高層建筑地下室結構設計關鍵環節的討論

摘要：本文主要分析了高層建筑地下室結構設計中一些主要問題，闡述了在當前形勢下，加強對高層建筑地下室設計的重要性，針對目前在地下室設計工作中存在的結構設計問題進行研究，總結和歸納自身多年工作經驗，提出一些加強地下室結構關鍵環節設計的對策和應注意的問題。

關鍵詞：高層建筑;地下室結構設計;抗浮設計;超長結構

隨著技術、經濟等方面不斷發展，人們對空間需求的不斷增長，現代高層建筑地上高度、地下層數不斷增加，大底盤地下室在整個建設項目中所占的比重越來越大。高層建筑地下室結構設計作為整個高層建筑設計中最重要的組成部分，是一項十分復雜且重要的工作，由于地下工程材料消耗大、建造周期長、施工難度大，因此地下結構設計的好壞將會對整個項目的設計周期、施工工期以及建造費用產生巨大的影響。因此，探討、分析高層建筑地下室結構設計工作中存在的問題具有重要的作用和意義，只有建筑設計工作人員重視工作中存在的問題，最終，才能認清工作存在問題的根本原因，并積極尋找解決結構中關鍵環節設計的應對對策，從而解決工作中存在的問題，提高整個高層建筑地下室結構設計工作的水平和質量。地下室結構的設計主要技術問題有：荷載的取值、結構超長的處理、抗浮抗滲、人防設計、計算方法、基礎選型和地基承載力及變形問題等等。本文結合筆者有限的工程經驗、以地下室結構設計中的技術問題為主線，簡要歸納總結地下室結構設計中的關鍵環節。

一、地下室的常見荷載

地下室結構頂板常見荷載包括：樓面使用荷載、首層樓面施工荷載，消防車荷載、覆土自重及上部建筑自重等等;地下室結構底板常見荷載包括：水反力，車庫活載、電房設備自重、消防水池水池等等;人防設計時還應考慮核爆動荷載。其次地方規程亦有涉及荷載的要求，比如：廣東省標準《高層建筑混凝土結構技術規程》DBJ-15-92-2013第4.1.2條：首層樓面施工荷載不宜小于10kN/㎡。構件承載力驗算時，施工荷載的分項系數可取1.0。業主或施工單位對施工荷載有特別要求時，可按其要求采用。2009年版《全國民用建筑工程設計技術措施》結構篇第2.1.2中補充荷載要求，室內地下室頂板須考慮施工時堆放材料或作臨時工場的荷載，該荷載宜控制在5"kN/㎡以內，計算地下室外墻時，其室外地面荷載取值不宜低于10"kN/㎡。因此，在進行結構設計時應根據各項目具體情況，結合規范給出的荷載組合進行設計。

二、地下室結構平面設計

高層建筑地下室常常作為設備用房、停車庫等使用功能，在設計的時候不僅要考慮人防要求，還要考慮水、電、通風等專業要求。地下室做為車庫時首先必須滿足車庫的最小凈高要求，注意設備專業的管道（特別是通風的風管）對凈高的影響;其次地下車庫內應考慮框架柱平面內的凈寬要求，以滿足停車位的使用要求，考慮停車的凈寬方向盡量不要增加尺寸;車庫入口坡道應表達清楚起始位置，車道標高、變坡處以及高差位置的處理等等;采用機械停車時，應配合甲方所提供的機械停車資料進行設計;有條件時可以考慮在柱角預埋角鋼護角。當地下室作為設備用房時，應注意生活用水池要求與主體結構脫開;吸水槽、集水井、電房的電纜溝、凹槽應考慮避開承臺進行布置，排水溝有條件情況下也可以考慮避開承臺;電房應滿足最小凈高使用要求等;頂板預留空調機風井，避免后鑿。另外地下室在設計的時候還需要可慮防水抗滲的要求，因此地下室結構應盡量避免設置變形縫。

