高層建筑地下室結構設計初探

摘要：國家大力提倡節約土地資源，地下空間成為建筑業界爭相追逐的熱點。本文就高層建筑的地下室結構設計進行了歸納總結，闡述了高層建筑地下室結構設計的方法、步驟、重難點及注意事項。

關鍵字：高層建筑；地下室；結構設計

1.引言

隨著國家城鎮化建設的大力推進，國家城市土地資源越來越緊俏，建筑行業及城市交通行業不得不選擇向空中和地下發展，因此，高層建筑和地下空間的應用越來越得到重視，就此，高層建筑因其功能和結構的需要，越來越多的設置了地下室。同時，高層建筑不僅地上結構的層數在顯著增加，其地下室結構的層數也正在向多層發展，就此，關于地下室結構的結構設計、防水、保溫施工工藝也日益成為建筑業界關注的熱點問題。由于地下室結構的工程環境特殊、涉及工種繁雜、且施工相對隱蔽、復雜，如果控制不佳，極易出現質量問題，所以，對于該結構物的設計和施工應給與特殊的重視和要求。

2.地下室結構設計原則

2.1選用計算簡圖：計算簡圖是進行結構計算的基礎，故進行計算簡圖的合理選擇是保證結構物安全的先決條件。另外，計算簡圖應在工程容許誤差范圍內選擇，再配合適當的構造措施保證計算簡圖的準確性。

2.2選擇基礎方案：應依據地質條件，結構形式及荷載分布選擇合適的基礎形式，綜合分析影響建筑物的施工條件等復雜因素，選擇經濟合理，結構安全的基礎形式。

2.3合理選擇結構方案：選擇合適、經濟、保證結構安全的結構形式是完成一個結構物建設的前提，要確保結構傳力體系明確、簡潔，地震區結構物應力求平面和立面規則。

2.4正確分析計算結果：現在的結構設計普遍利用計算機設計軟件進行，但是當前建筑結構軟件繁多，往往不同的結構軟件計算結構也不盡相同，這里要求設計師必須熟練把握計算軟件的選擇，了解其適用范圍。在進行計算機輔助設計時，要保證輸入準確，條件明確，在完成計算后要認真分析電算結果，做出合理判斷。

2.5采取必要的構造措施：必須遵循“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件”的原則，保證結構延性，保護薄弱部位，注意鋼筋錨固，考慮溫度變形及附加應力的影響。

3.地下室結構設計重難點分析

地下室工程涉及專業多且雜，在進行相關設計時，不僅要進行承載力的設計，同時要考慮防火、使用功能、人防、管道、通風等諸多專業。對于高層建筑結構而言，抗浮性和抗滲性都要得到妥善處理。總之，地下室結構設計是一項龐大的系統工程，涉及設計、施工、選擇材料等很多細節問題。下文將就具體問題進行較為詳盡的探討。

4.高層建筑地下室結構設計

4.1結構的平面設計

在高層建筑地下室結構設計中，防火、人防、使用功能、設備用房以及坑道、通風、排水、管道、采光等各個因素都要得到妥善考慮，例如，當地下室的縱向尺寸超過規范要求時，需要確定如何設置變形縫，一般情況下，我們應該盡量避免設置變形縫，因為此工序將極大的影響地下防水設計。設計師應該考慮其他方法（如設置后澆帶、使用外加劑）等方式回避設置變形縫。

4.2抗震設計

地下室抗震設計問題較多，比如，多層建筑中半地下室的埋設不達標，因為此建筑物往往層數和高度都會超過GB50011-2001 第7.1.2 條的規范規定，此時，地下室頂板是上部結構的嵌固端，按照GB50011-2001 第6.1.3 條規定，當地下室一層為三級抗震，上部結構是二級抗震時，地下室也應該調整抗震等級為二級進行結構設計。如果地下室結構抗震設計不適當，將大大影響整個建筑物的抗震性能，這里按照施工圖審查規則，通常來說，當半地下室的埋深在大于地下室外地面以上高度時，才可以不計算其層數，要采取適宜的處理措施，否則不能作為上部結構的嵌固部位使用。查閱相關規范知，上層結構部位的地下室樓蓋必須是梁板結構物。當地下室頂板為無梁樓蓋時不能作為上部結構的部位使用。此時，結構計算應以地下室底板為起點進行，剪力墻的底部加強區的層數應從地面起算且包括地下層。

