库结构用钢量设计优化方案研究III五、顶板的优化分析 165.1 大柱网的顶板优化分析 .165.1.1 井字梁布置的顶板优化分析： 165.1.2 十字梁布置的顶板优化分析： 185.1.3 无粱楼盖的顶板优化分析： a. 柱帽类型说明 .215.1.4 大柱网三种梁板布置形式的用钢量比较 285.2 大小柱网的顶板优化分析 .295.2.1 单向梁布置的顶板优化分析 305.2.2 框架梁+大板布置的顶板优化分析 325.2.3 无粱楼盖的顶板优化分析 355.2.4 大小柱网三种梁板布置形式的用钢量比
3、较 445.3 小柱网的顶板优化分析 .455.3.1 框架梁+大板的顶板优化分析 455.3.2 无梁楼盖的顶板优化分析 475.3.3.小柱网两种梁板布置形式的用钢量比较 .52六、地库外墙的优化分析 536.1 挡土墙荷载 .536.2 计算模型 .536.3 挡土墙配筋 .546.4 配筋表 .546.5 每延米配筋量及混凝土量 .55地下车库结构用钢量设计优化方案研究IV6.6 结论 .57七、桩基和基础的优化分析 587.1 地库基础底板的优化分析 .587.1.1 各种柱网底板的方案比较 587.1.2 基础含钢量统计 647.1.3 结论 647.2 地库桩基的优化分析 .65
4、7.2.1 各种柱网桩型及数量的比较 657.2.2 小结 66八、优化分析汇总与总结 67九、地库优化用钢量的建议与措施 701. 地库顶板优化的建议与措施： .702. 地库底板优化的建议和措施： .713. 外墙配筋优化方案： .714. 汽车坡道优化的建议和措施： .725地库桩基承台优化的建议和措施： 72十、结语 73地下车库结构用钢量设计优化方案研究1一、前言1.1 背景由于建造地下建筑时要考虑防水、防灾减灾、人防、以及作为上部建筑的基础和嵌固端等因素，其建设成本常常较地上建筑高，其设计的合理、正确与否，直接影响结构安全和工程造价。然而现阶段地库结构设计混乱、每平米材料用量差别较
5、大，主要表现在以下几个方面：方案设计方面：建筑方案布置不合理；车道位置布置未经过优化；嵌入式地库与非嵌入式地库未经过分析比较；柱网布置未经过扩初经济性分析等。设计院方面：现阶段各设计院设计水平参差不齐；设计人员水平有差异；个别设计师对规范掌握不透彻，一味的追求安全，人为放大配筋，殊不知有时候放大反而不安全；有的设计院虽然对车库进行了经济性比较，但是比较过程中人为的倾向某一类结构设计方案，未能从整个项目的角度，全面地对结构方案进行经济性优化比较。设计软件方面：市场上的一些主流结构设计软件在使用过程中暴露出诸多缺点，得出的部分数据结果不尽合理，未能真正反映结构的实际情况，需要对分析结果进行较多的人
6、为干预。受限于设计人员对软件理解的差异，未能对设计结果进行正确解读，无形中增加了结构工程的造价。施工单位方面：有的施工单位读图能力较弱，无法正确理解设计单位意图，且在施工过程中以赶工期等名义，有意无意地以自身利益出发，擅自不按设计图纸进行施工，而对工程质量缺陷及造价增加采取纵容的态度。造价单位方面：造价预算人员对施工图纸理解不到位；不熟悉结构构造做法；钢筋测算精度不够，漏项、增项问题严重，造成测算不准等问题。开发商方面：有的开发商在施工过程中仍对设计方案进行调整，造成边施工、边调整方案、边设计的局面，人为造成土建费用上升。 地下车库结构用钢量设计优化方案研究21.2 精细化设计的意义：近年来，
