地铁结构设计时要思考的几点

2016-09-02 by:CAE仿真在线来源:互联网

地铁是长条型的建筑物,沿线地下、地上情况通常比较复杂,高楼大厦、地下管线、市政设施及地面交通等周边环境都制约了结构设计,并对结构提出了很高的要求,地铁结构设计不但是一项责任大、任务重的工作,而且是一项需要埋头苦干、潜心钻研,来不得一丝马虎的工作。

怎样在满足周边环境要求和地铁自身需要的情况下充分发挥主观能动性?对结构设计本身来说,怎样结合计算、经验及实测成果为自己的设计服务?面对日益紧张的工期及越来越高的质量要求,怎样提高自己的设计效率和设计质量?,都应是值得思考的问题。以下结合自身的工作实践及相关资料谈谈对地铁结构设计的几点认识。

1.地铁结构设计的特点

地铁结构不同于一般的民用建筑结构,其特点包括具有很高的重要性和安全性、地域性强、投资规模巨大、涉及专业面广、与市政管线部门协调多、工期长、周边环境复杂等,结构设计是在充分研究其特点和要求的前提下进行的。

1.1地铁结构百年大计

地铁是城市交通的主动脉,是建成后不允许中断和大规模维修的重要建筑,其通常埋设于地下,其重要性决定了主体结构及内部主要构件使用年限为100年。这就在设计中,对结构的耐久性、可靠性、人防提出了很高的要求,在耐久性设计方面包括较高的强度要求、严格的变形及裂缝控制要求、不渗不漏的一级防水要求、严格的材料质量控制和施工工艺要求。在可靠性方面提出了较高的结构安全性要求,设计中在荷载乘了分项系数后通常再给予适当的增大调整,结构设计充分考虑了偶然荷载的作用,包括地震荷载、人防荷载等。地铁的人防设计通常考虑能承受核武器的。

1.2周边环境高度复杂

地铁所选择的路由不是目前繁华地区就是规划的城市热点地区,这就决定了地铁周边的环境高度复杂。周边环境包括既有建筑物(住宅楼、办公楼、商业设施、过街天桥等)、地下构筑物(地下通道、地下街、涵洞、桥梁及房屋基础等)、地下管线(雨水管、污水管、上水管、天然气管道、电力方沟、电信、电视、电话电缆等)、地上电力线路(电塔、高压电线等)、古建文物(历代帝王庙宇牌楼、古代建构筑物等)、河流湖潭(人工河、公园湖潭、天然江湖等),以上都是影响结构设计的因素,设计的结构应以不影响或少影响既有设施为原则,同时对于近接情况应给出充分的安全保护措施。对于城市郊区则应配合规划及管线部门,给将来的地下、地上设施预留足够的实施空间和接口。周边环境的复杂性在某种程度上是制约车站标准化的重要因素,也是车站和区间建构筑物为适应环境而导致做法各异的原因。

1.3岩土及地下工程具有明显的地域性、经验性及多变性

我国目前在建和将建地铁的城市主要为特大城市,分布在东西南北不同地区,城市之间的地质与水文地质情况千差万别。比如北京和上海,北京地质以砂性土为主,地下水位低,地质情况相对良好;上海则以粘性土为主,地下水位高,地层软弱,地质情况较差。这样明显的地质差异同样发生在其他城市,可见地域性是地铁结构设计必须考虑的因素。岩土及地下工程同时也是经验性非常强的领域,对于围护结构设计来讲有的城市习惯用桩、有的城市习惯用土钉,除去地质因素以外,经验与习惯也应在设计中值得尊重和参考。地铁工程的复杂性主要体现在城市地质的复杂性上,同一城市不同区域、甚至是同一站位的不同位置都存在地质发展较大变化的情况,设计中除参考相关经验外,更应结合具体地质情况进行具体设计。

1.4安全性要求高

除了从结构使用年限及可靠性方面的考虑,应提高结构的安全性以外。其周边环境、社会影响、事故危害、造成的经济损失也是要求结构提高安全性的重要方面。

1.5建设投资巨大

我国地铁在上世纪末以前,基本不考虑和不批准建设,其中一个重要原因是其投资额巨大,当时的国力难以支付,平均每公里4~8亿元,一条地铁线路动辄投资上百亿。土建造价约占总造价的50%,与结构设计有关的覆土厚度、结构尺寸及施工方案优化等都直接关系地铁投资规模。

1.6专业间及与施工方配合多

结构专业是地铁设计的下游专业,应在规划、线路、建筑、设备、周边环境基本稳定的前提下开展工作,而往往结构出图工期要求紧,这样就必须与其他专业多沟通、多配合。土建是地铁施工的重头戏,其工期长、周边环境变化多,施工过程中技术交底、现场验收、设计变更、工程洽商、多方会议等都离不开结构设计人员的参与,后期配合异常繁杂。

2.结构设计中需准备和搜集的资料

结构设计在外表上是一张张的CAD图纸,似乎只要掌握了CAD与几个计算软件就可以稳操胜券了,事实上在正式画CAD图之前,需充分准备、详细调查,认真研究和分析各种相关资料,否则可能会造成返工和较大设计变更。