4.3地下室抗浮、抗滲設計

通常情況下，在此類設計中有以下諸多問題，違反GB50007-2002 第3.0.2 條，勘測報告為提供地下水位中計算浮力的起算點，或者設計師未按照勘察報告確定地下水位；違反GB50009-2001 第3.2.5 條，斜坡道沒有按規定進行抗浮驗算，未處理坡道與主體的分縫處，斜坡道未進行抗浮驗算或驗算結果不達標；地下水位是地下室結構抗浮設計的重要標準，實際設計中只考慮正常使用極限狀態，未重視汛期和施工過程的影響，造成地下室在施工過程中由于抗浮不夠的局部破壞。此外，對于大面積地下室，其上部結構不規則，同時并存高層建筑、多層建筑，還有無建筑區域，面積大、形狀復雜，這類抗浮問題相當復雜，需要綜合復習模擬其荷載形式再進行設計。抗滲性是地下室設計中除滿足受力要求之外的另一個重點，由于常規混凝土結構物是帶裂縫工作的，為了滿足其抗滲要求，通常我們采取下列措施：

（1）采用補償收縮混凝土：在混凝土中摻入外加劑（微膨脹劑），通過其膨脹值抵消砼的最終收縮值。保證其差值不小于混凝土的極限拉應力時，此法即可控制裂縫。

（2）設置膨脹帶：混凝土由膨脹劑產生的膨脹變形不能完全抵消其早期收縮變形，而此法可以實現混凝土的連續澆筑，避免留施工縫。

（3）設置后澆帶：這是保證混凝土早期約束力得到有效釋放的施工工藝，此法針對長久性變形縫已經得到了廣泛的應用。

（4）提高鋼筋混凝土的抗拉能力：在混凝土中設置變形鋼筋，水平溫度筋，強化混凝土面層，抵抗溫度變形，在墻體中設置水平暗梁抵抗由混凝土收縮不一致產生的約束力。

4.4外墻結構設計

地下室結構的外墻是其結構設計的重難點問題，要綜合考慮其水壓力、土壓力進行驗算，在設計應該考慮如下幾個方面的問題：

（1）荷載：此處需要考慮水平荷載和豎向荷載，地面荷載、人防等效靜力荷載和側向土壓力是水平荷載的主要來源，上部結構物自重是豎向荷載的主要來源。在實際設計中，豎向荷載、風荷載、及地震荷載往往不起控制作用，墻體的配筋主要由水平荷載控制，應按其彎矩值進行配筋，并且通常不考慮與豎向荷載的壓彎組合，僅按照墻體彎曲計算配筋。

（2）靜止土壓力系數：最好由試驗測定靜止土壓力，無法試驗測定時，可以按照經驗參數確定（砂土取0.4左右，黏土取0.6左右）

（3）地下室外墻的配筋：計算外墻配筋中，當外墻帶扶壁柱時，不能按照扶壁柱尺寸進行配筋計算，應該按照雙向板理論進行計算配筋，扶壁柱則按照結構整體電算結構分析進行計算配筋，不按照外墻雙向板的荷載傳遞方式驗算扶壁柱的配筋。由于外墻和扶壁柱要變形協調，這種設計會導致外墻豎向配筋不夠，扶壁柱配筋偏小，水平分布筋卻多余的情況。由此，地下室外墻的配筋，當垂直于外墻方向有鋼混內墻連接時，亦或者外墻扶壁柱的截面尺寸較大時，例如高層建筑的外層框架柱間墻，要適當加強其外側主筋。外墻的水平分布筋要依據其扶壁柱的截面尺寸確定，適當加強其外側附加短水平鋼筋，同時，外墻轉角墻也應該適當加強。應該以底板作為外墻的嵌固端，按照固定支座簡化，側壁的底部彎矩和其相鄰底板的彎矩相同配置，保證底板的抗彎性能大于側壁的抗彎能力，應注意協調墻體厚度和配筋，滿足配筋率的要求。

5.小結

高層建筑地下室設計是整個結構設計部分的重點，也是難點之一，作為設計師應該注意積累地下室設計經驗，只要準確把握設計要點，結合規范，全面考慮影響地下室結構設計的諸多影響因素，以合理設計為前提，盡量降低建筑成本，最大限度保證高層建筑的安全性、適用性和耐久性是完全可能的。

參考文獻

[1]地下工程防水技術規程（GB50108-2001）[S].

[2]李享，譚素群.地下室結構設計中的若干問題[J].山西建筑，2007，33（11）