随着我国基础设施和经济水平的不断提高,人们的生活质量和消费水平也随之不断改善,各种货物的运输和物流需求逐年增长。近年来新建物流园区的数量也在快速增长中。物流园区主要由仓库和附属用房如设备房、生活用房和门卫等组成,其中仓库面积通常占整个项目建筑面积的90%以上。因而仓库的设计优良与否,基本上体现了整个项目的设计水平。同时,仓库部分的造价也是整个项目建设费用的主要组成部分,而在仓库的造价中,土建结构又占比相当大。所以,对于一个物流园区项目而言,仓库的结构设计非常重要。本文将基于若干物流园区项目的实际经验,简单阐述物流园区仓库结构设计的要点,对实际工程中遇到的一些问题进行分析,并提出解决方案。
仓库以其自身特性,在结构上主要需要分析和设计的内容是:主体结构、围护结构和地基地坪,以下将进行逐项阐述。
由于仓库的使用要求,通常仓库面积大、层高要求高、柱距大。设计力求用最少的材料建设最大的建筑体量。现在通行的仓库要求柱距约为12 m, 净高大于9 m, 楼地面荷载约30 kN/m2。对于单层仓库而言,门式刚架结构是最优选择。随着对用地效率要求的提高,多高层仓库也开始成为主流。由于仓库荷载较大,故多高层仓库通常采用钢筋混凝土框架结构或钢框架结构[1]。
单层仓库采用门式刚架结构,柱脚采用铰接,梁柱连接采用刚接[2]。门式刚架作为一个成熟的结构体系,结构合理受力清晰,尤其在工业建筑领域得到了广泛运用。在仓库项目中,主要需要设计考虑的是选择合理的刚架跨度,以保证建筑的使用效果和建设费用的经济性。
某物流项目,其中一个仓库尺寸长×宽为250 m×83 m, 排架方向根据要求采用了11.4 m间距。刚架采用多跨单脊双坡形式,跨度根据仓库进深83 m设计,如按三等分,则柱距约为28 m; 按四等分,则柱距约为21 m。在使用要求允许的情况下,仅考虑钢结构用量,则跨度越小,用钢量越省。然而同时也应考虑到基础费用,通常柱数量越少,基础费用越低,同时基础费用也和地质情况有关。在对比了两方面的工程量之后,本项目采用了四等分21 m柱距的方案,符合使用要求,且单位造价最优。
近年来,为了节约土地提高用地效率,多高层仓库越来越普及。现在常见的是双层仓库,但在用地更为紧张的香港等地已经出现了高层仓库,这可能是未来物流园区项目建设的方向。
由于楼面的荷载较大,多高层仓库一般采用框架结构。至于采用混凝土框架,还是钢框架,则需要考虑建筑材料供应、造价、工期、有无超过规范限高、是否有装配式要求等等不同设计条件进行综合考虑。
某项目的双层仓库,采用了混凝土框架结构,两个方向的柱距均为12 m。由于荷载较大,同时又要满足楼面变形限值的要求,故而通常采用了预应力梁,以减小钢筋用量和挠度变形。
在现浇混凝土框架结构中,可选用井字梁体系或单向梁体系,该项目采用了井字梁体系,受力更均匀,结构变形更小。现浇结构施工时需要搭建约10 m高的满堂脚手架,以对楼面结构进行混凝土浇筑。在装配式混凝土框架结构和钢框架结构中,基本选用单向梁体系,并且可采用施工更便捷的楼承板或者压型钢板,作为结构受力构件的同时,亦省去了脚手架搭建楼板模板的施工量。
围护结构是封闭整个建筑,营造室内空间最重要的手段。压型钢板作为工业化产品,色彩丰富、线条整齐,同时材料用量少,可以实现采用最少的材料覆盖最大的建筑体量的目的。所以仓库围护结构通常采用轻钢檩条加压型钢板的形式,施工便捷,造价低,有成熟的供应和施工体系以及丰富的实践经验。
