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摘要：随着地下空间的不断开发利用，地下室顶板结构形式对整个建筑工程的技术经济效果产生重大影响，因此本文分析了地下室顶板结构方案的影响因素，然后结合案例阐述了地下室顶板结构的选择方法。
关键词：地下室顶板结构；影响因素；选择
随着城市建设的不断发展，地下空间的开发利用也越来越普遍。地下室是地下空间应用的一个重要领域，由于地下室体量一般较大，顶板结构形式对工程造价影响显著[1]。同时，地下室顶板结构还面临荷载（包括覆土、消防车荷载、人防荷载）大、设备专业空间要求限制两大难点，故地下室顶板结构方案选择成为高层建筑设计中的关键环节[2]。因此，本文对地下室顶板结构方案的影响因素与选择进行了探讨。
1 地下室顶板结构方案的影响因素
1.1 技术因素
地下室顶板结构常见形式有主次梁结构、十字梁结构、井字梁结构、无次梁大板结构、无梁楼盖结构等[3]。目前应用较多的是主次梁结构，整体性好，受力明确，施工难度小，但主梁截面高度大，为满足地下室净高要求，开挖深度大，基坑支护费用高。十字梁结构和井字梁结构也属梁板体系，楼盖结构所占净高比主次梁结构有所减小，但模板工程和钢筋工程量大，人工费用高，施工工期长。无次梁大板结构用材省，施工方便快捷，但其挠度大，裂缝控制不如前面几种。无梁楼盖结构分实心板无梁楼盖结构和空心板无梁楼盖结构，前者施工容易，但板厚大，用于承受结构自重的结构承载力比例高，经济性较差；后者采用现浇中空格构式结构，等同空间桁架结构，结构自重轻，受力合理，但因为是新技术，设计和施工有一定难度。因此，地下室顶板结构设计需要考虑的技术因素包括建筑功能满足度、结构可靠度和施工难度三个主要环节。建筑功能满足度包括设计功能满足度和建筑空间感官效果。结构可靠度包括施工过程安全可靠度和使用阶段安全可靠度。施工难度包括施工工艺成熟度和施工环境条件满足程度。
1.2 经济因素
地下室顶板结构设计需要考虑的经济因素包括土建综合费用、使用阶段能耗及维护费用和施工工期等。土建综合费用既包含地下室顶板自身土建费用，也包括地下室其他结构及设备费用、土方开挖及基坑支护费用，因为后面两项费用与顶板结构形式关系密切。顶板自身土建费用与顶板结构形式有直接关系，工艺成熟，施工规范，这部分费用就低，但这些还不是决定性的因素，地下室层高往往影响更大，因为地下室深度增加0.8m的造价相当于上部结构一层楼盖的造价。同样地，地下室层高增加还会引起土方开挖及基坑支护费用大幅增加。对使用阶段能耗及维护费用来说，地下室层高小，顶棚平整，这部分费用会比较低。施工工期短有利于节约施工成本。
2 地下室顶板结构方案的选择
2.1 选择原则
地下室顶板结构方案的选择应满足安全性、适用性和经济性三方面要求。安全性是结构设计的基础，也是必须遵守的“底线”，对于地下室顶板结构来说，安全性主要体现在结构可靠度方面，尤其是结构设计对整体刚度要求方面。适用性反映在功能性要求方面，地下室通常作为地下停车库和设备房，对净空高度有着严格要求，一般要求使用净高不小于2.3m。经济性要求在满足安全性与适用性基础上造价尽量低，由于地下室净高有严格限制，不是随意可以调整的，为了满足经济性要求，只能通过优选顶板结构方案实现最佳经济效益目标。
2.2 选择方法与流程
首先，根据现有技术条件，结合项目实际情况，提出多个备选方案。就目前技术水平来说，备选方案无外乎主次梁结构方案、十字梁结构方案、井字梁结构方案、无次梁大板结构方案、实心无梁楼盖结构方案、空心无梁楼盖结构方案、钢与混凝土组合楼盖结构方案等。
