对地下室结构设计影响因素的探讨
摘要:随着建筑层数的日益增高,地下结构也日趋复杂化,地下工程的基坑支护、结构设计、施工及防水等问题逐渐成为建筑工程界关注的热点。由于地下工程的施工环境特殊、隐蔽性大、涉及的工种多、施工复杂,也较容易出现质量问题,因而设计时应综合考虑多方面因素，结合工程的具体情况进行一些特殊的处理。本文探讨了地下室结构设计常遇到的一些问题及其解决措施。
关键词:地下室，平面设计，构件设计，抗震设计，构造措施，工程造价
引言
随着城市土地资源的日益紧缺,建筑及城市交通逐步向地下发展,而高层建筑更由于其建筑功能和结构本身的要求,大多需要设置单层或多层地下室。地下工程在整个建设项目中所占的比重也越来越大。由于地下工程材料消耗大、建造周期长、施工难度大，因此地下室结构设计的合理性将会对整个项目的设计周期、施工工期以及工程造价等产生巨大的影响。另外，由于场地地基土层工程力学性质的多样性，地下室结构的设计也比较复杂，主要涉及到的技术问题有：基础型式的选取和计算、地基承载力及变形计算、抗浮计算、不均匀沉降的解决措施、结构超长所产生的裂缝问题以及特殊地下室如人防地下室的结构设计等等问题。这些技术问题的解决方式对工程的造价问题有很大的影响，先进合理的技术能最大程度的降低工程的造价，使建设项目取得良好的经济效益，而经济因素也在一定程度上制约着一些先进技术的运用和发展。因此，如何协调好技术与经济在建设工程中的相互关系，是每个设计人员应该认真考虑的。本文以地下室结构设计中主要须解决的技术问题为主线，结合具体的工程实例，简要分析地下室结构设计中的技术、经济问题及其相互关系。
1地下室结构设计中的主要技术问题
1.1地下室平面设计
地下室工程涉及的专业极为复杂,在高层建筑的地下室结构设计时,需综合考虑防火、使用功能、人防要求、设备用房及管道、坑道、排水、通风、采光等各专业的配合。地下室的平面尺寸，层高及柱跨也要结合各专业的具体要求确定，以达到经济合理的设计效果。例如地下室的平面尺寸超长时,须由结构专业确定是否设置变形缝或采用其他的构造措施以解决温度裂缝问题。因为变形缝的设置会增加地下室防水处理的难度,所以通常应尽可能少设或不设变形缝,而采用加强施工养护，设置后浇带或膨胀加强带及加强构造配筋等措施，以减少温度裂缝的产生，同时也达到较好的防水效果。若地下室过长,依靠以上措施仍难以解决,则设计人员应合理地调整平面,将地下室分割成几个较小尺寸的地下室,中间仅用较窄的通道相连,以满足使用及管道相连的要求,并将变形缝设置在通道处,这样可以使接缝较少且处于受力较小处,便于补救。另外，在满足各专业使用要求的前提下，应尽量减少地下室层高及采取经济柱跨，以降低工程造价。地下室平面设计时也应合理地设置采光通风井,特别是高层建筑，若采光通风井位置设计不当,例如在侧壁外作附加通长采光井,会造成该向地下室侧限缺失,不能有效地将上部的水平力作用传至侧壁及周边土层,达不到底层嵌固的计算假定，而须深挖以满足高层建筑的埋深要求，从而增加工程造价。因此，合理的平面布置是结构经济合理的前提。
1.2地下室构件设计
地下室的构件设计主要包括外墙，顶板,底板等部位的设计。各个部位的构件应根据其受力工况进行强度及裂缝验算。地下室底板及外墙主要考虑水、土压力及人防荷载的作用，而地下室顶板主要考虑覆土、施工荷载、消防车荷载及人防荷载的作用。设计时应注意以下问题:
