某地下室的结构优化设计及经济性比较

1、浙江建筑第28卷第5期,2011年5月Zhejiang Construction , Vol. 28 , No. 5 , May 201 1某地下室的结构优化设计及经济性比较Optimal Design and Economical Comparison of a Basement Structure徐晓红»刘国光S徐有华'XU Xiao-hong t UU Guo-gnang XU You-hua(1 浙江人学建筑设计研究院浙江杭州31OO27；2.中恫民航大学机场学院天津30030()；3嘉徳迎地讶理(±海)仃限公询上海200001 )摘 要:介绍了菜两层地F宰

2、结构优化设计的过程及经济件比较方法対桩旱础、地卜净底板、侧墙及人防顶板进行了结构设 计优化丿述过枚举法比牧门也卜室底板、人防顶板的造价随结构形式的变化川穹距图分析法优化了地卜-室側墙哉面尺寸.得到 了木项目的晟优设计方案及同类创趣的优化思路可为类似项R设计提供参考关键词:结构优化设计;结构选型;枚举法;经济性比较中图分类号:T1922文献标识码：B 文章编号：1008 -3707 G011 )05 -0023 -04© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved,

3、© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 收稿日期：2011 -02 - 25作者简介：徐晓红0974-).女，辽宁瓦房店人工程师,从事混凝I结构方血的研九结构优化设计是近年來随着房地产帀场的发展 而口益得到巫视的成本控制方法。同时，介理降低上 建成木、节省无效投资也是节约型祉会的要求。结 构优化设计可分成不同阶段如结构选型阶段、设计 优化阶段、施工控制阶段等。对此设计研究人员已 经进行了一定探讨，如通过方案阶段的选型控 制、模糊综合评判方法'等分析

4、结构选型阶段的 结构优化设计方法決时适等利用半衡原理讨论三层 地下室底板优化;马宏旺4等比较了结构造价和失效 概率Z间的近似关系。但是，结合工程实例系统地讨 论结构优化设计方法的文章尚不多见。木文竝于工程 实践提出了操作性强、效果明显的地下室结构优化设 计方法J为类似项冃控制土建成本提供经验参考。1工程概况本文介绍的地卜室共2层，总建筑面枳24 926 m2. 裙房3层，上部两栋塔楼，一为办公楼，一为酒店。 建筑场地类别为W类,特征周期为0.90 so根据地 勘报告可知拟建场地加滨海平原地貌类型门然地 而标高约在400 5. 24 n】Z间°2地下室底板结构优化设计方法及经济 性比较

5、2. 1地下室底板结构优化设计通过计算水浮力及结构自重作用下的底板抗弯 强度、抗裂 廻水().2 mm,背水().3 mm )及抗冲切形 成了脚套设计方案：方案A傩下车库底板800 nun 孩心筒下部底板1 500 mm )和方案B哋卜车库底板 700吨核心筒下部底板1 400 nun )-方案A属于布 规设汁值，方案B则是通过成本关系曲线利用枚举 法锁定的优化目标值。为实现优化目标值，利用T TBSP2007建模比 较两套方案的计篦疗矩发现底板疗度减小导致截 面刚度降低、计算水浮力增加，引起X向及Y向计 算弯曲局部显非增加(参见公式1人由于软件考农 了桩垄弹性支撑作用，群桩作用时弹性支撐作用

6、削 弱引起锅底变形，因此14以考虑改变布桩密度(如 加人桩数或调整布桩位豐等)來控制位移沉降差。 同时适半增加核心筒下抗压桩数最，减小核心筒与 周边底板沉降差。通过上述措施，减小了底板计算 © 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期徐晓红等以地卜电的结构优化设计及经济性比较27弯矩并在不改变地卜车库通配钢筋、适当増加塔楼 附近加强区钢筋的条件K板厚减小100 nimo式（1 ）中Nab-底板弯矩（N-m）;i底板转动刚度；Aab代表底板变形；/-A点和

7、B点Z间的距离。2.2 地下室底板结构优化设计经济性比较根拯市场价格钢筋5 000元/I,混凝土 380元/nF 某坑悴I护2 80（）元/ in2 抗拔桩2 4（X）元/根，土方开挖 100元/川对底板进行了价恪分析见表1 （负号表 示成本节约，正号表示成本增加）表1底板厚度对成本影响的分析表底板力案KOO mm800 iimiiP/700 iihiiJ1/650 tiimj1/厚加EA）。案 A 优化）C09K B ）（比牧力案）底板 ©259150：配筋决 150150G22 辺 150顶板20（叭50;幅部©22© 150 ）（讨部少淤150 ）那

