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摘要：社会经济的快速发展，城市中的高层建筑越来越多的出现了大量的地下车库和地下室，将地下室用作高层建筑的设备用房、消防水池或者汽车停车位，一方面能够充分发挥地下室的作用，又能够满足规范对基础埋深的要求。地下室的设计在建筑工程领域显得越来越重要，而随着我国人民防空事业的发展，平展战结合的防空地下室几乎成为新建、改建、扩建民用建筑必备的地下建筑，结合城市地下空间开发利用建设的兼顾人防工程也不断加大建设规模，因此，有必要对地下室的设计工作做一个简单梳理和探讨，只有采用合理的设计方法，才能达到经济可靠的目的。
关键词：人防地下室；地下空间开发建设；抗浮设计；变形缝及后浇带；相关探讨
引言：由于城市土地资源的限制，人们越来越多地索取上、下空间资源来用于城市的建设，大量的地下车库、商场、防空地下室、地铁等地下结构应运而生。地下室的埋深较深、地下水位较浅时，地下室的抗浮设计应引起足够重视，忽视地下室的抗浮设计将导致严重的工程事故，如地下室的整体上浮导致结构梁、板、柱破坏、地下室底板由于水压导致板出现破坏性裂缝……因此，大量工程实例表明，一旦抗浮不满足设计要求，轻则引起地下室底板局部隆起或者开裂需进行加固处理，重则引起建筑物倾斜甚至丧失使用功能，无论何种情况都造成巨大的经济及社会效益损失。因此进行地下室抗浮设计并采取必要的抗浮措施十分必要。同时，地下室作为一个完整的地下使用空间，设计时应整体把握，做到合理设计，使地下室各部位协调发挥作用，从建筑功能布局、柱网布置、抗震设防、抗浮设计、裂缝控制以及防水抗渗等方面全面提高设计质量。
1.地下室结构平面设计问题及措施
地下室工程设计的相关专业极其复杂，在进行高层建筑的地下室结构设计时，要综合考虑防火、防水、使用功能、人防工程、通风、采光、设备用房及管道等诸多专业的配合。例如，地下室的长度超过设计规范规定的最大长度时，就要求建筑设计专业与结构设计专业互相配合，确定是否设置变形缝，通常以不设置变形缝或尽量少设置变形缝为宜，因为设置变形缝将使设缝处的防水处理工作变得复杂，尤其高层建筑地下室更不宜设置变形缝，因为地下室顶板一般会作为上部建筑的崁固层，需要有良好的整体性和更大的刚度。工程设计人员可考虑利用混凝土后期强度，降低水泥用量来减少混凝土的开裂，也可每隔30m~40m设置贯通顶板、底部及墙板的施工后浇带用以代替变形缝。对于地上塔楼必须设置的变形缝，在地下室对应位置可不设缝。若地下室长度太大，仅仅依靠上述措施难以解决时，工程设计人员应该合理调整建筑平面，将地下室合理分割成若干小地下室，中间部分用窄型通道连接，以此满足使用功能和管道连接的要求，此时，就可以将变形缝设置在通道外，这就可以保证接缝很小且接缝处受力也较小，便于出现问题时采取补救措施。
对于人防地下室和地下室空间兼顾人防工程，若利用后浇带代替变形缝时，应注意后浇带应避开人防口部密闭段及人防门洞等位置。《人民防空工程施工及验收规范》要求工程口部、防护密闭段、采光井、水库、水封井、防爆井等有防护密闭要求的部位，应一次整体浇筑混凝土。工程中后浇带分沉降后浇带和伸缩后浇带两种，且伸缩后浇带也有可能兼做沉降后浇带，由于地基不均匀沉降，主楼和裙楼之间存在沉降差，严格意义上说，这个沉降始终在发展，只是量大量小的问题，此类沉降差或伸缩对横跨后浇带的门框墙将造成不利影响，造成门框变形、钢门框与混凝土母体剥离开裂等，进而影响人防门扇启闭和防护密闭性，应避免之。若由于各类实际情况，后浇带无法避开人防口部，则可考虑将后浇带改为膨胀加强带，方法如下：加强带的位置设在后浇带处，先浇筑带外部分的小膨胀混凝土，浇到加强带时，改用大膨胀混凝土，该处混凝土强度等级比两侧混凝土高一级，并根据工程实际情况采用跳仓法顺序施工，如此连续浇注下去，实现无缝施工。膨胀加强带为一次整体浇筑，能满足防护密闭要求。