2.1周边环境资料

周边环境资料是结构设计方案可靠、可实施的基础,某市地铁设计中曾出现结构底板冒出地面、主体侵入规划建筑车库的例子,究其原因是前期调查工作不够仔细。一根重力流管道的漏查,可能导致结构覆土发生较大变化,周边重要建筑调查深度不够可能会导致保护措施不到位。

2.2进行多方案比选

只有比较才能知道谁优谁劣和谁最优。通常要对某一建筑方案列出所有可能的结构设计思路,然后逐一排查,对最终的几个可行方案再进行经济、工期比选。

2.3研究分析类似结构设计实例

一个人能直接参与的工程实例毕竟是有限的,其涉及的结构形式与种类也不一定全面,对于自己从没干过的新项目,就是要多调查研究相似工程实例,只有掌握了目前国际、国内的通用做法,在设计中才能做到应付自如。

3.结构计算是验证、是手段,不应是设计的最终

结构计算是结构设计过程中一个不可或缺的过程,也是进行结构设计的必要手段,是对设计的有效的定性或定量化验证,当设计经验不足时计算就会变的较为重要。目前的计算软件分两种,一种是国内的实用简易计算软件,如同济启明星、理正等,其严格依据计算规则与规范编制,是定量计算的实用工具;另一种是“无所不能”的国外大型通用软件如ansys、marc等,其通用性决定了其计算模式、公式、参数可选择性多,不涉及具体规范,设计中只能依据规范和经验选择合理的计算参数,是对复杂结构进行定性分析的工具。定量软件能较准确的计算出结构所需的数值, 定性软件只能给出趋势和规律,虽也有结果但其可靠性较差,需要进行修正。计算过程应包括计算前的准确建模、参数选定,对计算软件内核和计算过程的了解,以及根据经验和具体规定对计算结果的修正,这样才可以用于设计,否则可能产生较大误差,甚至是误导。

当然计算结果尚应经受现场实践的验证与支持,盾构隧道并行与上下叠落哪种布置方式对周边建筑物影响较大,上下叠落隧道先开挖上还是先开挖下对周边影响大等,虽然都可以在计算中进行模拟,但在具体实践中还需要进一步参照具体工艺、具体环境和现场监测情况进行验证。

4.结构设计应善于参考和积累

对于一个城市,多深的覆土需要多大的结构尺寸。在众多工况中,哪种荷载组合是控制结构设计的等,都需要日常的积累和总结。在力学概念不足的情况下,通过日常的计算积累也可以获得有益的补充,比如在结构计算中结构尺寸、刚域、混凝土强度、约束情况、单元划分、地层结构作用模式、侧向土压力系数、结构荷载等诸多因素,其某一因素的变化对结构计算有什么影响,多因素变化对结构计算有什么影响,哪些是有利的,哪些是不利的,哪些影响剧烈,哪些影响轻微等,都可以在长期的设计过程中总结出来。

没有时间总结与积累就等于没有时间去提高自己,总是犯同样的错误是不可原谅的,总是从头开始也是不能接受的。

5.现场经验和实测成果能提高自己的设计信心

没有参加过现场实践,没有相关研究成果,特别是在自己缺少对实物的感性认识时,往往会造成设计不足或设计浪费,很难达到恰到好处、经济合理的程度。对于基坑工程来讲,怎样的支护算是足够,怎样的支护算是满足,怎样的支护算是可靠且经济的,需要现场经验与实测数据来支持。在基坑标准化的研究过程中,曾发现了很多对类似基坑相差很大的支护措施,之所以出现上述情况就是对岩土的性能把握不准。

因此,在今后的设计中,多去现场配合,多去搜集一手实测资料,是提高设计水平,增强设计信心的必要途径。

6.应尽量引进标准化成果及采用“参数法”绘图

地铁结构设计由于其具有明显的地域特性和复杂性,在加上其朝阳行业的性质,规范、标准较少。很多时候,设计有些混乱,不大统一,对于同一类型的结构有的需用数张图纸才能交代清楚,有的则用一张图纸就能表达明了,我们应去学习用少量的劳动获得最大收益的方法和成果。对于一些应当和易于统一和标准的设计进行标准化,是提高整体设计水平和效率的有效途径。

“参数法”绘图,实际上的工作量主要是计算,它能使图纸数量最少化,在施工过程中只要根据结构尺寸和相关已知条件就能对应查到配筋、尺寸、数量等参数,在图纸审核中只要对计算流程、计算思路进行审查就能达到复核的目的。多方受益的绘图方式,应当值得推广。

7.设计需要细心和耐心

地铁结构设计是一项既苦又累,且风险较大的工作,稍有不慎就可能导致无法施工或不好施工,甚至会出安全事故,因此,从事结构设计的人员从计算到布筋再到绘出一张张蓝图,事事都要细心。同时,设计过程中,因为各种各样的原因会造成繁多的变更,有专业间的因素,也有现场环境变化的因素,设计过程中甚至是在出图后至施工完毕期间,都会进行一系列的改动,甚至是颠覆性的重做,这就要求设计人员要具有足够的耐心。

设计需要细心和耐心,细到直径几公分的孔洞都要准确标注,并能不厌其烦的核对、修改再修改。

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