三、地下室結構外墻設計

在地下室外墻位置，既可能存在上部結構延伸下來的柱、剪力墻等豎向構件，又可能有本身地下室結構需要布置的扶壁柱，還有可能存在鋼筋混凝土內墻與外墻垂直相交，地下室外墻配筋計算的重點在于分清模擬計算模型和邊界條件的選取。筆者認為：只有高層建筑的地下室外墻帶較大尺寸扶壁柱（如高層建筑外框架柱），或有垂直于外墻的鋼筋混凝土墻與之相接，外墻考慮按雙向板計算才是恰當的，且對高層建筑外墻扶壁柱還需考慮外墻水平荷載對柱的作用，其內外側主筋也應予以適當加強。其它情況則應按單向板計算，這樣計算簡圖才符合結構的實際工作情況。常用的單向板計算簡圖為：以地下室頂（樓）板、底板為外墻支撐點，取單位寬度的外墻，視地下室層數，按單跨或多跨連續板進行計算。外墻的支承條件，按外墻與周邊構件剛度比確定。當外墻厚度大于周邊構件厚度按簡支，反之按固端考慮。當地下室外墻計算時底部為固定支座（即底板作為外墻的嵌固端），側壁底部彎矩與相鄰的底板彎矩大小一樣，底板的抗彎能力不應小于側壁，其厚度和配筋量應匹配，這方面問題在地下車道中最為典型，車道側壁為懸臂構件，底板的抗彎能力不應小于側壁底部。地下室底板標高變化處也經常發現類似問題：標高變化處僅設一梁，梁寬甚至小于底板厚度，梁內僅靠兩側箍筋傳遞板的支座彎矩難以滿足要求。地面層開洞位置（如樓梯間）外墻頂部無樓板支撐，計算模型和配筋構造均應與實際相符。

四、地下室結構底板與基礎設計

現代高層建筑多為大底盤多塔樓式建筑群，由于上部結構荷載差異巨大，導致基底反力相差很大，因此，對基礎而言，應根據不同的上部結構型式、荷載大小、地基的承載力及剛度等采用不同的基礎型式。目前高層建筑中比較常用的基礎型式有：筏板基礎、箱型基礎、樁筏樁箱基礎、以及普通的獨立承臺樁基礎等等。地下室底板設計除了與地下室結構外墻設計相同外，還應考慮承載能力、抗滲、防水能力，如果結構基礎采用的是樁箱或樁筏，還要對底板抗沖切、抗彎以及局部受壓承載能力等進行充分考慮，看其是否滿足設計的目的。廣東地區高層建筑結構通常采用獨立承臺樁基+防水地下室底板的基礎形式，樁的形式有多種，機械成孔灌注樁、PHC樁及人工挖孔灌注樁均有采用。進行基礎設計時應注意以下幾點：

1、采用估算的承載力特征值進行設計，最終應采用試驗樁確定單樁豎向抗壓承載力特征值。

2、擠土效應很大的場地，采用錘擊樁或靜壓樁應采取減少擠土效應的措施，群樁承載力須考慮承載力的折減。

3、帶裙房的高層建筑中，應考慮主體與裙房之間的沉降影響。

4、地質情況有難以穿越的砂層，必要時應采用引孔送樁法。

5、承臺作用地下室底板的水反力作用下的柱帽，應考慮承臺與地下室防水底板的共同作用。

五、地下室抗浮措施

廣東地區的地下水位相對于北方城市較高，雨水量豐富，因此，還要提高對其地下室抗浮設計工作的重視度。在進行地下室抗浮設計的時候，要根據當地地下水位及其變幅相進行相結合。通常我們在進行現階段的地下室抗浮設計時，大部分都僅是考慮正常使用時的極限狀態，而忽略了在進行施工的過程或是洪水期等特殊時期的抗浮要求，因此，在實際的建設過程中，常常會出現因為抗浮能力不足而引起的局部破壞的現象。同時，在進行地下室的實際建設過程中，還存在著多棟高低不同的建筑使用同一個地下室的狀況，而這種類型的地下室通常都有面積過大、形狀不規則、建筑物分布不均勻等特點，因此，這種類型的地下室抗浮設計難度相對較大，設計人員要結合實際的情況進行分類處理。針對此種情況，應采取以下措施：

