吴嵚崟
上海悟道机电设备有限公司 上海 200233
摘要：如今，在高层建筑工程中，多设置若干层地下室，用于地下车库和设备用房。为保证整体结构的合理性，需切实做好地下室结构设计，充分考虑设计中的每个环节，保证设计的可行性、合理性及经济性。基于此，本文主要对高层建筑地下室结构设计进行了简要的分析，希望可以为相关工作人员提供一定的参考。
关键词：高层建筑；地下室结构；设计研究
引言
高层建筑地下空间主要用于停车站、消防水池以及设备用房建设，对于建筑综合性能的充分发挥具有十分重要的作用。因此地下室结构设计逐渐成为高层建筑设计的重要内容。对地下室结构设计的要点进行分析研究具有显著的实践意义。
1高层建筑地下室结构设计重要性
众所周知，建造一栋大楼，地下室往往是根基。且建造过程中，地下室结构所占的结构成本很大，需要注意的问题相对来说较多。因此做好地下室的结构优化设计对于整个建造过程来说相当重要。第一，在建造地下室之前，要优先考虑地下室的所有占地面积如何划分、如何应用，尽量让每一寸土地都得到最大程度的利用。第二，要把握好地下室建造过程中的开支消费程度，在满足地下室水压、顶部覆土厚度、景观设置、地下管线等的设计情况下，还要对相关工作人员进行精细分工。第三，设计多份可实施方案，通过对比选出最适宜的一份。
2地下室结构设计的难点
高层建筑的地下室结构设计涉及到了多个专业的内容，如使用功能、防火、人防、排水、抗道、采光以及通风等，因此在具体设计的过程中，必须充分考虑好各个专业之间的协调配合。同时，在具备大底盘地下室的高层建筑群体中，抗浮问题虽然不存在于使用阶段的塔楼部分，但是却普遍出现在裙房或是地下室部分。结合我国现阶段高层建筑设计施工的现状来看，对洪水期的关注力度较小，同时在地下室抗浮设计中只考虑正常使用的极限状态，很容易出现抗浮力不足导致施工过程中出现破坏的情况。此外，防水工程也是地下室结构设计的关键一环，涉及到了施工、选材多方面的影响因素，基于其复杂性和系统性，也成为地下室结构设计的难点之一。
3高层建筑地下室结构设计要点
3.1顶板设计
一般情况下，高层民用建筑地下室顶板的厚度不易小于160mm。如果是人防地下室的的顶板厚度，则应该满足人防要求的相关标准。当塔楼的嵌固为地下室顶板时，为了保障高层民用建筑的结构上部得到有效的约束，必须使约束支座地下室顶板的刚度达到规定要求，保障混凝土的强度、楼板的厚度以及楼层侧向刚度达到相应的规范要求，同时，地下室层数最好超过两层，且地下室楼层的顶楼盖上需要使用梁板结构。顶板配筋率不宜小于0.25%，由此可见，高层民用建筑地下室层数、基础埋深均受到上述因素的影响。此外，在进行地下室顶板或是楼层结构计算时，应从上往下算至符合嵌固端要求层为止，顶板不满足时应算至基础顶面，剪力墙底部加强区则需要从地面向上计算层数。
3.2基础底板设计
底板是高层民用建筑地下室的基础部分，主要承受着上部结构、内承重墙以及挡土外墙等几个方面的荷载，并将荷载传递到地基，因此需要注意的是，地基的承载力必须满足设计的要求。若是将底板当做上部结构基础，通常采用平板式筏基或是梁板式筏基的设计形式。由于底板还需发挥出一定的防水抗渗作用，因此在选择材料时必须对材料的防水性能进行严格检查。在底板设计过程中，经常遇到以下几个方面的问题：首先，因面积和刚度不足导致地基承载能力达不到标准要求，引发不均匀沉降或是侧移等问题；其次，底板厚度不足导致渗水问题。基于此，在底板设计过程中必须进行严格精确的计算，并对其布置进行优化。
3.3地下室外墙设计
3.3.1地下室外墙设计的基本原则
为了确保地下室外墙的设计质量，设计人员应在实际工作中遵循一定的原则，以免影响外墙的各项性能。首先是环境类别，地下室外墙属于干湿交替环境，根据国家相关规定可划分为二a、二b、三a、三b等环境类别。其次是混凝土材料的耐久性要求，建设地下室外墙的混凝土需要具备一定的防腐蚀性能，使用年限要在50年以上。再次是防水混凝土的抗渗等级，地下室外墙由于处于地下，其防水要求要高于地面建筑的外墙，具体要求应根据相关规定与实际情况确定。然后是混凝土的抗冻级别，进行地下室外墙设计时应考虑当地的地质水文与地域气候等条件。最后是裂缝控制等级，外墙建造在时使用了大量的混凝土，极易出现裂缝问题，为了确保外墙的牢固性，设计人员应严格控制最大裂缝宽度限值，以免影响地下室的使用安全与寿命。
3.3.2地下室外墙上的荷载分析
地下室墙体所承受荷载来自诸多方面，主要包括上部结构传来的竖向荷载、土压力、水压力、核爆动荷载、温度应力等。其中上部结构传来的竖向荷载是整体荷载的关键部分，因此进行墙身计算时应明确竖向荷载影响。水压力一般与地下水位有关，在南方多雨地区表现得更加明显，进行水压力计算时应进行全面的实地勘察。核爆动荷载是指核武器爆炸形成的地面空气冲击波压力，该种荷载具有荷载量值大、作用时间短、逐渐衰减等特点，在外墙建设中只是偶然存在。地下室外墙是混凝土结构，混凝土材料会因温度不同而导致应力变化，进而导致裂缝问题，降低了地下室的安全性能，设计人员应重点关注温度应力的影响，必要时通过安装后浇带、加强养护、构造配筋等降低温度应力的威胁。