7、由于土地价格不断上涨，使得开发商的建筑总成本在不断地增加，这就给开发商的成本控制带来了极大压力；同时，由于人们对生活环境和居住条件的要求在不断提高，所以对建筑产品的品质要求也就在不断提高，开发商只有不断寻求新的手段才能满足消费者的需求，因此降低工程造价就成为开发商重要的追求目标，1）结构精细化设计并不是单纯的挑毛病，而是通过交流、学习好的经验和做法，找到更为合理、经济的设计方案，来提高有限空间的利用率，使有限的资源发挥更大的作用。2）地下车库由于建筑面积较大，所耗费建筑材料较多，相应的建设造价也就很高，一般地下车库的造价占小区总建设造价 7%21%的比重。从经济性的角度而言，有必要采用优化设计
8、降低地下车库的造价，对于开发商来说可以带来可观的经济效益。3）结构设计的优化是在充分尊重原设计遵守规范的基础上进行的，通过优化的过程，互相学习，也有利于提高设计院结构设计人员的设计水平。4）优化设计能够以最经济的手段来实现降低成本，提高结构性能，增大使用空间，缩短施工工期的效果。5）建筑结构领域开展优化设计，符合节约能源，保护环境和可持续发展的综合国家策略。二、 优化设计目标1. 对目前市场上各兄弟地产公司地库用钢量进行汇总，并列举各公司地库用钢量指标。2. 通过对地库各类结构体系的研究，明确各结构体系对地库用钢量的影响。3. 以金山、宝山两个实际工程为模板，在保证地库车位数量相同的前提条件下
9、，对不同柱跨会对地库建筑面积造成怎样的影响并进而对结构用钢量造成怎样的影响进行详细分析。4. 通过对地库不同柱跨的研究，明确柱跨对地库用钢量的影响。5. 结合旭辉公司金山和宝山两个实际工程，对结构用钢量研究成果进行验证，并对与主地下车库结构用钢量设计优化方案研究3楼连接关系采用到底采用融合式还是分拆式进行浅显的研究比较。6. 对目前设计市场的一些结构优化手法进行归纳、总结，做为今后地库项目设计的参考依据。三、影响地下车库成本与用钢量的因素1. 地库顶板面覆土厚度覆土厚度的确定主要取决于外场设备管线所需要的深度、景观种植和抗浮的需要，在满足上述要求的前提下，应尽量减少覆土厚度，以降低地下室土建造
10、价。2. 地库柱网地下车库建筑面积主要是以控制车位为主，合理的柱网布局能有效提高单个车位的建筑面积利用率及层高利用率，降低工程造价。3. 地库顶板结构布置形式地库顶板楼盖系统的混凝土用量和用钢量占整个结构成本的 50%以上，不同的楼盖体系（如主次梁、井字梁、大板、无梁楼盖）对整体造价有较大影响。4. 地下车库层高及设备管线高度地下车库层高由车辆所需净高、设备管线高度和构件截面高度三部分组成，设备管线的合理排布能有效减少层高，降低开挖、围护等工程费用。a) 地库建筑平面布置（包括嵌入式与非嵌入式、外墙总长度等）地库从总平面布置上来看可分为嵌入和非嵌入两种，其中，非嵌入式是将高层主楼地下室与地下车
