2018地下室结构设计在高层建筑中的应用
摘要：本文从高层建筑地下室的必要性出发，以地下室设计在高层建筑应用中的技术问题为基础，提出了针对地下室抗浮设计、地下室外墙模型、裂缝控制及不均匀沉降等常见问题的处理方法，供同行以参考。http://
Abstract: This article introduces the necessity of high-rise building, based on technical problems of the basement in high-rise building design and application, proposes anti-uplift design, basement wall model, crack control and the uneven settlement and some other common problems and the processing methods, for the reference to my colleagues.
关键词：高层建筑；地下室；结构设计
Key Words: high-rise building, basement, structure design
中图分类号：TU355 文献标识码：A 文章编号：
0 前言
随着社会的发展,高层建筑形式越来越多地被应用到现代城市建设中来，继而出现了大量的地下室。将供应设备用房、地下消防水池和汽车停车场等功能场所设在高层建筑的地下室,在充分发挥了地下室使用功能的同时,又能满足高层建筑基础埋深较高的要求。因此，在高层建筑的整体设计中,地下室结构设计虽然不是最突出的，但其重要程度不容忽视。对此，本文从地下室在高层建筑中的地位着手，论述地下室结构设计中会经常遇到的一些问题,希望与同行共同探讨，不足之处请多指正。
1 高层建筑地下室的必要性
1、建设程序的要求
我国有政策规定，高层建筑如果不建地下室，规划部门是不能批准该建设方案的，这就决定着高层建筑在设计的时候，必须配备地下室部分。同时，建设规划部门也对地下室的建设有着一定的优惠政策，如土地税不用交，甚至地下室的建筑面积也不计入容积率。
2、使用功能的要求
高层建筑需要各种配套的设施，如人防、车库、发电机房、配电房、水泵房等各种设备的机房，地下室能够满足高层建筑这方面功能的要求。其中，当前社会私家轿车数量增长如此迅速，地下车库的设置显得尤为重要。在一定档次的商品楼宇中，如没有配套车库，销售起来就会比较困难。而交通部门对此也有“住宅每2～8户配一个车位，商场每100m2配三辆小车车位”的明确规定。因此，高层建筑就目前来说，必然要配套相应面积的停车位，而这一般都靠地下室来提供。
3、结构设计的要求
依据现行结构规范：当采用天然基础时，其埋深应为建筑总高度的1/12，当采用桩基础时，埋深则是1/15。高层建筑动辄50～80m高，从结构的稳定性来考虑，基础必须有4～5m的埋深，地面部分建筑的刚度才能达到设计要求，才能抵抗外力对其的倾覆，基础埋深越深，建筑就能建得越高；埋深占总高度的份额越多，结构的稳定性就越好。而此时，地下室的设计埋入深度，刚好可以作为高层建筑整体中的埋深部分。
2 地下室的抗浮设计
如果地下室埋藏较深或者地下水位较高时，裙房或者纯地下室部分可能会有抗浮不能满足规范要求的情况发生，针对这样的问题，设计人员一般需要采取以下措施进行解决：
1、底板设计方案：在设计允许的时候，尽可能提高基坑坑底的设计标高，这样就间接地降低了抗浮设防水位。高层建筑基础底板目前较多采用平板式或者梁板式筏板基础的设计，一般情况下，两种筏板基础上所填覆土的重量基本相同，但是由于后者的基础高度一般较前者高，所以在保证基顶标高不变的情况下，后者的基础埋深要大于前者，这也是相对提高了抗浮水位，因此采用平板式筏板基础在抗浮设计上更为有利。
