防空地下室结构设计优化的常见误区和综合优化措施
摘要：本文从一个全新的角度，表达了防空地下室含钢量优化只是手段，通过结构的综合优化来控制防空地下室的综合建安成本才是目的，并列举了防空地下室综合优化的具体措施和手段。
1 、引言
近年，随着国民经济的快速发展，土地价格的市场走势不断上扬，物价飞涨和贷款利率地不断提高，使得开发商对建筑成本控制意识日益增强，严格控制工程造价成为建设方的重要关切点。作为设计方，如何把施工图设计做得经济合理，也成为衡量设计公司技术水平的关键指标，也是设计公司长久发展的重要基石。
2、防空地下室结构优化的意义
众所周知，防空地下室工程造价 约 占整个开发项目造价的 35%，把防空地下室设计得经济合理，成为每一个项目的重点。防空地下室工程的造价构成中，钢材的直接费通常占总造价的 30%左右，因此针对防空地下室进行优化设计，有效地控制含钢量，几乎成为每一个开发商控制工程造价的杀手锏。这就需要结构设计师在满足结构安全和防护要求的前提下，尽量减小用钢量。作为一个有经验的结构设计师，通常会从结构布置、结构形式、结构尺寸、材料应用、计算参数合理选用、精细化配筋等方面，综合对防空地下室进行结构优化，最终达到控制含钢量和降低工程造价的目的。譬如我院设计的上海市奉贤区的一个 7445 ㎡的防空地下室，结构设计师对该工程进行多种结构形式和结构布置方案的比选，选取了相对优化的结构方案进行设计，并且进行了精细化配筋，最终将标准跨的顶板含钢量从每平方米 92kg 控制到了 74kg，顶板含钢量节约了 19.5%，经过优化设计的防空地下室综合造价比原结构方案可节约 21%，约 146 万元。通过结构综合优化的手段达到对含钢量优化控制的目的，对房地产建设的总成本控制具有很大的贡献。
3、防空地下室 结构优化的常见误区
随着房地产开发越来越成熟，结构优化和含钢量指标控制开始进入了一定的瓶颈，这导致部分房地产开发商对防空地下室结构设计优化的认识也进入了误区，开始过分强调含钢量和混凝土量指标。部分大的房地产企业，特别是少数知名房企，更是钻进了死胡同，在选择设计单位时唯含钢量论，片面认为含钢量指标越低，结构设计就越优秀。譬如在全国名列前茅的某知名房企，在全国各地对于人防设计单位的招标条件之一就是：防空地下室含钢量指标必须控制在每平方米150kg 以下。这种无视地域条件、上部结构形式、柱网尺寸、覆土厚度、地下水位等外界条件因素的影响而武断设置的含钢量指标的行为，以牺牲整个工程的安全性和可靠度为代价，对工程来说是得不偿失的。况且现在有些施工单位还存在层层转包的现象，一旦这些施工企业偷工减料，或者技术水平不高，还会造成工程事故。1995 年韩国三丰百货倒塌，究其原因是建造商擅自改变使用功能，增加了荷载，同时为了节约造价，偷偷取消平板结构的托板和减小了柱子的直径。
这些冒险的做法大大减小了整个项目的安全性和可靠度。该项目使用五年以后才倒塌，压倒这栋大楼的最后一根稻草居然是新添的消防安全设施，正好说明建造商的不理智行为造成这个项目的结构安全冗余是极低的。2014 年济南长清名流华第项目在建车库发生坍塌，表面上是施工单位违规堆土导致，但从深层次去追究，是设计单位在建设单位淫威之下，为了满足含钢量指标，减少了柱帽抗冲切的安全冗余。此外我们经常听说有地下室因为抗浮的问题发生地下室上浮和底板因为水压力产生裂缝，这也是因为降低安全系数后，暴雨产生的地表水导致水位发生变化，原设计抗拔桩数量不够和底板配筋过少导致的。
“劣币驱逐良币”的现象指大家都会把肮脏、破损的纸币或者不方便存放的劣币尽快花出去，而留下整齐、干净的货币，从而导致在整个市场流通的都是劣币。当前的设计行业已经是完全市场化运行，这个行业同样也充斥了“劣币驱逐良币”的现象。一家具备良好服务意识的设计公司或优化公司，在进行设计的时候，都会在保证工程安全的前提下，再去寻求最优化的结构设计。而现在的建筑设计行业，存在不少靠收取“挂靠费”生存的设计公司，大量的打一枪换一个地方的挂靠团队，以及部分以优化的名义教设计单位如何在审查单位面前蒙混过关的所谓优化公司。这些属于“劣币”的单位或个人，为了满足开发商规定的含钢量指标，在技术力量不足的情况下只能采取违反规范的技术措施，常用的手法有：