（1）在滿足使用功能要求凈高的前提下，盡可能提高地下室底板的設計標高，降低抗浮設防水位。

（2）采用非傳統的樓蓋形式，提倡使用寬扁梁、預應力、無梁樓蓋或空心樓蓋。較之傳統的主次梁樓蓋形式，可以有效的減少結構自重及降低主梁的截面高度，從而降低地下室的層高和抗浮設防水位。

（3）設置抗拔樁、抗拔錨桿。應從結構整體抗浮作用，將抗拔樁、抗拔錨桿集中布置于豎向構件處，與基礎承臺聯合考慮，同時應驗算地下室底板的水反力作用下的受力及配筋。由于地下水位常年處于非地下室抗浮水位，抗拔樁實際上長期起著處于受壓的作用，抗拔樁應具有一定的安全儲備，同時驗算正常作用情況下的樁身豎向承載力作用。

（4）增加地下室結構板厚或地下室頂板覆土層厚度，采用增加結構自重的方法來抵抗水浮力，是解決地下室抗浮問題的一個最直接有效的方法，但此方法一方面會導致基礎和結構成本增加，另一方面解決抗浮問題的效果也是有限的，需要進行成本綜合比較方可采用。

六、超長結構處理方法

地下室結構除了應滿足承載能力的使用要求外，還應該保證能夠進行正常的使用。當大底盤地下室整體超長時，應采取適當措施，防止樓板澆筑后的混凝土自身收縮及使用期間熱脹冷縮引起的結構收縮裂縫，加強結構的抗滲抗開裂性能。超長結構處理方法通常采用以下幾種方法：

1、采用補償收縮混凝土（即混凝土中滲入UEA、HEA等微膨脹劑）。超長地下室，由于混凝土量較多，體型較大，混凝土澆筑完成后，混凝土的表面容易產生因混凝土凝固過程中收縮裂縫，針對此種問題，我們通常會使用摻加微膨脹劑的混凝土的方式，來抵消混凝土的收縮值，用以控制裂縫的產生。

2、設置后澆帶。地下結構采用變形縫諸多弊端，無法處理防水問題，設置后澆帶與傳統的變形縫相比，有助于混凝土釋放早期澆筑后的約束力，同時避免防水問題。

3、設置膨脹加強帶。在進行混凝土的澆筑過程中，設置膨脹帶可以與混凝土中的膨脹劑一起對裂縫進行補償收縮，還能夠讓混凝土進行連續澆筑，從而實現無縫施工的目的。

4、提高鋼筋混凝土結構構件的抗拉能力。在進行地下室結構設計時，可以結合混凝土結構構件的實際情況進行適當的添加抗變形鋼筋。例如，可以在地下室外墻上進行水平向溫度鋼筋的設置，在側墻中部進行水平暗梁的設置，用以抵抗墻體各位之間混凝土膨脹收縮的差異性。

5、采用抗滲混凝土?？節B混凝土應根據水頭的高度來采用，混凝土等級不應低于C25。

6、采用低強底等級混凝土，粉煤灰混凝土等等。

七、地下結構的構造要求

地下結構構造要求在不同的結構均有涉及，其中主要的規范規定如下：《地下工程防水技術規范》GB50108-2008規定：處于地下工程防水混凝土底板的混凝土墊層，其保護層能低于C15，而厚度則不能低于100mm，軟土層中的厚度不能低于150mm;相應的防水混凝土結構的厚度不能低于250mm，迎水面鋼筋保護層厚度不應小于50mm;《建筑抗震設計規范》GB50011-2010與《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010規定：作為上部結構嵌固部位的地下室樓蓋的混凝土強度等級不宜低于C30，且應采用梁板結構、樓板厚度不宜小于180mm，應采用雙層雙向配筋，且每層每個方向的配筋率不宜小于0.25%，普通地下室頂板厚度不宜小于160mm。

結束語

綜上所述，在高層建筑地下室結構設計中，結構設計人員需要考慮的因素較多，應不斷的進行學習總結，掌握地下室結構設計的要點，配合不同的專業要求，提高設計的水平，才能真正做到技術與經濟同步、安全與適用協調，筆者希望更多的專業人士能投入到該課題研究中，針對文中存在的不足，提出指正建議，為提高我國高層建筑地下室結構設計工作做出重要的貢獻。

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