8、9;乂，150 ）（JnifK150 ）制筋Vtt0-163.5 彷元）-158.5 （/J7C ）-35.5 元）上方开挖00-12 0;元）-18 （万元）00-45.6 彷元）-64.8厉元）基坑m护00-16. 1 彷元）-24.1仿元）450根 74根00+ 12 （/j 兀）+ is 元）总价搐0-163.5 （7J元）-220.2 （77元）-124.4 （77元）通过表1町见，板厚800 mm时，方案B通过减小 底板沉降位移差，成本较方案A节约163.5万元曲 底板厚度减小到700 mm时较方案B进步节约成本 56. 7万元;半板庁减小到650 mm时，结构成本较方案 B反而增

9、加95. 8万元即底板成本随板厚变化出现 最优值点。板厚700 mm时底板位移见图1 核心筒城 人位移为36 n叫与核心筒朴|邻区域位移29 mm,纯地 卜车库位移22nz。沉降变化均匀合理，对底板弯矩 影响小，配筋率100 kg/m2,为同类项目的较低值（常 规含钢量130kg/m2 ）.通过上述分析可见控制底板沉降位移差可冇 效减小含钢帚:;减小板厚町节约混凝土用帚及基坑 围护费）U，比a虽较钢筋节约最低，但费用仍可观. 因此，成本关系曲线配合枚举法试算可在设计阶段 有效降低成本并提岛决策速度。3桩基础优化设计方法及经济性比较3. 1 桩基础优化设计为了合理选择程桩的承载力设计值优化管图1

10、底板位移分布图桩数気，该项H对抗拔桩和抗压桩进行了试桩，试桩 方法见图2、图3。通过试桩，得到了（AS关系曲线、 54gr关系曲线、"关系曲线及也关系曲线（见图 4图7）.通过分析町发现，抗拔桩址大上拔最 13.37 mm,绘大回弹量7. 16 mm,回弹率53.6% ;抗 压桩蚁人沉降最9. 97 mm, Iji人回邨；&4. 64 mm.回 弹率46. 5% o试桩前后通过低应变测试管桩桩身 质最.试验结果表明抗压管桩在桩身结构完好、桩头 填芯加I占I处理的情况卜，单桩竖向抗斥极限承栈力 标准值为7 680 kN,对于岛强预应力混凝土管桩，因 其强度高、脆性人，旦桩身出现

11、缺陷（或破损），桩 幻结沟承载能力降低速度快。本次检测的6根试 桩川现2根界常桩:为未填芯导致桩头压碎. 为土体破坏。考虑到上述情况抗压桩承载力取 4 250 kN.较原设计承载力提高12%.在桩身结构完 好、桩头填芯加I占I处理的情况F单桩竖向抗拔极限 承载力标准值为950kN,较原设计承投力捉高5%。3.2 桩基础优化设计的经济性比较通过试桩，桩廉础的承载力设计值在地勘报吿 建议值的基础上取较高值，管桩数最显善降低。抗 压桩数戢减小142根成本降低109万元;抗拔桩数 最减小6（）根，成木降低14.4万元。可见试桩对提 高桩皋承载力设计值、减少匸程桩数最、控制成本, 效來显善。图2抗拔静荷

12、栽试骆设術安装示亶图图3竖向静荷载试验设备安装示通图图4 关系曲线切.003.003383黑"U9.&7.6,43210 iN.950kN.855kN _760 kN 665 kN一i_570kN 475kN:=蛰爪 y |90 kN1530 45 60 90120240"min图6 0s关系曲线7 & 9 r Univ"Mhin1530 4560 90120300I ir/u kNfI 200kN I 400 kNiI 600 kNI 800 kN 2000kN图5 6坎(关系曲线图7卜1刘关系曲线4地下室侧墙优化设计方法及经济性比较4. 1 地

