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【摘 要】随着时代的发展，城市化的进程不断加快，与此同时，城市也面临着用地紧张的问题，由此，地下空间的合理利用成为现代建筑建设工程高度重视的问题。近年来，地下室成为地下空间利用的重要形式，其结构的合理设计直接决定着整体建筑的工程质量与成本，在建筑工程中占据着十分重要的地位。鉴于此，本文从我国建筑工程地下室结构设计的现状出发，对地下室平面结构、外墙结构、顶板结构、抗震性能、抗浮性能以及人防设计六个方面对地下室的结构设计进行了分析，并以某综合楼地下室结构设计为案例，针对设计过程中涉及到的相关问题，提出了相应的解决方法。
【关键词】建筑工程；地下室；结构设计；分析
1 前言
近年来，随着城市人口的不断增多，城市空间利用问题成为现代建筑工程设计中的重点问题之一，地下室的建设大大提高了城市建筑的利用率，缓解了城市土地资源短缺以及交通拥挤的现状，为人们的生活带来了很大的便利。建筑工程地下室结构的设计是建筑工程设计中的重要组成部分，其结构设计的合理性直接关系到整个建筑的稳定性能与质量，这就要求地下室结构设计科学合理，一旦出现问题，将严重影响着真个建筑地基结构的稳定。基于此，本文通过分析建筑工程地下室结构设计现状，探讨了地下室结构设计的重要内容，并以某综合地下室结构设计为案例，针对设计中的相关问题，提出了相应的解决方法，为相关行业从事者提供一些参考。
2 建筑工程地下室结构设计现状
当前，面对城市地下空间的大量开发与利用，地下室结构设计的安全性逐渐受到了人们的高度重视。在民用建筑设计中，由于人们的使用需求，常常在主楼下设置地下室，甚至在某些楼盘中将地下室与裙房相连，从而形成一个大底盘结构，平日里当作地下车库或设备放置区域，而在某些特殊时期，例如作战时，可以用作人防地下室。基于此，我们可以看出，地下室建设过程所涉及到的专业领域非常广泛，专业知识交叉复杂，由此对设计人员的素质要求非常严格。但就现有地下室结构设计师的专业素质来讲，并不是所有的设计师都能够满足专业结构的素质要求，并存在着两种现象：一是对大多具有设计经验的设计人员来说，往往这些人才并没有经过系统的培训与学习，对于现代行业的发展形式缺乏一定的了解，不能跟上时代的进步；而对于新时期的结构设计人员来说，很多都是刚刚毕业的大学生，在学校经过系统的学习，但也具有设计经验匮乏的问题。理论需要实践的检验，但实践也离不开理论的指导，因此，在地下室结构设计过程中，为满足各种地下室功能与特点，符合建设单位要求，需科学合理设计各种功能，以期达到最好的结构设计。
3 建筑工程地下室结构设计分析
就现有的地下室结构设计内容来说，包括地下室平面结构设计、外墙结构设计、顶板结构设计、抗震性能设计、抗浮性能设计以及人防地下室结构设计等六个方面，具体分析如下。
3.1 地下室平面结构设计
地下室平面结构设计是建筑工程地下室设计中的关键组成部分，但从其影响性质上说，由于其对整个建筑的影响较小，因而只需对地下室的承重能力与空间布置进行科学合理规划即可。建筑地下室的平面结构设计需要根据整个建筑户型与使用功能进行设计，例如，在居民住宅中，建设地下室的主要目的是为了满足更多业主的使用，因而在设计过程中需尽量合理压缩每个空间，物尽其用；相对应的，对于酒店地下室设计来说，大多使用目的是建设停车场或辅助用途，因而在满足承重能力的基础上，尽量确保停车空间的宽敞。与此同时，地下室在结构设计过程中需要综合考虑多种问题，例如排水、防火、通风、人防以及各种用电线路与管道的放置，因此在设计过程中需做好以下工作：首先，为保证地下室建设过程额不设缝原则，在设计时可采用设置后浇带、使用混凝土外加剂或地上设缝、地下不设缝等方式来实现；其次，为实现各种管道的连接，在设计地下室分割的时候，可以用较窄的通道将其贯通连接；再者，对于变形缝的设置，一般将其放置在通道处，从而减少地下室的整体受力；此外，在地下室结构设计时也需要考虑整个地下室的通风采光，以及确保采光井的设计不会对整体结构产生不良影响。