3.4主体外局部地下室房间的处理
对于主体外局部地下室房间，即将全部落地形式的地下室结构作为主体，考虑到建筑与设备实际需要，还会在主体外部布置悬挑房间。该房间属于局部性质，或和主体基础的底板保持联结，也会在某层高处进行挑出。对于局部房间，无法和主体基础的底板一同按照现行理论实施分析计算，但和主体同时发生下沉。某高层建筑所设三层地下室，其底板以下采用灌注桩基础。为满足设备布置方面的要求，于负二层增设一处房间，将其直接放置在地基上。在进行这一房间的设计工作时，应进行以下考虑：①将这一房间视作在主体上嵌固的悬臂构件，和主体结构相联的房间，其两侧墙体视作主体上的悬臂深梁；②房间的顶板承担上部覆土重量与从地面上不断传递而来的活荷载。应注意的是，房间下部地基反力不单单是由房间自重产生。在与主体相连后，伴随上部施工不断进行，荷载不断积累，房间和主体同时产生沉降；③虽然悬臂深梁属于主要承重构件，但用于承担上、下部荷载的顶板和底板，同样为在主体上进行嵌固的悬臂构件，所以，受到面荷载持续作用后，主体和板之间的交界面将产生剪力和弯矩，在设计过程中不可忽略（如图1所示）。
图1 某高层建筑地下三层结构
3.5地下室出入口设计
地下室在设计过程中，应该保证有至少两个的防护单元出入口，而这些出入口中，将其中一个作为地下室外出入口。对于战时地下室出入口，要求其设置在室外，同时防空要求要满足相关规范，并对汽车与自行车灯的坡道进行充分的利用，即封堵坡道。出入口应该设置于坡道封堵位置的侧边，以凹进来的形式让地下室中的密闭门扇免受冲击。一般而言，钢筋混凝土结构或者钢结构的倒塌范畴数值为5m，而砌体结构的倒塌范畴应该等同于该建筑高度的0.5倍。对于室外的出入口，应该设置单层轻型的防倒塌建筑，而地下室内部的出入口则要设置棚架避免出现倒塌，此时通道顶板的荷载应该等同于防止倒塌的相关荷载要求。因此其战时主要室外出入口通道与地面出口相连接的地段，要设置于倒塌范畴之外的区域。
3.6抗浮性设计
3.6.1提升地下室重量
在解决地下室建筑浮力问题上，根据抗浮原理分析，如果能加大建筑物自身的重量，当重力超出浮力时，便能承受浮力而不会产生安全问题。所以，通过提升地下室的重量就可以在一定程度上进行抗浮，但前提是工程地基承载力能得到很好的运用，否则整个高层建筑工程将无法承受地下室重力的增加。在保证前提的情况下，提升地下室重量的主要途径是增大地下室顶板厚度。该方式的优点是能在保证基坑标高不变的情况下增大地下室的重量，在采用该方式时要确保地下室顶板厚度，顶板之间不设置梁。通过增大顶板厚度来增加地下室重量的方式，会使地下室的顶板框架受到更大的负荷，这对顶板的稳定性便带来了威胁。
3.6.2提升基坑坑底标高
基坑是在基础设计的位置上根据基底的标高和基础平面尺寸开挖的土坑，在高层建筑群地下室设计时一般都要挖基坑，深度是根据设计基础底面标高来决定的，一般是开挖到地下室底板下的垫层底标高。但为了解决地下室浮力问题，在设计允许范围之内，应尽量提升基坑坑底的标高，这样做可以降低抗浮设防水位。目前，用于高层建筑底板的主要有梁板式筏板和平板式筏板，在抗浮设计上，运用梁板式筏板形式要比运用平板式筏板形式更加有效。梁板式筏板形式本身的基础高度就要比平板式筏板高，另外在基顶标高相同的情况下，基础埋深也比平板式筏板大。基础高度高和基础埋深深意味着较强的在抗浮能力，所以，在高层建筑群基础底板选择上尽量选择梁板式筏板作为基础。
3.6.3设置抗浮桩
在抗浮桩设置前要对建筑工程施工区域的水文、地质条件等做全面的勘察，并在搜集数据的基础上做好精确的计算。这是因为在设置地下室抗浮水位时一般是根据传统的计算规律，根据工程所在区域地下水位变化情况以及近年来的水文情况而计算得出的，所以，已设置的抗浮水位和实际的水位之间有一定的误差。这种误差对于抗浮桩的设置来说，不仅会使所设置的抗浮桩无法达到降低浮力的效果，而且还可能会导致地下室不均匀沉降问题的出现。因此，在设置抗浮桩前必须要做好全面的水文、地质和地下水压力的考察工作。
结束语
在高层建筑工程中，地下室的设计涉及到很多不同方面，仍有诸多问题亟待解决。以上研究从宏观角度研究了地下室设计，得出以下结论：（1）在地下室结构中，变形缝设置需要综合考虑实际情况，严格按照联得牢固和脱得彻底的基本原则实施结构设计。（2）重视并有效加强结构刚度，同时尽可能避免刚度突变，尤其是在联结处，不能存在突变的情况，否则将对结构的整体性造成影响。（3）对于地基反力准确取值，其本质上属于桩基和地基土之间荷载合理分配的问题。按现有文献资料与相关工程经验，地基土的分配值应取建筑物总荷载的10%。
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论文作者:吴嵚崟
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/11
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