11、库完全脱开，并通过连通口相连接；而嵌入式则是将主楼地下室嵌入地下车库中，不再另设连接通道。相较于非嵌入式，嵌入式周边一跨范围顶板配筋率需增加 0.05%，且高低跨处须设置混凝土腋角，造成土建工程费用的增加；为了协调主楼与地库底板标高，嵌入地下车库结构用钢量设计优化方案研究4式的主楼地下室比非嵌入式埋深更深，主楼区域造价更高。但另一方面，嵌入式地库与主楼连接区域可共用竖向构件；主楼地下室还可以布置车位，减少了地下车库的车位数量和建筑面积。建筑总平面布局决定了外墙总长度，相比非嵌入式地库，嵌入式地库外墙总长较短，外墙相对项目土建总造价的比重较低。b) 地库底板高差由于建筑功能布局的原因，地库底板存
12、在一定高差，如此类情况出现过多，会增加构造钢筋用量，引起地库底板整体用钢量和混凝土方量的抬升。c) 地库桩型选择根据上海地区常年水位标高情况，地库桩通常按抗压和抗拔双控。目前地库桩型种类较多，大致可分为预应力混凝土管桩、混凝土灌注桩、预制混凝土方桩、预应力混凝土空心方桩四种。其中又以预应力混凝土管桩及预应力混凝土空心方桩使用最为普及，每延米价格也较为节省，而在靠近地铁或与周边建筑临近的地区，可采用造价较高、施工较慢的混凝土灌注桩。预制混凝土方桩由于相比预应力混凝土管桩造价更高、桩身质量不易控制，近年来使用率呈逐年下降趋势，但由于其抗拔桩桩间连接节点较管桩更易保证，在部分工程中仍时有采用。d)
13、人防人防对地下车库土建造价的影响是非常明显的，相比于平时荷载，战时荷载的取值高出较多。因此，如何通过技术手段，有效降低人防区域土建工程费用，进而降低地库工程造价是地库成本合理控制的关键。e) 结构计算软件目前市场上的结构计算软件以 PKPM 为主，其它软件如盈建科、迈达斯通常情况下仅作为辅助校核。但在使用过程中，PKPM 逐渐暴露出较多的先天缺陷和弱点，特别是在地库基础及楼板计算方面，存在计算结果失真、计算选项偏少等诸多问题，使设计意图无法在计算中体现，造成一定程度上的浪费。因此，针对具体项目，选定合适的主力计算软件是地库成地下车库结构用钢量设计优化方案研究5本控制的一大关键因素。四、地下车库
14、建筑与结构方案选型1. 基本条件表 1 两个项目地下车库的工程概况抗震设防烈度 7 度，设计基本地震加速度 0.10g（宝山项目）建筑场地类别 IV 类场地（上海），设计地震分组第一组；场地特征周期：0.9s非嵌入式 四级 （墙，柱，梁）抗震等级嵌入式 主楼相关范围内同主楼，其余范围四级（墙，柱，梁）钢筋强度等级 HRB40015mm（梁底，顶板底，外墙内侧，基础底板顶，承台顶）20mm (内柱，扶壁柱内侧）50mm（梁顶，顶板顶，外墙外侧，扶壁柱外侧，基础底板底）保护层厚度100mm（承台底)0.15%与 45ft/fy 的较大值(单向顶板沿短边方向受力筋，双向顶板，无梁楼盖）0.15%（单
15、向顶板沿长边方向分布筋，外墙水平筋，基础底板，承台）楼板、底板、侧板最小配筋率0.20%与 45ft/fy 的较大值(外墙竖向筋 )地下车库结构用钢量设计优化方案研究6抗浮水头标高（m） 室外地面标高-0.5抗压水头标高（m） 室外地面标高-1.5覆土厚度 1.2m2. 荷载条件表 2 地库设计时所施加的荷载抗浮工况顶板恒载（kN/m 2） 16*覆土厚度抗压工况顶板恒载（kN/m 2） 18*覆土厚度抗浮工况顶板活载（kN/m 2） 0抗压工况顶板活载（kN/m 2） 5抗浮工况底板恒载（kN/m 2） 10 (底板底标高+0.8 ）抗压工况底板恒载（kN/m 2） 10 (底板底标高+1.