2.地下室抗震设计问题及措施
地下室的抗震设计虽不如地上塔楼敏感，但也非常重要，如果出现问题，将对整个建筑物的抗震性能产生很大影响。规范规定，对于地下室顶板作为上部结构嵌固部位的，地下一层的抗震等级应与上部结构相同，地下一层以下各层确定抗震构造措施的抗震等级可逐层降低一级，但不应低于四级。对于半地下室，规范要求，只有其埋深深度大于地下室外地面以上的高度时，才能不计算其层数，此时建筑总高度才能从室外地面起算。要保证地下室墙柱与上部建筑结构的墙柱体系互相配合。地下室顶板的室内外板面的标高改变位置，如果标高改变绝对值超过其整个梁高时，则形成错层，如果不采取必要措施此地下室顶板不能视为上部建筑结构的嵌固部位，规范明确规定，如果作为上部结构的嵌固部位，其地下室楼层的顶部楼盖必须采用现浇梁板结构，并且在高层建筑结构整体计算中，当地下室的顶板作为上部嵌固部位时，地下一层与首层侧向刚度比不宜小于2。如果地下室顶板是无梁楼盖则不能作为上部结构的嵌固部位，此时，结构计算应该向下算直至嵌固端满足相关要求的楼层或底板。
设计中存在的常遇问题，例如，多孔砖砌体结构，若半地下室埋置深度不够，而房屋层数（包括半地下室层）已达5层或者8层以上，层数和总高度超过相关要求，违反规范规定总高限值，地下室的抗震等级为三级时，而上部结构为二级，按照规范规定，地下室此时的抗震等级也应为二级等等。而在人防地下室抗震设计方面，常涉及塔楼嵌固层影响范围内的钢筋锚固长度计算问题，人防设计规范对钢筋锚固长度的要求相当于抗震设计规范中三级抗震等级要求，当地下室一层受上部结构影响应提高抗震等级时，设计人员应对该范围人防构件钢筋的锚固提出更高的要求。
3.地下室抗浮问题及解决措施
人防地下室抗浮问题在工程整体设计中十分重要，有别于各人防构件单独简化计算，抗浮设计应从整体和局部全面控制设计质量。地下室抗浮设计最重要的依据就是地下水位及其变幅。而在实际进行地下室抗浮设计时经常仅仅考虑正常使用极限状态，对实际施工过程和汛期重视不足，因而很可能造成地下室在进行施工时因抗浮力不够而出现局部破坏的结果。此外，由于某些地下室的面积非常大、形状又不很规则，且地下室上部的荷载分布不均匀，上部既有多层建筑又有高层建筑还有某些部位上部无建筑物，此类抗浮问题相对就比较难处理，需要设计人员充分理解建筑模型细致分析再进行处理。
对于地下室抗浮问题主要采取的办法如下：
3.1增加自重（配重）法
增加自重抗浮（或叫增加配重抗浮）主要是通过在地下结构底板或顶部增加压重来平衡地下水浮力，如加厚地下室底板回填层或加大地下室顶部堆载等措施，其优点是施工简单、不受施工空间狭小的影响，适用于整体抗浮和局部抗浮等；但也存在增加的抗浮力较少、降低地下空间利用率等弊端，这种方法适用于结构自重与地下水浮力相差不大的情况。
