王學琨，嚴文財，張 政，劉 梅

（山東大學土建與水利學院，濟南 250061）

隨著經(jīng)濟發(fā)展，近幾年我國汽車總量迅速提高，造成靜態(tài)交通和動態(tài)交通嚴重失衡。為解決這一問題，必須建立立體停車庫，有效緩解動靜態(tài)交通壓力，增加停車空間，促進交通通順。立體車庫可靠性強，其不但結(jié)構(gòu)強度大，而且裝配精度也更高，既可以大面積使用，也可以見縫插針設置，短期停車和長期停車的組合是解決城市停車難的有效有段。

為實現(xiàn)快裝式多層停車樓，本文提出了模塊化裝配式鋼結(jié)構(gòu)立體車庫，由多個停車單元組成，單個單元可作為居民小區(qū)、商務區(qū)等地的長期停車場，如遇大型活動，可根據(jù)場地形狀，對多個停車單元進行組合，形成臨時停車場，以滿足短時間、高強度的臨時停車需求。設計方案效果圖如圖1 所示。

圖1 裝配式立體車庫效果圖

1 設計理念

1.1 平面設計

方案采用單元化設計，包括多個可重復使用的停車單元，通過安裝或拆除停車單元來實現(xiàn)長期停車和臨時停車之間的轉(zhuǎn)化。停車單元可分為“帶坡道”和“無坡道”2 類。一個帶坡道的停車單元具備完整的豎向交通、水平交通和停車功能，適合作為長期停車場。帶坡道停車單元內(nèi)部空間主要包括車位、設備室、水平交通空間（樓層內(nèi)車道）和豎向交通空間（坡道、樓梯、電梯）。當車庫的體量較大，需要的車位較多時，將2 個帶坡道單元和2 個無坡道單元進行組合，既能保證車輛單向流動，防止造成擁堵，又可以提供盡可能多的車位，充分利用樓層面積。各單元可以組合成八邊形、一字形、L 形等，以適應不同的場地形狀。

快裝式多層停車樓單個單元的建筑面積為13059m2，可作為居民小區(qū)、商務區(qū)等地的長期停車場，如遇大型活動，可根據(jù)場地形狀，將4 個停車單元進行組合，形成臨時停車場，以滿足短時間、高強度的臨時停車需求。停車樓內(nèi)部空間主要包括車位、設備室和交通空間（車道、樓梯、電梯）。

建筑高度20.4 m，其中一層層高3.6 m，為輕型客、貨車停車場，2—7 層高2.8 m，為小型車和微型車停車場。作為長期停車場時，每層可提供42 個車位，總建筑面積/總車位數(shù)=44 m2/車位，作為臨時停車場時，每層可提供182 個車位，屋面亦作為停車場，總建筑面積/總車位數(shù)=36 m2/車位。

1.2 流線設計

為滿足高強度、大流量的臨時停車需求，停車場交通流線需要實現(xiàn)靈活組合、減小占地面積，并且能夠減少車輛行駛路程。結(jié)構(gòu)流線采用三角形模塊化設計，夾角處做弧邊處理，達到更好的空間利用效果。同時避免駕車過程中的視覺盲區(qū)，提高設計安全性。出入口處采用雙坡道設計，實現(xiàn)交通單流線，合理對車輛進行分流，解決出入口處堵車的痛點，避免車輛繞行。此外，車庫坡道由三角形長邊處理而來，不占用建筑主體的面積，提高了空間利用率，且坡道坡度較緩（一層13%，二層及以上10%），能夠保證行車平穩(wěn)。每一單元的“L”形直角處設置有樓梯與電梯，通過無障礙電梯，方便殘障人士通行。雙坡道設計效果圖如圖1 所示。

1.3 立面設計

長期停車場的外立面采用垂直百葉窗與實心護板進行圍護，簡約、整潔、莊嚴，美觀性與功能性兼顧。垂直百葉窗上下兩端連接在相鄰上下層梁的外側(cè)翼緣上，與梁板節(jié)點不相沖突。百葉窗角度可根據(jù)太陽位置、外界光照強度、風速等自然條件進行調(diào)整，既能遮風、擋雨、遮陽，又可以保持一定的自然采光、通風能力，使車庫內(nèi)光線柔和、空氣流通。實心護板的高度為1.2 m，與圍護立面平行，具有2 方面的作用：一是加強圍護結(jié)構(gòu)的強度，提高車庫的安全性；二是避免地面上的小物體從垂直百葉窗的空隙中掉出，造成高空墜物的危險。