2、楼盖设计方案：楼盖提倡使用宽扁梁或无梁楼盖，因为一般宽扁梁的截面高度为跨度的1/22～1/16，所以宽扁梁的使用可以在一定程度上降低地下结构的层高，因此降低了抗浮设防水位。
3、层高设计方案：通过增加地下室的层高，可以增加地下室的重量，这是解决地下室抗浮问题最直接有效的方法，但这种方法同时也需要考虑地基土的承载力。在对主体结构的地基承载力进行深度修正后，增加地下室的层高就是提高了主体结构的有效埋置深度，从而提高了主体结构在修正后地基承载力的特征值。增加层高设计方案一般有两种实施方法，第一种增加基础配重，此种方法一般有三种情况：增加基础底板的厚度；增加基础顶部的填覆土厚度；利用比重大、价格低廉的填料填覆基础顶部。这三种情况的特点都是在增加了基础配重来解决抗浮问题的同时，又不可避免地增加了基础的埋置深度，这样反而相对地提高了地下室抗浮设防水位的高度，因此都不是效率最高的方法。第二种是增加地下室顶板的厚度。此方法的特点是在不增加基坑坑底标高的前提下，增加了地下室的重量，而且由于地下室顶板厚度的增加，经过验算后，可以不用在地下室顶板的大板块之间再设置次梁。但此方法的缺点是会增加地下室顶板框架梁的负荷，而且由于顶板厚度的限制，这种方法在解决抗浮设计上的效果也是不明显的。
4、抗浮桩设计方案：如果地下水位长期处于较高的位置，设置抗浮桩是一种有效的方式。所以从这个层面上来看，抗浮桩是一种解决抗浮问题可靠的方法，但仔细分析，这种方案也有一定的局限性。从结构受力方面讲，由于地下室的抗浮设防水位是根据拟建场地有记录的最高水位，结合近期内水位变化情况提出来的，即使是经过重新评估后确定的抗浮设防水位，也是按一定的统计规律得出的结论。显然，用所确定的地下水位在一般的情况下很难达到准确无误，加之设计计算时产生的不精确，会使得设计的抗浮桩具有一定的安全储备，因此，抗浮桩多数会起着抗压的作用。这样，桩的反作用力将阻碍有抗浮要求的地下室的合理沉降，还会使没有设计沉降缝的地下室或者主体结构与附属裙房之间产生更大的不均匀沉降，从而导致地下室结构裂缝。同时，设置抗浮桩后，计算基础底板内力及配筋时还应考虑地下水压力，也就是要增加基础底板的设计荷载。所以，抗浮桩设计也是有利有弊，使用时需仔细考虑，认真计算荷载和水头压力等设计参数后，再进行选择。
3 地下室的外墙模型
1、地下室外墙配筋时，在外墙配筋计算中，凡外墙带扶壁柱的，有些设计师不管扶壁柱尺寸大小如何，都是按双向板来计算配筋。而扶壁柱应该是按地下室结构整体电算分析的结果配筋，不能直接按外墙双向板传递荷载验算扶壁柱配筋。根据外墙与扶壁柱变形协调的原理，除了垂直外墙方向设置和钢筋混凝土内隔墙相连的外墙板块以及扶壁柱截面尺寸较大、外墙板块以双向板计算配筋之外，其余的外墙即可按竖向单向板计算配筋。同时，如果外墙扶壁桩的竖向荷载较大，相应地内外侧主筋要适当加强；根据扶壁柱截面尺寸大小，其外墙水平分布钢筋要适当另外配加外侧附加短水平负筋，外墙转角处也参照此法进行适当的加强。
2、地下室外墙底部为固定支座，即底板用来作为外墙的嵌固端，那么侧壁底部弯矩和相邻的底板弯矩是相等，底板的抗弯能力就不应小于侧壁，其厚度和配筋量应与侧壁相匹配，这个问题在地下车道中最典型。车道的侧壁为悬臂构件，底板抗弯能力应大于侧壁下部抗弯能力。在地下室底板标高发生变化的地方，有时设计师只设置一道梁，甚至梁宽小于底板厚度，这就会导致梁仅靠两侧箍筋传递板的支座弯矩时，不能满足要求。同时，若地面层开洞位置外墙顶部无楼板支撑，计算模型和配筋构造都需要与实际相符。如果在车道紧靠地下室外墙时,车道底板应位于外，还要注意外墙承受车道底板传来的水平拉力作用，该荷载在计算时经常被遗漏。