增加自重法有两种方式，一是局部位置增加自重抗浮，如图1所示。在一些地下室工程中，其整体是满足抗浮需求的，但由于顶板覆土较薄、部分顶板缺失等问题，会出现局部抗浮不满足的情况，比如地下室顶板采光天窗、地下室下沉式广场等。这些抗浮不满足的局部在工程中所占比例较小，可以采取局部增加自重方式来解决。二是局部加长地下室外围底板外挑抗浮，做法如图2所示。当与主楼外侧相连的纯地下室范围不大，在整体抗浮满足要求的前提下，外围纯地下室的局部抗浮可采用加长地下室底板外挑段的做法，靠增加其上部填土来抵抗水浮力。该抗浮方法适合用于主楼到地下室侧壁的距离不大的工程，否则在地下室底板会产生很大的弯矩，需要加厚底板、加大配筋，则无经济性优势可言。
图1局部位置增加自重抗浮 图2局部加长地下室底板外挑抗浮
3.2设置排水层或设置抗拔锚桩（杆）等措施。
地下室底板以下可设置排水层（滤水层）及盲沟用以排出地下水，一般在地基内设置的充填碎、砾石等粗粒材料并铺以倒滤层（有的其中埋设透水管）形成排水、截水沟，将汇集的水集中排出室外地面，达到释放地下水位的目的，该设计方法法对相关排水设备的稳定性要求高，后期长期运营维护成本较高。
抗拔桩和抗拔锚杆则是地下室抗浮设计中比较通常的做法。抗拔桩主要依靠桩身与土层的摩擦力来承受上拔力，以抵抗轴向拉力为主。对于原本就采用桩基础的建筑结构，可将抗压桩同时设计成抗拔桩，这样可使工程桩满足结构各种不同荷载受力工况的需要，一桩两用，最大化的发挥桩的作用。如果是工程受力需要也可以设计成单纯抗拔桩。抗拔锚杆是为抗拔而设置的抗拔锚固构件，只承受拉力，用以抵抗地下水对地下室结构产生的浮力。抗拔锚杆适宜用于坚硬的岩石土层，锚杆的布置可以沿梁下设置，也可以在板下布置，锚杆的锚固段长度不宜小于3m，锚杆的数量间距可根据锚杆所锚定的建筑物的抗浮要求及地层稳定性确定，锚杆间距除满足锚杆的受力要求外，尚需大于1.5米，所采用的间距更小时，应将锚固段错开布置。抗浮锚杆沿地下室底板及梁下布置，能够抵抗地下水对梁板的浮力作用，可以减少梁板的配筋，有一定的技术经济优势。
4.外墙计算模型设计及措施
地下室外墙配筋计算工作是整个地下室设计工作的重点，某些设计师进行外墙配筋计算时，凡外墙带扶臂柱的，不严格区别扶壁柱的尺寸大小，统统按照双向板计算配筋，而扶臂柱仅仅按照地下室整体结构电算分析结构进行配筋，此时又不再按照外墙双向板进行荷载传递验算扶壁柱的配筋。按照外墙与扶壁柱变形协调的基本原理，这样配置的外墙受力刚劲往往不足、扶壁柱配筋偏小、外墙的水平分布筋却比较大。解决措施：当垂直于外墙方向存在钢筋混凝土内隔墙连接的外墙板块或者外墙扶壁柱截面尺寸较大（高层结构外部框架柱之间）时，外墙板块宜按照双向板块计算配筋，其他外墙应该按照竖向单向板构件进行配筋计算更加符合实际情况。竖向荷载力不大的外墙扶壁柱的内外侧的主筋都应该给以适当加强的处理。外墙结构的分布钢筋要按照扶壁柱的截面尺寸大小，适当另行配置外侧附加水平负筋给以加强，此外，外墙转角墙处也同样应该给以加强。
计算地下室外墙时，将底部视为固定端（底板视为外墙嵌固端），侧壁的下部处弯矩与地下室底板处弯矩大小一致，此处要注意底板的抗弯性能不得小于侧部墙肢的抗弯性能，且墙厚与配筋量要相协调，满足最小配筋率的要求。这方面的问题经常出现在地下车道的结构设计中，车道侧壁是悬臂构件，要求其地下室底部的抗弯能力坚决不能小于侧壁的底部弯矩。地下室底板标高变化部位也经常发现下列问题：标高变化部位仅设置一道梁，而该梁宽有时候甚至不大于底板厚度，梁内仅仅依靠两侧的箍筋传递底板的支座处的弯矩，未能满足相关要求。地面层由于设置楼梯开洞，外墙顶部不再有楼板支撑，此时计算模型和相关构造应该与实际受荷相符合.车道如果紧邻地下室的外墙时，车道底板就位于外墙的中间部位，此处应该注意外墙承受车道底板传递来的水平集中荷载作用，设计人员经常遗漏此类荷载。