檩条作为次结构,也是结构设计中的重要一环。最常采用冷弯薄壁型C型或Z型檩条。前文中排架间距的设置,其实也考虑到了檩条的设计,排架间距如过大,则常用截面的冷弯薄壁型檩条已不适用,需采用桁架檩条或H型檩条,则势必增加造价。结构设计是一个完整的体系,可以说是牵一发而动全身,设计时需进行各方面的全面考虑。
如果说仓库的上部结构都有完善的理论体系,可以进行精确的结构计算得出明确的设计结论,那么对于地坪来说,问题要复杂得多。由于需要布置多层货架,仓库地面荷载较大,约为30 kN/m2,又由于配套的物流系统如运输传送带、新兴的物流机器等对环境的要求较高,仓库地坪对于裂缝、平整度、耐用性的要求非常高。同时还由于货运车辆对卸货的需要,仓库室内外高差在1.3 m左右,这部分高差通常采用回填土堆积形成。仓库场地下方的原状土、新近回填土和地坪本身一同形成了结构受力体系,共同抵抗外加荷载和沉降变形[3,4]。
在场地地基情况较好时,只需要清表之后,采用优质土分层回填,在其上浇筑约200 mm的建筑地坪,地坪中适当配筋提高承载能力和变形性能即可。
但我国幅员辽阔,地质情况千变万化,经常遇到各种不良地质情况。这时候,就需要设计师结合地质和结构两方面进行计算和综合判断,时常需要采用不同的地基加固方式。有时候,各种地基加固措施也无可奈何的时候,就需要采用结构地坪。各种地基处理措施不仅有不同的适用性、地域性,造价也差别很大,非常考验设计思考的全面性和经验性。
比如连云港地区某物流项目,在进行实际地勘勘察后,发现实际地质情况与项目前期的预计有非常大的差异。该地块场地普遍存在总厚度约为17 m的淤泥质土层。该淤泥质土层含水量较高、强度低、压缩性高、灵敏度较高、侧向稳定性较差,且为欠固结土层,同时因为靠近沿海还有强腐蚀的问题[5]。淤泥质土层的常规地基处理措施常为水泥土搅拌桩复合地基,但水泥搅拌桩的处理深度大约在15 m, 本项目则需要处理至20 m深度,该方式不适用。也考虑了高压旋喷桩复合地基、结构地坪等方案,但是造价超出预计较多,需要追加额外投资,直接影响了该项目的经济可行性。通过一系列对比和分析之后,最后该项目采用了真空预压的处理方案,预压六个月以上,排出孔隙水,等待土体完成沉降固结(见图1)。该方案是以时间来换取经济性,节省了造价,减少了对自然的人为改造,采用最小的干预让土体自身随时间变形。
有一些项目受限于特殊的地质情况,唯有采用结构地坪的形式才能达到设计要求。选用了结构地坪方案之后,仍需要做很多计算和分析工作来确定最终的详细设计方案。比如,选用不同的桩型、桩径和桩长,可以得到不同的单桩承载力,而单桩承载力可以决定结构地坪的桩间距和桩对地坪楼板的作用力。因作用力的不同,则地坪板板厚和配筋将不同。它们之间各自不同的组合,将会对最后的造价产生影响。这就需要设计进行全面分析和综合考虑,选择最优方案。某浙江项目临近海边,场地为吹填土,进行设计分析后,决定采用结构地坪方案。针对该方案,对比了不同长度的管桩、地坪楼板厚度和配筋、桩帽尺寸等工程量后,最终选定了短桩方案,桩间距密,但是桩长总量反而更少,并且可以采用更薄的地坪板和更小的桩帽尺寸。综合比较后,该方案工程量小,环保节能,节省了工程造价。
物流园区仓库有其自身建筑特性,本文针对主体结构、围护结构和地基地坪提出了结构设计需要关注的要点,结合项目案例列举了实际项目中遇到的问题,并说明了分析过程和解决方案。希望本文对物流园区工程项目的结构设计工作提供一些有用的信息和帮助。