不考虑裂缝宽度、降低安全系数、不考虑人防荷载或者荷载打折、平时工况板按塑性极限分析计算、不满足最小配筋率、不满足最小构件尺寸等等。譬如在防空地下室顶板塑性计算时，对于板跨 9m×12m 的地下车库顶板，支座与跨中弯矩比值β取 1.4，较 β 取值 1.8 的常规做法，支座配筋可以减少 17%。这种做法看似可以节约钢筋，但是支座裂缝可能会过早开展，并且跨中挠度较大会带来安全隐患。此外有些缺少职业道德的设计团队和优化公司还刻意去钻计算软件的漏洞，哪个软件的计算值低就用哪个软件的计算结果。任何一种软件都不可能做到十全十美，有差错在所难免，一个有经验有良知的设计师一定会正确判断其计算结果的合理性，如果发现疑问，会手算复核其正确性。由上可见，尽管含钢量优化对于防空地下室造价控制是一个非常有效的手段，但是一旦钻入牛角尖，则会牺牲整个工程的安全性，是本末倒置的行为。
4、防空地下室 结构 的 综合优化 措施
一个优秀的结构设计师在进行防空地下室结构设计的时候，绝不会刻意去追求含钢量指标，而是会通过结构专业各方面的综合优化，来达到防空地下室综合成本优化的目的。具体做法如下：
（1）建筑平面布局合理
结构设计师需要在建筑方案阶段就要介入设计，通过与建筑专业的充分沟通，对建筑的平面布置、柱网布置等提出合理的建议和要求，使结构的高度、复杂程度、不规则程度均控制在合理范围内。
（2）柱网大小的选择和层高控制
柱网尺寸对于造价的影响是非常显著的。相同荷载条件下，柱网 8.4m×8.4m的标准跨含钢量指标比柱网 5.4m×6.3m/5.5m 高约 42%（参见表一）。结构设计师需要根据顾客需求合理选择柱网，经济性要求比较高的项目，譬如动迁安置基地通常选择 5.4m×6.3m/5.5m 的小柱网，造价最为经济；对于普通商品房、商业项目等，宜按 8.1m×6.3m/5.5m 的柱网进行设计，造价较低但是空间感较好；对于高端项目则会建议客户接受 8.4m×8.4m 的大柱网形式，造价虽然最不经济，但是空间感最好，适合高端客户。
（3）顶板结构形式的选择
地下室的顶板结构形式中最为常用的是两种，梁板结构和无梁楼盖结构，这两种结构形式各有优缺点。梁板结构的结构受力明确，抗震性能好，顶板不易出现裂缝；无梁楼盖结构体系简单，层高相对较低，土方开挖量和基坑支护费用较少，并且施工时钢筋绑扎方便。在柱网尺寸布置合理、荷载较大的情况下，可以优先选择无梁楼盖（参见表二）；但是对于结构跨度较大的、结构平面布置较复杂的、抗震设防烈度高的地区的项目，应该优先选择梁板结构。
（4）荷载的合理取值。
荷载输入值的计算是否准确，也关系到整个工程的含钢量是否正常。荷载取值应严格按照最新版荷载规范取用，这是保证工程安全可靠的基本前提。同时荷载取值也要讲究技巧，不同工况下的荷载取值是不一样的。譬如消防车的荷载取值需要根据建筑总图的消防车道和登高面的位置，而不是所有的板跨都要计算。另外消防车荷载应该考虑覆土厚度进行折减，计算梁柱时候荷载取值也可以折减，裂缝宽度计算也不需要考虑消防车荷载。又譬如地下室外墙土压力计算荷载取值应遵循以下原则：当地下室采用大开挖方式，且无护坡桩或连续墙支护时，地下室外墙承受的土压力宜取静止土压力，土压力系数 K 0 ，对一般固结土可取 0.5；当地下室施工采用护坡桩或连续墙支护时，地下室外墙土压力计算中可以考虑基坑支护与地下室外墙的共同作用，或按静止土压力乘以折减系数0.66近似计算，Ka=0.5×0.66=0.33，相当于主动土压力。
（5）精确选择设计参数
合理的结构基本上符合这些规律：柱、墙的轴力设计值绝大部分为压力值控制，柱、墙等大部分构件为构造配筋，柱、墙轴压比大部分比规范限值小 0.15以内；梁基本上无超筋，防空地下室的梁下纵筋配筋率最好在 1.5%以下，支座的配筋率控制在 1.8%左右，不超过 2.0%，梁抗剪不满足要求的截面和抗扭超限截面没有或很少。
（6）选用合理的材料级别和构件尺寸
新三级钢筋的强度比二级钢筋提高 20％，虽然三级钢筋的采购价格比二级钢筋高约 6％，人防工程的主体结构受力钢筋如采用三级钢筋可比二级钢筋节约12％的钢材。对于抗裂配筋，由于裂缝宽度与钢筋应力有关，与钢筋级别关系不大，采用高强度钢筋并不能充分发挥作用，宜采用低强度钢筋。混凝土强度等级的合理选择也是不能忽视的因素，混凝土强度等级低则人防构造配筋就小，反之则大。临空墙和外墙宜采用分离式配筋，需要合理布置受力钢筋的直径和间距，使得钢筋的实配值尽可能接近计算值。人防密闭墙是按构造配筋，可取规范的最小墙厚来减少配筋量。人防门框墙的竖向钢筋可以按抗压构件的最小配筋率设置。
5 、结语
总之，作为一名优秀的结构设计师，在进行防空地下室的结构设计时，不仅需要对客户负责，更要对自己的职业生涯和社会负责，在确保工程安全的前提下，对每一个设计过程、设计环节都要精雕细琢，这样设计出来的作品才是真正优化的结构设计作品。