垂直百葉窗和實心護板的材料為聚碳酸酯，該種材料透光率高，抗沖擊、耐蠕變性能突出，抗拉、抗彎強度高，韌性好，并具有較高的耐熱性和耐寒性，且密度僅傳統(tǒng)防雨罩覆層重量的三分之一，安裝方便快捷，綜合性能優(yōu)良，已經(jīng)成為了近年來建筑裝飾業(yè)常用的理想材料之一。對于臨時停車場，只設置實心護板，不設垂直百葉窗。

2 結(jié)構(gòu)設計方案及計算分析

2.1 結(jié)構(gòu)方案

結(jié)構(gòu)體系采用裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)，地上共7 層，一層層高3.6 m，二至七層層高2.8 m，屋面上設有電梯間，電梯間層高2.8 m。結(jié)構(gòu)設計使用壽命50 a，抗震設防烈度7 度，抗震等級為四級。

結(jié)構(gòu)柱采用冷彎空心圓鋼管柱，規(guī)格包括Φ400×8和Φ500×10，梁采用焊接H 型鋼，規(guī)格為H250×175×6×10 和H400×250×6×10，支撐采用內(nèi)約束防屈曲支撐，樓板、屋面板采用150 mm 厚預制薄壁鋼管肋空心混凝土板。為滿足快速拆裝的要求，各主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件在工廠內(nèi)預制成型，并完成端板、耳板等連接件的焊接，運抵現(xiàn)場后通過螺栓進行連接，避免現(xiàn)場焊接作業(yè)。連接所用螺栓包括六角頭高強螺栓和T 型單邊螺栓，強度皆為10.9 級，摩擦性高強螺栓。

2.2 結(jié)構(gòu)計算

通過設置防震縫將一個具有完整功能的停車單元分為“停車部分”和“坡道部分”，2 部分作為2 個獨立的建筑物分別進行結(jié)構(gòu)計算。停車部分一個單元的結(jié)構(gòu)計算模型如圖2 所示。

縱橫向交接位置設置支撐，支撐截面為Φ83×3.5，采用人字形支撐，兩支撐斜桿之間形成一消能梁段，消能梁段的長度為400 mm。支撐為內(nèi)約束防屈曲支撐，只進行強度驗算，穩(wěn)定性由支撐內(nèi)部填充的泡沫金屬保證。坡道部分結(jié)構(gòu)冷彎空心圓鋼管柱包括GZ1 和GZ2 兩種，GZ1 為Φ400×8，GZ2 為Φ500×10。梁包括GL1 和GL2 兩種，GL1 為H400×250×6×10，GL2 為H250×175×6×10。

建立結(jié)構(gòu)計算模型進行荷載作用下的內(nèi)力分析，并對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行截面調(diào)整，滿足設計要求，強度和穩(wěn)定驗算應力比控制在0.75~1，保證了結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性。水平風荷載和地震作用下水平位移均滿足規(guī)范限值。結(jié)構(gòu)的自振周期為1.74 s，第一振型為X向平動，第二振型為Y向平動，第三振型為扭轉(zhuǎn)。其中，X向水平風荷載作用下樓層最大位移分析見表1，其中樓層最大位移為11.41mm，最大層間位移角為1/719。Y向水平風荷載作用下的樓層最大位移為11.34 mm，最大層間位移角為1/723。X向地震作用下樓層最大位移為38.03 mm，最大層間位移角為1/333，Y向地震作用下的樓層最大位移為31.47 mm，最大層間位移角為1/414。停車部分主體結(jié)構(gòu)用鋼量為39.59 kg/m2。