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其次，方案筛选。初步筛选可采用定性分析的方法，根据现有技术条件和相关设计经验进行选择。如果对地下室层高没有严格限制，而且对感官效果要求也不高，那么主次梁结构方案就是比较容易接受的方案，在此基础上再考虑框架主梁与单向加一根次梁的方案、框架主梁与单向加两根次梁的方案，如此选择范围就缩小了。如果对层高有一定要求的普通地下室，可考虑十字梁结构方案或井字梁结构方案，在人防区可考虑无次梁大板结构方案或无梁楼盖结构方案。如果对层高要求很严的话，应考虑无梁楼盖结构方案，该方案还可再细分实心无梁楼盖结构方案、预应力无梁楼盖结构方案、空心无梁楼盖结构方案。大跨度结构或重型厂房结构的地下室顶板可考虑钢与混凝土组合楼盖结构方案。
第三，量化优选。根据设定的评价指标，对初步筛选出的方案进行量化评价，从中选择最优方案。可采用的工具包括层次分析法、模糊综合评价法、遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法、灰色关联算法、人工神经网络算法、可拓算法等。
2.3 地下室顶板结构方案选择案例
2.3.1 项目背景
建筑主要用作商业与办公用途，地上部分为29层，地下部分2层。地下室按6级人防设计，-1层用于车库和设备用房，-2层用于机动车库。场地北侧有一条河道，地表下10～20m深分布有淤泥层。主体结构基础采用直径800mm和900mm的钻孔灌注桩，局部设置直径500mm的深层搅拌桩并结合喷锚支护。两层地下室总层高限制在7.0m左右。
2.3.2 方案初选
根据项目特点，提出主次梁结构方案、十字梁结构方案、井字梁结构方案、实心无梁楼盖结构方案、空心无梁楼盖结构方案等。经过初筛，确定主次梁结构方案、实心无梁楼盖结构方案、空心无梁楼盖结构方案。虽然十字梁结构方案、井字梁结构方案易于控制层高，但它们具有的优点无梁楼盖结构方案也有，考虑到工期要求和经济性，所以选择了后者。
2.3.3 量化优选
采用层次分析法进行量化优选。方案目标层为地下室顶板结构最优（A），准则层为施工难度（B1）、结构可靠度（B2）、功能满足度（B3）、土建综合费用（B4）、运营维护费（B5）、施工工期（B6），方案层为主次梁结构方案（C1）、实心无梁楼盖结构方案（C2）、空心无梁楼盖结构方案（C3）。方法是构造两两比较判断矩阵，计算单准则下要素相对权重并进行一致性检验，再计算层次总排序权重。依此方法，计算准则层对目标层判断矩阵的特征向量：
。接着计算方案层对目标层矩阵的最大特征向量：
；
；
…。然后就可以计算各方案的总权重，即将上述特征向量交叉相乘再求和。C1方案的总权重为0.05×0.11+0.26×0.59+…+0.15×0.10=0.2311，C2方案的总权重为0.05×0.58+0.26×0.08+…+0.15×0.53=0.2553，C3方案的总权重为0.05×0.31+0.26×0.33+…+0.15×0.33=0.5076。由于0.5076>0.2553>0.2311，所以C3方案为最优方案。
3 结语
地下室顶板结构方案选择的目的是为了更好地满足安全性、适用性和经济性三方面的要求，也就是选择技术可行、经济合理的方案，为此先要明确影响地下室顶板结构方案的技术、经济因素，然后再采用适当的方法从多个备选方案中选出最优方案。只从技术角度或仅仅考虑经济效果，都难以获得最佳方案。
参考文献：
[1]蔡洋.某地下室顶板结构设计的经济效益研究[J].住宅科技，2016，36（7）：20-22.
[2]刘付华，方伟明，史坤峰，等.小柱网地下室顶板结构设计多方案比选分析[J].工程建设与设计，2016（6）：25-28，31.
[3]邹国辉.地下室顶板结构设计多方案经济性简析[J].福建建设科技，2014（1）：15-17.
论文作者:陈鹏
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第2期
论文发表时间:2019/9/5
标签：结构论文; 方案论文; 顶板论文; 地下室论文; 楼盖论文; 主次论文; 费用论文; 《建筑细部》2019年第2期论文;