(1)荷载。在地下室所受的荷载中,地下水压力是比较重要的一项,只有合理的确定设防水位,才能确保地下室的结构安全,同时也避免增加不必要的工程造价。设防水位可根据地勘报告并结合场地地势确定。地下室外墙所承受的土压力应为静止土压力，静止土压力系数可由试验确定，当不具备试验条件时,砂土可取0.34～0.45,黏性土可取0.5～0.7。另外，地面超载对外墙的作用也不能忽视。在人防地下室设计中，各部位人防构件等效静荷载的取值可根据现行人防设计规范确定，对于人防地下室底板，人防荷载的取值还与基础形式和基底土层的性质有直接的关系。在考虑了人防荷载的荷载组合计算中，材料的强度应考虑材料强度综合调整系数。
(2)计算模型。地下室顶板一般可采用井字梁板结构，板格根据平面尺寸及支承形式，按不同荷载组合工况进行强度及裂缝的分析计算。地下室底板可采用梁板结构或无梁楼盖结构，按倒楼盖模型进行受力分析。无梁楼盖结构可采用板带法或等代框架法。外墙一般承受水平荷载、竖向荷载及顶部节点荷载。水平荷载包括地面超载、侧向水、土压力和人防等效静荷载等；竖向荷载包括上部及地下室顶板结构传递来的荷载等；节点荷载主要是由于风荷载或地震作用产生的水平剪力和弯矩。竖向荷载和节点荷载一般可由顶板结构及外墙平面内刚度承受，其内力一般对外墙墙体的配筋不起控制作用，墙体配筋主要由垂直墙面的水平荷载产生的弯矩确定。因此，外墙一般采用上部铰接，下部固接，承受梯形水平荷载的竖向单向板的计算模型，水平钢筋仅为构造配筋。而对于垂直于外墙方向有钢筋混凝土内隔墙相连的外墙板块，则应按双向板计算配筋，否则水平钢筋会偏小。地下室外墙计算时,假定了底部为固定支座(即底板作为外墙的嵌固端),因此底板的抗弯能力应不小于侧壁的抗弯能力,其厚度及配筋量应相匹配，以满足该计算假定。这种情况在地下车道中最为典型,车道侧壁为悬臂构件,底板的抗弯能力应不小于侧壁底部的抗弯能力。
(3)构造要求。作为上部结构嵌固端的地下室顶板，其砼强度等级不宜小于C30，并应采用双层双向配筋，且每层每向的配筋率不宜小于0.25%。所有构件迎水面钢筋保护层厚度不应小于50mm，且裂缝宽度不应大于0.2mm。人防构件的构造要求还须满足人防规范的相关规定。
1.3地下室抗浮设计
地下室的抗浮设计也是一个必须加以重视的问题。抗浮设计包含两个阶段：地下室施工阶段及正常使用阶段。施工阶段的抗浮设计往往被设计人员忽视。因此也常常出现施工过程由于地下水位的突然上升而引起地下室整体或局部上涌，而导致结构破坏的工程事故。地勘报告提供的抗浮设计水位或常年水位及其变幅是地下室抗浮设计的重要依据。对于上部有多层或高层塔楼的地下室，正常使用阶段由于上部楼层的压重作用，一般情况下抗浮问题均能满足，因此仅需要解决施工阶段的水浮力作用。具体设计时可根据水浮力大小确定能满足压重要求的楼层数，并要求施工过程进行降水处理，待上部楼层施工到需要的层数后再停止降水。这样就不必要单独为施工阶段设置抗浮措施（如设抗拔桩，抗拔锚杆等）而增加工程造价。对于上部无塔楼的纯地下室，则须根据正常使用阶段和施工阶段中的最不利情况进行抗浮计算，设置抵抗浮力的抗拔桩或抗拔锚杆等，以满足地下室整体抗浮及局部抗浮的要求。地下室埋深越深，其所受的浮力也越大，因此，在满足各专业要求的前提下，应尽量减小地下室层高和埋深，才能较好的减少此方面的工程造价。
1.4地下室防水设计
地下室防水设计是一项十分重要的工作,其决定地下室的正常使用效果。在防水设计时,应根据工程的性质、使用要求和重要性等合理确定防水等级,根据防水等级确定防水层数。无论防水等级为几级,地下室混凝土都应采用结构自防水混凝土,防水混凝土的抗渗等级应根据水头高度与混凝土壁的厚度比确定,不得人为地自行降低。根据防水等级的要求,建筑的地下室仅设一道防水混凝土是不能满足要求的,一般应做卷材防水。在选用防水卷材时,应考虑到地下室环境恶劣、无法更换的特点,尽量选用耐久性好的卷材。防水卷材在地下室外侧的各个部位均应闭合,尤其应重视节点设计如桩头、承台和积水坑等处,若构造设计或施工不当,势必会形成漏底之舟,失去卷材防水的意义。另外,为了防止少量渗水,便于地下室车道处积水的排放,地下室应设排水明沟和集水坑。