4 墙体裂缝及控制
地下室混凝土由于收缩产生收缩应力时，如果再受到结构本身和基坑边壁的约束，就会产生较大的拉应力，导致裂缝出现。按规范要求，地下室裂缝宽度要控制在0.2mm 之内，其配筋量往往由裂缝宽度进行验算控制。造成裂缝过大的失误多集中为：计算时没有考虑荷载的分项系数，没有将地下室防水结构构件的计算弯距进行调幅，多层设计时没有按多跨连续计算，计算中漏掉抗裂性验算，外墙与底板连接构造不合理，建筑物超长未设缝或留置后浇带，外墙施工缝或后浇带详图未交代，后浇带的位置设置不当，主体结构与地下室出入口连接处没设沉降缝等。
地下室整体超长时，为防止裂缝开展，一般采取的主要措施为：采用补偿收缩混凝土，在混凝土中渗入UEA、HEA 等微膨胀剂，以混凝土的膨胀值减去混凝土的最终收缩值的差值大于或等于混凝土的极限拉伸即可控制裂缝；设计膨胀带加强带，将混凝土的早期收缩变形进行补偿，为实现基础混凝土连续浇注无缝施工而设置的补偿收缩混凝土带；设计后浇带，作为早期混凝土在短时间内释放内力的一种技术措施，相对较长久性变形缝已有很大的改进，目前被广泛使用；提高钢筋混凝土的抗拉能力，增加抗变形钢筋，在侧壁可以增加水平暗梁或温度筋，强化混凝土面层，降低及避免大裂缝出现。
5 不均匀沉降
解决不均匀沉降的问题，设计上大致有以下几种方法：
1、在高层建筑与附体裙房之间设计沉降缝，让各部分自主沉降，互不牵连，避免不均匀沉降产生的结构内力。此法的缺陷是会给建筑的立面处理、地下室的防渗漏、基础的埋置深度和整体稳定性等带来困难。
2、高层建筑与附体裙房之间不设计沉降缝，设计采用端承桩，并将桩端置于人造砂卵石层或坚硬的基层之上，使得满足了地基承载力要求的同时，避免了明显的沉降差。但是这种方法的缺陷是材料用量多，不经济。
3、设计时还可采取一定的措施，调整地基反力趋于一致，可以采取办法减少不同部分的地基反力差，从而减少由此带来的不均匀沉降。如：重量大的主楼部分采用复合地基或桩基，重量小的附体裙房部分还用天然地基，或者裙房和主楼各采用不同的基础形式，主楼如采用筏基或箱基，裙房就用截面相对较小的独立基或条形基。
4、在钢筋不用断开的情况下，主体与裙楼之间设置沉降后浇带，然后进行主体的施工，待主楼封顶完成大部分沉降后，再施工裙房，等两部分楼体沉降相对稳定后再对后浇带进行浇铸。这样，利用时间差的办法解决了沉降差，同时又避免了设置沉降缝带来的麻烦。此方法缺陷是增加了施工难度。
6 结束语
目前大量的地下室在城市建设中得以应用，由于涉及到工期和投入的建设费用，与地下室相关的结构设计问题也逐渐变得突出。作为高层建筑地下结构设计，是一个复杂的过程，尤其是高层建筑的上部荷载大, 基础埋深较深, 地下室结构的设计是否合理将直接影响高层建筑的正常使用。因此，设计时在满足功能要求、安全可靠的时候, 就要研究和解决上述地下室设计中的问题, 以保证高层建筑地下室的正常使用。因此，如何协调好地下室结构设计技术上的矛盾，以及协调地下室与建设工程中的关系，是需要每个设计人员认真考虑的。
参考文献：
混凝土结构设计规范（GB50010-2002）.
建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）.
徐建等.建筑结构设计常见及疑难问题解析.北京： 中国建筑工业出版社, 2007.
朱炳寅等.建筑结构设计规范应用图解手册.北京： 中国建筑工业出版社, 2005.
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