13、下室侧墙优化设计地卜室侧墙的优化设计特点为分层变截面，地 下2层(B2 )高3 90() mm,侧墻厚500 mm,地卜T 层 (B1 )层高4 100 mm,侧墙厚400 mm。原因是水斥力 及施工堆土荷战作用卜结构的弯矩(见图8)在B2 层嵌固端垠人，在B1层支座处次Z,两者均处于迎 水而,抗裂要求严。如果按照B2层嵌曲端位宣的 计算值贯通配筋,将导致B1层钢筋浪费;如果在B1 以减小钢筋截面，则导致两种钢筋搭接的施丁不便 且钢材也浪费。因此在配筋不变的情况下旳层截 面较B2层减小100 mm在节省混凝土用帚:同时取 消构造配筋，室内有效面枳增加。-O.UN)图8侧墙计算弯矩图4.2 地下

14、室侧墻优化设计的经济性比较在不引起结构配筋增加的基础上地下室剪力 墙厚度减小10() mm.节省混凝土成本& 9万元节 省构造钢筋14万元，合计22.9力元。增加使用面 积58亦，按地价折算成本节约58万元。5地下室人防顶板优化设计方法及经济性 比较5. 1 地下室人防顶板优化设计本项冃人防设置在地下2层抗力等级6级顶 板厚度依照人防设计规范婆求不小于250 mm。先 按常观方法设计了人板方案600 nun厚)，后比较了 250 mm号顶板结介I字梁、井字梁两种结构布置方 案。发现肖采用井字梁方案时人防顶板配筋为构造 值625大板方案由于钢筋须连续贯通，因此顶部钢筋由支应控制为3 14

15、() 2/叫底板钢筋由计 算控制为1 274 mm2/m,十字梁楼板配筋介于井字梁 和人板Z间；框架梁配筋结果差异不人。因此，考世 人防荷载井字梁方案最优。比较人防顶板同地下室底板两者荷载水平接近 CK防荷载设计ffi65kN/mm地下室底板水浮力设 计值77 kN /mm2 )，但选择了不同的结构布置形式。 这是由于地卜室底板令最小厚度及裂缝控制要求即 使采用梁板式结构,也会增加钢筋用暈。另外底板施 工如果采川I字梁或井字梁,将会增加施工难度拖 延工期，这部分间接成木也是建设单位要考老的。5.2地下室人防顶板优化设计的经济性比较柑比于大板方案，扣除井字梁（十字梁）伏I设置 次梁而增加的混凝土

16、利钢筋,8.6mx8.6m板块井 字梁方案可节省2万元，十字梁方案可节省1.5万 元。因此,木项目人防顶板采用井字梁方案最经济。6结语本文结合实例进行结构设计优化节省了成本约 420万元,达到了优化目标值，取得了较好效果。归 纳地下室常用结构设计优化方法如下：（1）桩基优化。试桩以提高设计承载力，少于 两层地下室尽可能采用预制桩；介理布桩不是桩数 越少越好，适为增加桩数不但对以増加结构安全储 备、为使用后的改造提供便利还对以通过合理补桩 减小沉降位移差來节省地卜室底板配筋。Q）地下室底板。宙于管桩进入底板需要有 定长度，因此结构优化耍控制介理的會筋率而不是 味地减小板厚。同时板厚存在个最优值点

17、，大 于或小于该值都会造成浪费。（3）地卜室侧墙。根据弯矩图形状及支朋负弯 矩值,采用变截面剪力墙。但如果地F1层层高大, 负疗矩控制值出现在地下1层楼板位置，则无法采 用此方法。4）井字梁和十字梁。对于室内荷载较大的区 域采用十字梁或井字梁减小厚板以尽帚优化板 的含钢率。经比较，对于8.6mx8.6m板块当荷载 设计值M700nw覆土重最时，井字梁经济性优于十 字梁参考文献1 対国光杭州来福七广场复杂趙高层结构选烈分析J.广东 土木与建筑.2008 9 ）：9】1.2 徐晓红.刘IR光徐冲.上海某超陨高层酒店結构抗粽设计J.浙江建筑.2009.26 6 ）:15-18.3 徐晓纤刘IR光.赵

18、彩荣等.模糊综介评判方法在建筑结构选 型中的应用J.建筑经济,2009 S1 ）：24 -26.马宏旺R西林钢筋混凝上檳架结枸造价咕失效概率Z间的 近似关系研究J.地農工稈与匸程摄动.2003.23 0 ）:125 - 131.© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期徐晓红等以地卜电的结构优化设计及经济性比较#© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期徐晓红等以地卜电