1.5地下室抗震设计
一般工程进行整体计算时，多假定以地下室顶板为上部结构的嵌固端，因此地下室的设计应尽量满足此计算假定的要求，否则计算模型将是错误的，计算结果也是不可靠的。要作为上部结构的嵌固端，地下室周边应有足够的侧限，且相对于上部结构应有足够的刚度，一般楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的2倍，同时应满足规范要求的构造措施，如地下室顶板应采用现浇梁板结构，应避免开设大洞口，顶板厚不宜小于180mm等等。若地下室顶板无法满足以上条件，则不应作为上部结构的嵌固部位，结构整体计算应向下计算至满足嵌固端要求的地下室楼层或底板。当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，塔楼投影范围内的地下一层抗震等级应与上部结构相同，塔楼投影范围外的地下室部分和地下一层以下的抗震等级可根据具体情况采用三级或更低等级。
1.6地下室的构造措施
根据GB50108—2001《地下工程防水技术规范》规定,防水结构构件厚度应不小于250mm；裂缝宽度应不大于0.2mm，并不得贯通；迎水面钢筋保护层厚度应不小于50mm。对于防水混凝土结构底板的混凝土垫层,其强度等级应不小于C15,厚度不小于100mm,在软弱土层中应不小于150mm。工程实践表明,若结构厚度或迎水面钢筋保护层厚度小于规范限值,经常会出现渗漏水及钢筋腐蚀的现象,因此,修订以后的规范对该限值作了相应的提高,在实际施工时应引起注意。对于超长地下室，除施工过程应注意做好混凝土的养护外，设计可在受力较小的部位设置间距约为30m的后浇带或添加防水抗裂剂形成膨胀加强带等构造措施，以减少温度裂缝的产生。对于上部结构各部分高度相差较大，而地下室为一整体的多塔楼结构，可根据具体情况采取加强地下室整体刚度，不同高度结构之间设置沉降后浇带，各部分采取不同的基础形式或基础持力层等方式以减少不均匀沉降的影响。
2工程实例
某工程上部结构由5栋塔楼组成，其中3栋为28层的高层建筑，2栋为11层的小高层建筑，均落在一个单层6级人防地下室上。地下室平面尺寸约为50mX200m，大大超过了规范设缝的要求。考虑到地下室顶板有较厚的覆土，以及设缝过多对地下室防水效果和使用功能的不利影响，地下室部分仅设置一道缝，将其分成两个长约100m的相对独立的地下室，中间用通道连接。为满足施工操作要求，缝宽约为1.2m,待地下室外墙防水施工完毕后再用级配砂石分层回填密实，以确保地下室的侧限要求。另外，地下室顶板，底板，墙体均设置间距约为30m的后浇带，且在直接与水土接触的部位的砼中按一定配比添加防水抗裂剂。再考虑到各塔楼和单层地下室之间高度相差较大，为避免不均匀沉降的出现，塔楼部分采用钻孔灌注桩基础，而单层地下室则采用整体性较好的筏板基础，落在浅层中砂层上，同时，在不同基础形式的各部分之间设置沉降后浇带，并要求在主体封顶，沉降基本稳定以后再进行封闭。目前，本工程主体结构已经完工，地下室部分未出现有较明显的温度和沉降裂缝，整体效果较为理想。
3结语
地下室的结构设计是一个综合性很强的问题，涉及内容繁多且复杂，有些问题至今尚未得到很好的解决，如：地基与基础的相互作用问题、上部结构刚度对地基基础的影响等等。现代高层建筑由于地下工程庞大，建设工程在地下的投资已经接近甚至超过了地上，因此无论是从技术还是从经济的角度讲都需要我们更深入地研究地下室结构设计的技术问题，提高设计水平，真正做到技术与经济同步、安全与适用协调。