16、8 ）抗浮工况底板活载（kN/m 2） 0抗压工况底板活载（kN/m 2） 43. 柱网跨距根据近年来住宅市场地下车库典型工程案例，基本上可分为大柱跨、大小柱跨、小柱跨三种。其中大柱跨和大小柱跨在一个跨距可停放 3 辆小车，而小柱跨在一个跨距可停放 2 辆小车。地下车库结构用钢量设计优化方案研究7大柱跨：在柱子两个方向的间距基本控制在 7.9m 7.9m 左右；大小柱跨：在停车位，柱子两个方向的间距基本控制在 7.9m 5.05m 左右，在车道区域，柱子两个方向的间距基本控制在 7.9m 6.15m 左右；小柱跨：柱子两个方向的间距基本控制在 5.4m 5.05m 左右。4. 地库建筑平面图本
17、次地下车库设计研究是以旭辉澜悦苑（宝山工业园区潘泾路东侧地块南块）项目地下车库的施工图为基础， 综合比较了三个建筑方案，依次为大柱网、大小柱网、小小柱网。本工程地下车库为非嵌入式地下汽车库，总平面图如下：方案（一）大柱网 建筑平面施工图地下车库结构用钢量设计优化方案研究8大柱网右下角局部放大图纸：方案（二）大小柱网 建筑平面图地下车库结构用钢量设计优化方案研究9大小柱网右下角局部放大图纸：地下车库结构用钢量设计优化方案研究10方案（三）小小柱网 建筑平面图小小柱网右下角局部放大图纸：地下车库结构用钢量设计优化方案研究115.停车指标：下表为三种地库方案下的停车指标分析方案 停车数量（辆）建筑面
18、积（平米）单车指标(平米/辆) 备注大柱网 617 18586 30.12大小柱网 617 18586 30.12小小柱网 617 19782 32.06此单车面积指标含设备用房。大柱网与大小柱网车库除了柱距的区别外，其余的布局均相同，所以单车指标是一致的。小小柱网由于柱子较密，单车指标增大了，第二个因素由于小小柱网柱距小，在做无梁楼盖式地库的设计时候，考虑柱帽对风管的影响，风机房的面积会有所增大，所以小小柱网的单车指标也会增大。6.通风机房布置图a）大柱网车库通风机房的局部布置图地下车库结构用钢量设计优化方案研究12b）大小柱网车库通风机房的局部布置图同大柱网c）小小柱网 车库通风机房的局部
19、布置图从上面两张图可以看出，小小柱网的车库机房面积更大地下车库结构用钢量设计优化方案研究137. 地库剖面及结构层高a.梁板式地下车库的剖面：b.无梁楼盖式 地下车库的剖面：根据地库顶板结构布置形式确定地库层高地下车库结构用钢量设计优化方案研究14图 4.1 地库顶板布置形式图根据图 4.1 可得，地库建筑层高 H=梁高+2800 （mm）车库层高一般指车库的建筑面层到车库的顶板的高度，考虑排水绿化等因素，地下车库覆土层一般不低于 1.2m。车库层高=2.2m+设备区高度+ 结构高度 首先：规范要求：住宅小区地下车库主车道净高 2.2m，停车位处控制净高 2.0m。其次：设备安装区所需高度：梁
20、板式 600mm650mm，无梁楼盖式 700mm750mm。因为无梁楼盖的设备管线直接设在板底，考虑施工条件，所以设备区安装高度加大 100mm。第三： 结构高度，当结构为梁板式车库时，结构高度取梁高，当为无梁楼盖式车库时结构高度取板厚。结构高度还取决于是否考虑人防，以及柱距的大小影响。结论：一般梁板式车库在不考虑人防时，一般层高做 3600mm3650mm，考虑人防时，由于结构高度增大，车库层高会加大 100mm。无梁楼盖式地下车库层高一般做到 3300mm。综合来说：地下车库采用无梁楼盖方案，可降低层高 300mm350mm。地下车库结构用钢量设计优化方案研究158. 地库顶板结构布置形