表1 X 向風荷載作用下樓層最大位移

坡道部分內(nèi)力計算結(jié)果也均滿足規(guī)范要求，其中自振周期為1.41 s，X向風荷載作用下樓層最大位移為1.65 mm，最大值層間位移角為1/9 333。Y 向風荷載作用下樓層最大位移為6.78 mm，最大值層間位移角為1/1 674。X向地震作用下樓層最大位移為18.20 mm，最大值層間位移角為1/795。Y向地震作用下樓層最大位移為21.82 mm，最大值層間位移角為1/531。坡道部分用鋼量49.03 kg/m2。結(jié)構(gòu)綜合用鋼555.09 t，綜合用鋼量42.51 kg/m2。

3 創(chuàng)新技術(shù)應用

3.1 快速拼裝技術(shù)

建筑主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，構(gòu)件為H 型鋼梁與圓管鋼柱。H 型鋼梁通過末端焊接的弧形端板與圓管柱連接，端板處適合使用高強螺栓，但是由于所使用的圓管鋼柱為封閉截面，且柱段較長、柱口直徑較小，在柱內(nèi)壁進行安裝操作十分困難，若仍然采用傳統(tǒng)的帶螺母的高強螺栓進行連接，將嚴重影響施工進度，并且大幅降低結(jié)構(gòu)的裝配化水平。采用T 型單邊螺栓連接技術(shù)單側(cè)擰緊的安裝方式（圖3），可以有效地解決封閉截面構(gòu)件連接的問題，更好地提高建筑結(jié)構(gòu)的裝配化水平，實現(xiàn)快速拼裝。該種T 型單邊螺栓緊固件特點包括：不需要特殊的螺栓制造工藝和安裝工具，避免了螺栓預緊力的損失；實現(xiàn)單側(cè)安裝，避免了在封閉鋼管柱上開多余的空隙；安裝孔的尺寸精密度要求較低，避免了微小變形對安裝與拆卸過程的影響，提高了構(gòu)件的利用率。該T 型單邊螺栓還可用于樓板與梁之間的連接，使施工人員能夠站在板頂插入螺栓、擰緊螺母，樓板面即為工作面，減少了施工用時，方便快捷。

圖3 T 型單邊螺栓圖及梁柱節(jié)點

圓鋼管柱拼接可采用螺紋連接的圓鋼管柱，該種圓鋼管柱連接節(jié)點，包括上下2 段圓鋼管柱單元，圓鋼管柱單元之間在拼接段處進行螺紋連接。其中位于上段的圓鋼管柱單元上設有使撬棍穿過的撬棍孔，當上下相鄰的兩圓鋼管柱單元吊裝就位后，通過對插入撬棍孔的撬棍施力來旋緊上段圓鋼管柱單元，完成鋼管柱單元之間的連接。該螺紋連接節(jié)點克服了現(xiàn)場焊接節(jié)點的低效率、低質(zhì)量、受天氣和氣候影響等缺點，降低了對工人技術(shù)水平的要求，通過簡單的操作即可實現(xiàn)圓鋼管柱的拼接。

3.2 模塊化設計

車庫由臨時停車區(qū)和長期停車區(qū)組合而成，由4 個停車單元合并，臨時停車單元與長期停車單元可采用相同設計，結(jié)構(gòu)布局合理，單元的角柱、邊柱上留有額外的螺栓孔，便于與其他單元進行連接。長期停車區(qū)域附帶坡道，臨時停車區(qū)域拆除后可保持獨立停車功能。

每個停車單元均可被看作一個大型“模塊”，其平面組合十分靈活，可組合成八邊形、一字形、L 形等形成豐富的空間關系，在保證停車便捷高效的同時最大限度地利用場地面積。

每個單元內(nèi)的每一層也可被看作“標準模塊”，在結(jié)構(gòu)設計方面，各層保持一致，在功能分區(qū)上利用模塊化的可變性，通過拆分、組合等方式完成局部模塊區(qū)域功能的轉(zhuǎn)變。在層與層的疊放中，利用模塊單元重復性的特點，通過模塊單元的重復布局來構(gòu)成整體建筑，在保證功能分區(qū)合理與結(jié)構(gòu)形式可靠的同時，大大提升了車庫的施工速度。

