大型復雜地下空間結構設計特點探討

唐陶

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司第六設計院，安徽 合肥 230031）

0 引言

大型復雜環境下，地下空間結構設計首先要與地上結構相配合、相協調。同時，由于受到施工先后順序的影響，應加強對前期、后期施工工作的管控與協調，結合施工順序與地下空間荷載分布狀況，合理選擇樁基形式與布置方式，進而有效控制不均勻沉降問題，提高地下空間結構的安全性、穩定性，防止結構偏心、不對稱等問題的發生。

1 大型復雜地下空間結構設計特點分析

1.1 工程概況

本工程項目為阜陽西站站前廣場地下工程，結構體系采用框架結構，抗震等級為三級，其中H、I區框架抗震等級為二級。該項目地上一層，地下一層至兩層。單層地下高度為4.4m，二層地下室總高度為10.1m，表1為地基基礎設計概況。

表1 地基基礎設計概況

1.2 大型復雜地下空間結構設計特點

對于大型復雜地下空間結構而言，它具有以下特點：①規模上相對較大，功能組成較為復雜。一般來說，當地下建筑的功能達到或超過三種，可將其是為復雜結構。按照民用建筑的分類標準來看，當建筑單體規模超過30000m2時，就可將其視作大型建筑。通過上述分析可以看出，大型復雜地下空間的建筑規模要超過30000m2，并且要具有三種及三種以上功能；②相比普通地下空間結構來說，大型復雜地下空間的人流量較大，對于內外交通有著較高的要求。在進行工程設計施工期間，基坑的開挖規模大，建筑結構的體量大。同時，地下空間中配置了大量的機電系統，機電設備的負荷高，設備的運營、管理有著很大的難度；③地下空間的利用較為集約、高效。集約主要是指多種設施于一體。高效主要是指各種類型的設施、資源的利用率較高；④大型復雜地下空間的建設、運營風險系數高，資金投入量較大。設計施工環節中，應建立三維模型，做好結構模擬與數值計算分析，確保設計、施工工作有序開展。

在開展大型復雜地下空間結構設計時，既要注重空間資源的高效利用，同時還要確保整個地下空間系統能夠高效、安全地運轉。首先，在開展地下結構圍護方案的設計時，要充分考慮周邊環境的影響。如果設計環節存在疏漏，基抗開挖過程中將影響到周圍建筑結構的安全性。其次，要做好地下空間的抗浮設計，選用合理可行的設計方法與模型，必要時可以適當提高基坑坑底設計標高，并增大地下室結構的自身重量，還可通過設置抗拔樁的方式，提高抗浮設計效果。此外，可以通過設置抗拔樁的方式，提高地下空間結構的穩定性，防止不均勻沉降等問題的發生。另外，設計期間要切實做好地下空間結構的抗震設計。大多情況下，地下一層的抗震等級與上部建筑結構的抗震等級應保持一致。抗震設計中還要考慮到周邊建筑物的嵌固方式。

1.3 地下空間結構設計原則

首先，設計工作中，要嚴格按照“安全空間、舒適空間”的基本原則開展地下空間結構設計。同時，設計人員還要提高地下空間的綠色環保效果，以求達到最佳的空間效益狀態。其次，安全原則也是設計過程中必須考慮的因素之一。此外，地下空間結構設計要與城市總體規劃相一致，空間功能應當準確定位，結合施工現場的具體情況，合理確定建設規模，降低施工難度。另外，在開展總體布局設計時，應確保空間布局協調、功能分區設計合理，交通組織便利且順暢，彰顯“以人為本”的設計理念。最后，設計過程中還要確保機電系統的合理配置，為后期的運營與管理工作提供便利。地下空間的進出口要與周圍的基礎設置緊密銜接，提高內外環境設計的友好效果。

1.4 抗拔樁結構設計要點

①在本工程中，樁基以第⑧層粉質黏土夾粉土層作為樁端持力層，灌注樁樁身主筋的混凝土保護層厚度設計為50mm，混凝土骨料粒徑不得大于40mm。在開展混凝土澆筑工作時，要將導管底至孔底的距離控制在300~500mm之間，并確保導管埋入混凝土以下部分的深度不小于800mm；②樁基檢測工作中，應確保單樁豎向抗拔極限承載力大于2倍特征值。其中，圖1為本工程中樁身結構剖面圖。