21、式1）大柱跨：框架梁+井字次梁、框架梁+ 十字次梁、无梁楼盖2）大小柱跨：框架梁+单向次梁梁、框架梁+ 变截面大板、无梁楼盖3）小柱跨：框架梁+大板、无梁楼盖9. 侧墙根据地库层高确定侧墙的计算高度，在满足水压力、土压力及地面荷载侧压作用下的承载力、裂缝宽度以及受弯构件最小配筋率的要求下进行优化设计，一般单层地库侧墙厚度根据计算结果选取 300mm、350mm、400mm10. 基础地库基础采用独立承台+防水板的形式，混凝土强度等级 C35，钢筋强度等级 HRB400，防水板采用倒楼盖法计算，不利水位取小区室外地坪下 0.5m，底板水浮力按 47kN/m2 输入，底板恒载 2kN/m2，分别三
22、种柱网进行比较分析。地下车库结构用钢量设计优化方案研究16五、顶板的优化分析根据地库柱网布置形式不同，主要分大柱跨（7.9m 7.9m 柱网） 、大小柱跨（7.9m 5.05m 柱网） 、小柱跨（5.05m 5.4m 柱网）三种柱网形式下的顶板布置，进行优化对比分析，具体分析如下:5.1 大柱网的顶板优化分析已知设计条件：1. 标准柱网 7.9m7.80m； 2. 柱子截面为 500mm600mm，侧墙处为 500mm500mm；层高为 2.9m+梁高；3. 混凝土等级为 C35，框架抗震等级为四级，钢筋均采用 级；4. 荷载条件：取覆土厚度 1.2m，附加恒荷载 22kN/m2，活荷载 5k
23、N/m2；5. 混凝土容重：26kN/m3；6. 地库形式：非嵌入式，7. 其他：优化对比分析时未考虑消防车、人防等对含钢量的影响。5.1.1 井字梁布置的顶板优化分析：a局部平面布置图地下车库结构用钢量设计优化方案研究17图 5.1 井字形次梁时局部平面布置图b. 梁、板用钢量根据以往经验，本次对比框架梁采用 400 800,450 800 两种截面，次梁采用250 600，300 600 两种截面，顶板厚度为 250mm，顶板顶标高为-1.500m，顶板恒载取22kN/m2，顶板活载取 5kN/m2，梁含钢量具体对比情况详见表 1。地下车库结构用钢量设计优化方案研究18表 1 井字形次梁两
24、种不同主梁截面时，盈建科计算结果大柱网井字梁布置方案不同梁高梁含钢量对比（混凝土强度等级 C35）框架梁 次梁 梁总含钢量（kg） 面积（m 2） 单位面积梁含钢量（kg/m 2）400800 300600 544206.50 18586 44.87400800 250600 542387.30 18586 44.75450800 300600 549244.10 18586 45.29450800 250600 544145.50 18586 44.86表 1 对比结果显示，框架梁 400 800，次梁 250 600 时含钢量最少，因此采用此截面组合，此时梁含钢量为 44.75kg/m2
25、。根据计算结果发现，大柱网井字梁布置方案板钢筋基本为构造钢筋，因此采用 C10160双层双向，通过手工计算，板含钢量为 20.68 kg/m2 。c. 结论综上所述，大柱网井字梁布置方案，最优方案采用框架梁 400 800，次梁 250 600 截面组合，顶板厚度 250mm，地库楼盖含钢量约为 65.43kg/m2。5.1.2 十字梁布置的顶板优化分析：a局部平面布置图地下车库结构用钢量设计优化方案研究19图 5.2 十字形次梁时局部平面布置图b. 梁、板用钢量根据以往经验，本次对比框架梁采用 400 850，450 850 两种截面，次梁采用300 700，顶板厚度为 250mm，顶板标高