3.2 地下室外墙结构设计
地下室外墙结构设计是整体设计的重点，一般在设计过程中需考虑以下几点：一是地下室外墙的承受荷载。荷载分为水平荷载与竖向荷载两种，其中，竖向荷载主要是地下室上层建筑带来的压力，而水平方向则是建筑物周围土层产生的压力，因而在墙体配筋过程中，需要根据垂直墙面的水平荷载来确定，即需要计算水平荷载产生的弯矩。另外，如果在大风天气里，建筑物地下室也会产生一定的压力，这就需要建筑设计工作者根据不同条件下的地下室环境设计不同的承受压力，进而保障地下室外墙能够承受足够的荷载。二是静止土压力系数，理论上说，这个系数需要经过相关试验检验才能确定，但某些情况下，由于无条件进行试验，则可以采用0.34-0.45的砂土，0.5-0.7的粘性土。值得注意的是，在设计带扶壁柱的外墙时，一般设计师都是按照双向板来设计配筋，而忽视了扶壁柱的尺寸问题，基于此，在计算地下结构中的扶壁柱时，应按照整体电算分析的结构进行计算。
3.3 地下室顶板结构设计
地下室的顶板位于连接地下室与上层建筑的贴合位置，其质量的好坏直接影响着建筑物的整体性能，因此，需要给予高度的重视。尤其是在某些地下室中，其顶部是园林景观，这就使得设计工作人员在设计过程中需根据园林实际情况来计算覆土的厚度。一般地下室顶板结构覆土厚度要大于设备管线与土层的保护高度，进而真正起到保护设备管线的目的。除此之外，地下室顶板机构的承载力也十分重要，需要充分考虑建筑物的高度、使用功能以及所处于的环境，并通过承载力的验算来合理设计。而在某些具有特定功能的建筑物种，防爆性也是考虑的性质之一，地下室的爆动荷载要能够达到消防车作用板面的爆动荷载，一旦地下室遇到爆炸事件，可以起到稳定建筑物的功能。总之，在地下室顶板结构设计中，充分考虑各种因素，以避免因涉及漏洞而产生的不良后果。
3.4 地下室抗震性能设计
近年来，随着地震事件的频发，在现代建筑设计中，抗震性能成为不可忽视的内容之一，尤其是在一些地震多发区域。地下室是一个建筑物的基础部位，如果忽视抗震性能设计或是考虑不周全，这就会使整体建筑物存在着很大的安全隐患，威胁着居民的生命与财产安全。基于此，在对地下室抗震性能设计时，一定要进行全面、详细的审查，在确保地下室深度与建筑物高度的同时，尽可能增加地下室的埋藏深度，从而达到提高抗震性能的目的，大多数情况下，半地下室的深埋度应高于地下室的外地面高度。此外，地下室的抗震性能与地下室的墙壁结构设计密切相关，因而在设计过程中，应全面科学地对墙壁进行加固，以达到预期目的。由于地下室的顶板与上层建筑牢固贴合，因此地下室的抗震等级要与上层建筑的抗震等级同步，比如说，建筑整体抗震等级为二级，那么地下室的抗震等级也要达到二级，从而提高地下室的抗震性能，防止因地下室抗震等级不够而导致建筑物发生坍塌事件。
3.5 地下室抗浮性能设计