圖1 樁身結構平面

1.5 總平面設計

一方面，總平面設計工作中，要確保地下空間平面形式與城市系統工程相協調。總體來說，城市系統工程不僅囊括了地面系統、軌道交通系統，同時還包含地下道路系統以及市政管線系統等等。由于城市系統工程建成時間較早，且影響面相對較大，后期調整工作的難度極大。因而，在開展大型復雜地下空間總平面設計工作時，應重點處理好地下工程與城市系統工程之間的關系。總平面設計同樣要注意以地面環境、景觀之間的協調關系，為人員的進出、疏散等提供良好的條件。另一方面，設計時要改善地下空間的通風、采光條件，在地面上設置一定數量的出入口、風亭以及采光井等相關設施。

1.6 地下空間結構設計

結構設計中，首先要做好深基坑支護結構設計。這一過程中，要分析施工現場的地質地貌、水文環境，并對地下空間工程周圍的建筑結構形式做出考慮，合理選用深基坑支護形式，防止安全事故的發生。其次，要加強對復雜結構體系的精確計算，對于體量較大的地下結構，應合理開展抗浮設計等工作。上文中提到，大型復雜地下空間的規模相對較大，基坑開挖過程中涉及的面積較大、深度較深，如果設計人員不能對施工現場的地質條件等因素進行綜合分析，將導致所選取的基坑支護形式不合理，進而威脅到基坑的安全效果。具體設計工作中，還應從地下空間結構的使用功能的角度出發，通過優化施工材料、柱網布置形式、結構類型等方式，提高地下空間工程設計的靈活性、合理性。此外，結構設計環節中，要考慮到多種荷載類型對結構剛度、承載力等方面的影響，加強對三維力學分析方法的應用，從總體受力方面進行研究，提高結構布局的合理性。在確保地下空間工程安全性的前提下，降低施工成本，提高工程效益。

1.7 建筑細部設計

通過做好建筑細部設計，能夠有效提高大型復雜地下空間的利用效率，提升地下空間工程的效益。相對于地上建筑而言，地下空間較為封閉，容易給人產生一種單調、壓抑的感覺，甚至引起過往人員的不適。因此，應通過做好建筑細部設計，提高地下空間的舒適性效果。一方面，設計過程中要凸顯“以人為本”的重要思想，確保地下空間各結構的基本尺度滿足人體活動的各項需求。同時，要確保空間大小滿足人流量的需要。另一方面，環境設計工作中，應提高地下空間的裝修裝飾效果，善用不同類型、不同材質、不同色彩的裝修裝飾材料，既滿足生理、心理方面的需求，同時為地下空間提供一個舒適良好的通風、照明條件。此外，在進行各類設施、設備的配置與設計時，要考慮不同服務對象的各項需要，為人們提供一個良好的休閑、休憩與娛樂環境。

1.8 機電系統設計

①機電系統設計要從地下空間的功能出發，積極做好給排水系統、動力系統、照明系統的設計。同時，大型復雜地下空間還應配備相應的暖風空調系統、監控系統、消防系統以及通信系統等等。為便于緊急情況下人員的快速疏散，在進行機電系統設計時，還應配備無線對講系統、應急廣播系統等等。以上系統共同構成了地下空間機電系統，具體設計工作中，要確保各系統之間的協調性、統一性。考慮到大型復雜地下空間的規模較大、功能分區復雜、防火要求高等特點，設計人員應當結合地下空間空城的建筑規模、結構特點、功能需求等因素，合理選取系統模式與制式；②合理選擇機電系統中的各子系統，對各類機電設備的技術性能、功能參數等做出分析，確保所選擇的各個子系統滿足實際使用需求。同時，要確保各子系統之間有著良好的協調效果。需要注意的是，地下空間中機電系統運行費用較高，設計時既要從使用功能方面進行考慮，同時還要降低機電系統的能耗問題；③設計時既要確保各機電子系統有著較高的獨立性，各系統之間互不干擾，并且還要考慮到各系統整體功能的發揮，采用統一管理與運營模式，提高管理工作的效率與質量。

2 結語

作為城市地下空間開發的重要趨勢之一，合理做好大型復雜地下空間結構的設計對于促進城市快速發展、改善地下空間的利用效率有著重要的意義。設計人員應當對地下空間工程的建設規模、功能組成進行預先分析，并結構周圍基礎設施情況與建筑結構形式，做好地下空間工程的整體規劃與布局。設計時要嚴格遵循“安全、舒適、綠色”的原則，積極提高地下空間資源的效益，促進大型復雜地下空間的可持續發展。