26、为-1.5m ，顶板恒载取 22kN/m2，顶板活载取5kN/m2，对比不同截面框梁的梁板用钢量和混凝土用量，对比分析详见表 2。地下车库结构用钢量设计优化方案研究20表 2 十字形次梁不同主梁尺寸时，盈建科计算结果大柱网十字梁布置方案 不同梁高梁含钢量对比（混凝土强度等级 C35）框架梁 次梁 梁总含钢量（kg）面积（m 2）单位面积梁含钢量（kg/m 2）400850 300700484278.47 18799.63 42.55450850 300700479578.56 18799.63 42.14对比结果显示，框架梁采用 450 850，次梁 300 700 是用钢量较省，采用此截面组
27、合时梁用钢量为 42.14 kg/m2 。根据软件计算结果显示，大柱网十字梁布置方案板钢筋基本为构造钢筋，因此采用C10160 双层双向，通过手工计算，板含钢量为 20.68 kg/m2 。c. 结论综上所述，大柱网十字梁布置方案，最优方案采用框架梁 450 850，次梁 300 700 截面组合，顶板厚度 250mm，地库楼盖含钢量约为 62.82 kg/m2。地下车库结构用钢量设计优化方案研究215.1.3 无粱楼盖的顶板优化分析： a. 柱帽类型说明图 5.3 两种不同柱帽布置形式b. 板厚优化方案在保证柱帽类型及尺寸（ZMab、3.0 3.0、托板厚 300mm） 、荷载、柱子尺寸等其
28、他参数完全一致的条件下，改变楼板的厚度，获取楼板的配筋计算书进行比较，选取出最优的楼板厚度方案。1）400 板厚楼板计算书：地下车库结构用钢量设计优化方案研究22图 5.4 400mm 板厚时楼板计算书2）350 板厚楼板计算书：图 5.5 350mm 板厚时楼板计算书地下车库结构用钢量设计优化方案研究233）300 板厚楼板计算书：图 5.6 300mm 板厚时楼板计算书总结：350mm 板厚方案板配筋基本为构造配筋，配筋计算值为：689，显然优于 400mm 板厚方案；300mm 板厚方案板配筋超出构造配筋较多，板底配筋大于 350mm 板厚方案，且导致柱帽顶面配筋值变大，再者板挠度较大，
29、部分地方挠度不满足要求。由此可见，当地库顶板采用无梁楼盖结构时，板厚采用 350mm 为最优方案。c. 柱帽托板平面尺寸优化方案在保证柱帽类型及柱帽托板厚度（ZMab、托板厚 300mm） 、荷载、柱子尺寸、楼板厚度（350mm）等其他参数完全一致的条件下，改变柱帽托板平面尺寸，获取楼板的配筋计算书进行比较，选取出最优的柱帽托板方案。1）3m 3m 柱帽托板计算书：地下车库结构用钢量设计优化方案研究24图 5.7 3m 3m 柱帽托板计算书2）2.8m 2.8m 柱帽托板计算书：图 5.8 2.8m 2.8m 柱帽托板计算书地下车库结构用钢量设计优化方案研究25总结：比较 3m 3m 方案与
30、2.8m 2.8m 方案，可知 2.8m 2.8m 方案导致板底配筋大面积增大，虽然柱帽顶部配筋有所下降，但柱帽顶部面积较小，经计算比较得知 3m 3m 方案配筋量小于 2.8m 2.8m 方案。故柱帽尺寸取 3m 3m 方案。d. 柱帽托板厚度优化方案在保证柱帽类型及柱帽托板平面尺寸（ZMab、3.0 3.0） 、荷载、柱子尺寸、楼板厚度（350mm）等其他参数完全一致的条件下，改变柱帽托板厚度，获取楼板的配筋计算书进行比较，选取出最优的柱帽托板方案。1）350mm 厚柱帽托板计算书：图 5.9 350mm 柱帽托板计算书2）300mm 厚柱帽托板计算书：地下车库结构用钢量设计优化方案研究26图 5.10 300mm 柱帽托板计算书3）400mm 厚柱帽托板计算书：图 5.11 400mm 柱帽托板计算书