对于一栋大型的建筑物来说，结构设计师在设计过程中需要综合考虑各种问题，其中，地下水浮力对建筑物的影响是非常缓慢的，一般不会造成太大的影响。大多数情况下，地下水浮力主要使建筑物的梁柱产生裂缝，并且发生在施工过程中。然而，一旦产生地下水浮力问题，其造成的后果很难修复，即使损坏的结构进行后期修补，但无法达到与原来同等级的设计要求，甚至有些情况下，对建筑物的抗震性能与耐久性也会造成一定的影响。鉴于此，为提高地下室额抗浮性能，在设计过程中，可以采取如下措施：一是，在满足相关建设标准的同时，适当增加筑物基坑底部的设计高度，进而在一定程度上达到抗浮效果；二是采用无量楼盖与宽扁梁，在降低地下室高度的同时，降低抗浮的水位，从而提高建筑物的抗浮能力；而相对简单一点的做法还有，增加地下室部分的重量，例如运用基板加载方式；从哇哦，采用抗拔桩，这种方式在抗浮能力设计中也非常普遍，应用效果很好。
3.6 人防地下室结构设计
在地下室的设计中，人防问题也是考虑的重点内容之一。所谓人民防控结构的主要任务的会为了防范与减轻空袭危害，进而起到保护人民群众的目的。一般来说，人防地下室结构主要有主体结构与孔口防护设计两部分，其中，主体结构与普通地下室结构相同，而孔口防护设计则又包含入口消防与消波系统。因此，在设计过程中，要遵循以下原则：一是平战结合，即在民用建筑中的人防地下室只需达到5级或6级设计标准即可，而其他结构设计则需根据实际情况确定；二是只对强度进行验算，这主要是因为在核爆动荷载的作用下，由于结构的构件变形极限已用允许延性比的控制，且考虑了限制变形的因素，所以在设计中无需再对结构构件进行变形与裂缝验算；只三是只需考虑一次核袭击情况；四是充分考虑各个部件之间的协调配合，避免设计控制标准的不统一使得结构被破坏，最终失去防护能力。
4 案例分析
4.1 工程概况
项目1是一个综合办公楼，主楼有17层，高68.7m，有4层裙房，其中主楼结构为框架-剪力墙，裙房为框架结构，在主体设计中采用桩基承台基础形式，埋深在5.8m。地下室的总面积6910m2，包括人防面积3908m2，一般情况下，地下室主要用作地下停车场，而当发生战争时，则作为人员的掩蔽部。目前，在设计方案中，人防地下室工分为两个单元，分别为甲类核6级与常6级，其构造图如下：
项目2是一个住宅楼，主楼高，80m，共24层，有3层裙房，主体结构为框架-剪力墙，裙房为框架结构，基础形式与项目1相同，且埋深为5.2m。地下室的面积为7000m2，并含有3320m2的人防面积，其功能与项目1同，结构构造图如图2所示。
4.2 地下室结构设计
如图1所示，项目1的主要功能是一栋综合办公楼，在结构中设有两处车道，其中一处处于人防结构中，而在每个防护单元出又设有一处主要与次要入口，其中，人防结构位于裙房与室外的地面下。项目2的功能为高层住宅，因此在设计中主要设有1处出入口，人防地下室的
位置也位于裙房与室外的地面下。通过结构对比，我们可以看出，由于项目1的设备房间位于地下室的北侧，因此需要对人防结构与高层建筑的竖向受力构件进行单独设计，此外，为了减少建筑构件的部分倒塌，在于室外通道相连的部位设置多数量的竖井。在项目2中，人防结构的部件与高层的竖向受力构件结合比较合理，与外界的通道也位于高层的范围内，因此需要结合室外的建筑结构与功能加以设计，从而充分利用建筑物的地下空间。在人防地下室结构设计中，为了抗击爆炸荷载，需对结构构件的变形采用延性比控制，并考虑结构的变形限制与防护密闭的要求，也就是所谓的弹性设计。
以项目1为例，在地下室设计过程中，需要确定各种参数。首先，在等效静荷载标准值计算中，由于首层外墙为240mm，并用非承重的空心砖作为填充墙，因此，在墙面上的开孔面积要大于50%，并利用顶板的埋深与顶板区格的短边来计算等效静荷载标准值。在侧墙计算中，由于上层建筑物的主体结构为框架—剪力墙结构，因此需要考虑上层建筑对地面空气的冲击波超压值的影响，此外，人防地下室侧壁范围内有非饱和土分布，因此需采用等效静荷载标准值为30KN/m2。