对于人防地下室侧壁，如果按上诉讨论的情况，确认其符合按竖向单向板设计的，则侧壁的水平分布钢筋看不必按人防构件受力钢筋最小配筋率控制，在工程实践中，不少设计人员都有这方面的疑问。
5.地下室防水设计及措施
由于地下室环境相对特殊，其防水设计工作相当重要，甚至控制防水的工作决定了地下室结构设计能否成功。在进行防水设计中，应该依据工程的性质、重要性和使用功能等因素综合来确定结构物的防水等级，根据防水等级得到最终的防水层数.不管结构物防水等级为几级，地下室的混凝土都应该采用自防水混凝土，以往一般按最大水头和混凝土壁厚比值来确定设计抗渗等级，但这样确定的设计抗渗等级往往偏高，不太符合工程实际的需要，而且高抗渗等级的防水混凝土水泥用量要相应增加，混凝土开裂的可能性也加大。人防地下室设计规范采用按工程的埋置深度来确定防水混凝土的抗渗等级。依据建筑防水等级要求，如果仅在建筑地下室设置一道防水混凝土，不能满足防水要求，通常应该做卷材防水。在选择防水卷材时，应该充分考虑到地下室的环境相当恶劣，无法整修的特点，尽可能选用耐久性能好的卷材。防水卷材在地下室的底侧应该能够完全闭合，尤其要重视结构节点处的设计（桩头、承台或积水坑），如果构造设计不适宜，必然会造成底部渗漏水的结果，失去做防水卷材的意义。
6.地下室裂缝及控制方法
地下室的外墙混凝土易收缩，然后受到结构自身和基坑边壁构件的约束作用，从而产生较大的拉应力，最终产生混凝土收缩裂缝，规范要求，地下室外墙的裂缝宽度应该控制在规定的范围之内，应该引起注意的是，地下室设计时其结构配筋量往往由裂缝宽度验算控制。
在工程实际中，许多设计者将地下室防水构件的计算弯矩进行人为调幅，有的将其下端简化为铰接模型，有的没有考虑荷载分项系数，多层地下室外墙结构没有按照多跨连续梁板进行配筋计算，地下室外墙与板底的连接没有妥善处理相关构造，在进行外墙计算时遗漏抗裂性验算，建筑物长度超限，且没有设置变形缝，也没有设置后浇带，后浇带的设置位置不适宜，未交待外墙施工缝和后浇带的结构详图等，室外进出口与主体结构物的连接处没有设置沉降缝等，违反相关设计规范，产生遗漏现象。
在人防地下室顶板设计时，往往容易有一中错觉，即认为人防等效静荷载已经很大，顶板配筋设计一定由战时荷载效应组合为控制条件，其实不然，如位于负一层的人防地下室顶板，若覆土厚度较大并且结构布置又采用较大的板跨时，平时正常使用状态配筋计算反而较大，这种错误设计应避免之。
7.总结语
综上所述，随着我国城市化进程的快速发展，对地下空间的开发力度日益增大，需要设置超深超大面积地下室的工程项目越来越多。受周边环境、工程地质与水文地质因素制约，目前地下室设计及施工中遇到了许多新的技术问题有待解决。众多工程实例表明，如果设计不符合要求，无论何种情况都造成巨大的经济及社会效益损失。因此进行地下室设计工作须严谨，反复比较结构选型和计算，这样才能设计处符合安全标准和经济社会效益的工程。
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论文作者:朱河明
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/13
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