模塊單元構(gòu)成要素主要包括角柱、邊梁、樓板3 個部分。角柱是模塊單元中最重要的承重構(gòu)件，其負責承受模塊由樓板單元以及上層、模塊傳導下來的重力。由于模塊單元需要具有較高的集成化，因此在角柱內(nèi)集成排水管，輔助模塊單元排水。在梁與角柱的連接上，主要是通過弧形端板與單邊螺栓進行連接。邊梁的主要作用是固定樓板，并維持模塊單元整體的穩(wěn)定性。作為主要受力構(gòu)件之一，梁的作用除了維持自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以外，由于對外的接觸面較大，因此還具備固定附加構(gòu)件的功能。在邊梁與樓板的連接當中，在板下部對空間進行預留，用于室內(nèi)照明排線。樓板是直接支承車輛、人員的承重構(gòu)件，也是模塊單元主要的內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)，需要考慮其防水性能等。樓板在設計中作為模塊的底面時，容易出現(xiàn)積水等問題，因此樓板設計可采用塑性橡膠龜背式設計用于排水，同時在橡膠下依次布置保護層等，完成底面設計，頂面設計與地面設計類似。通過對模塊單元自身的構(gòu)造方式進行了系統(tǒng)性的分析研究，裝配式建筑模塊化設計中還需要考慮模塊單元之間的組合關系，因此模塊單元間的連接形式也是設計的重點。模塊單元的組合形式可以分為水平方向的組合和豎直方向的組合。在水平拓展與豎向拓展向均有相應的設計。模塊的水平拓展即通過模塊互相組合擴大建筑空間。具體的連接方式是通過鋼梁進行連接，相互之間通過預留孔洞進行準確定位，并用M22 螺栓進行梁與角柱的連接。模塊的豎向拓展，主要是提高建筑的層數(shù)，以及豐富豎向的空間效果。具體的連接方式是通過柱與柱之間的螺紋節(jié)點進行柱的接長。除此之外，模塊單元與地面也需要通過柱腳錨栓進行固定，保證模塊單元的穩(wěn)定性。

3.3 節(jié)能設計

本結(jié)構(gòu)中由4 個單元組成，各單元中部鏤空形成天井，在滿足自然采光的同時增加了建筑整體的綠化面積。4 個單元組合為八邊形后，八邊形中部亦有一小天井，實現(xiàn)充分的自然采光。長期停車單元的屋面采用種植屋面與光伏屋面相結(jié)合的形式。坡道頂部及內(nèi)天井頂部覆蓋天窗，天窗采用碲化鎘薄膜光伏組件。該種光伏組件熱斑效應弱，在陰天、清晨、傍晚等弱光環(huán)境中也能發(fā)電，與傳統(tǒng)晶體硅光伏組件相比有顯著優(yōu)點，此外，其透光率、顏色、形狀可以根據(jù)需要進行個性化定制，可兼做建筑物的裝飾層，集采光、遮陽、發(fā)電和裝飾功能于一身，是實現(xiàn)光伏建筑一體化（BIPV）的良好材料。

屋面其他區(qū)域覆蓋改良土，種植地被植物，為鋼結(jié)構(gòu)冰冷的外表增添了生機與活力，同時，綠色植物可以凈化汽車尾氣、吸收溫室氣體，從而改善空氣質(zhì)量、降低碳排放，使屋面美觀、獨特，更好地融入周圍環(huán)境中，符合綠色建筑的設計理念。

4 結(jié)論與展望

本方案為快裝式多層停車樓，由多個停車單元組成，可作為居民小區(qū)、商務區(qū)等地的長期停車場，或?qū)? 個停車單元進行靈活組合，形成臨時停車場，以滿足短時間、高強度的臨時停車需求。

結(jié)構(gòu)方案采用裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)，滿足快速拆裝的要求。設計階段采用模塊化設計，實現(xiàn)了建筑構(gòu)件的標準化與統(tǒng)一化，項目通過單邊螺栓連接技術(shù)既保證了臨時停車場部分的可拆卸裝配化，又實現(xiàn)快速拼裝的功能。通過采用新型結(jié)構(gòu)形式與技術(shù)，以及創(chuàng)新的建筑結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了建筑的綠色節(jié)能。采用的新型結(jié)構(gòu)構(gòu)件提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和施工裝配的效率，同時降低了設計的建設成本。一定程度上減少了停車樓運營過程中的能源消耗，綠色清潔，對環(huán)境友好，符合國家的“雙碳”戰(zhàn)略。