其次，人防地下室结构上的荷载包括核爆动荷载、上部建筑物自动以及地下室自重等，因此，根据规范中对防控地下室不同部位荷载的要求，对本项目各个部位的荷载进行计算，其中，顶板可采用爆动荷载标准值，顶板静荷载标准值；对于侧墙来说，竖向荷载采用顶板传来的爆动荷载标准值，静荷载标准值，以及上部建筑物的自重标准值与外墙的自重标准值；横向荷载和用核爆动荷载产生的水平动荷载标准值、水压力与土压力。除此之外，为兼顾孔口防护与平战，在设计过程中要尽量缩小结构跨度，减少各种孔口，并根据《人防规范》要求，综合建筑物本身情况综合研究确定。总之，人防地下室结构设计非常复杂，作为一种具有特殊功能要求的建筑物，较普通地下室需承载几十倍甚至几百倍的荷载。
4.3 地下室结构施工过程中存在的问题及解决方法
4.3.1 地下室的结构过长
在很多情况下，地下室的结构设计有可能遇到超长情况，如案例所示，项目结构长度达50m，由于这种情况下提升地下室的质量是非常有难度的，加上项目具有人防地下室的要求，即要求密闭结构，而且对于防护区域要求不能陈设沉降缝，因而在设计过程中需考虑如下问题：首先，对于结构超长的地下室来说，由于容易受到地下环境的压缩力，并产生裂缝，因此可以采用增设后浇带的方式，一般普通地下室的后浇带宽度在80cm～100cm，而对于超长结构的地下室来说，要适当改变后浇带的宽度，并依据实际操作空间确定。此外，位于高层、裙房与地下室结构相连部位的后浇带浇筑过程来说，为了使其与地下结构融为一体，同城在高层沉降稳定后再进行，并尽量远离具有防护密闭要求的地方。再者，为减小混凝土在硬化过程中的收缩应力，一般在混凝土中添加膨胀剂。此外，对于底板较厚的地下室来说，对混凝土实行分层浇筑，采用阶梯式的推进方式，一般在混凝土初凝前再进行上一层的结构浇筑。最后，通过减少墙体的水平分布钢筋间距，能够有效地控制混凝土产生结构裂缝。
4.3.2 地下室的不均匀沉降
在地下室设计过程中，其不均匀沉降也是有可能发生的问题，因此，为防止此类问题的产生，在设计过程中，需采取如下措施：一是在低层裙房中，运用独立的建筑基础或是在地层当中添加交叉的基梁。相对应的，在高层建筑当中，可以以整体的筏基当作地下室的基础。二是选用不同的地基，低层裙房可以使用天然地基即可，而对于高层建筑来说，为了完成控制地基沉降的目的，需要对地基进行处理工作。要想调节高层建筑与低层建筑之间的沉降差，可以对二者之间的桩基进行调节。如果主楼发生沉降之后，在与主楼边柱相距第一跨或第二跨的距离内，使用大底盘变厚度筏基浇带设，进而最大化的扩散主楼的荷载，减少对地基与地下室的压力。而若主楼的地基具有很好的承受力，可以将加厚的位置放于主楼相邻的第一跨的1/3跨间处。
5 结束语
综上所述，地下室结构作为建筑工程中的重要一部分，在整个建筑工程造价中的比例越来越大，因此，为保证整体建筑的稳定性与质量，在设计过程中需充分考虑各种影响因素，基于地下室的使用功能进行合理的设计。一般来说，地下室结构设计是一个复杂系统的过程，设计到多专业知识与技能，因此结构工程师不仅仅对结构进行准确的计算，而忽视了整体建筑的实际情况，而要以此为基点，从平面结构、外墙结构、顶板结构、抗震性能、抗浮性能以及人防地下室结构要求等多个方面进行考虑，确保设计技术与经济效益的同步，建筑安全与地下室使用的协调性。
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论文作者:刘国熙
论文发表刊物:《低碳地产》2016年6月第11期
论文发表时间:2016/11/16
标签：地下室论文; 结构论文; 荷载论文; 结构设计论文; 人防论文; 顶板论文; 建筑物论文; 《低碳地产》2016年6月第11期论文;