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摘要：建筑地下室的设计是一项专业性极强的工作，涉及到的工序和领域较多，具有复杂性。因此，设计要坚持在满足基本功能的基础上，做到安全稳定，经济合理。既可以满足高层建筑地基深埋的要求，也可以防止地下室的渗漏，有助于地下室功能的更好发挥。本文介绍了地下室工程的结构模型特点，分析了地下室的结构优化设计。
关键词：建筑工程地下室结构设计特点
中图分类号： S611文献标识码：A 文章编号：
近些年来，在城市建筑设计中，经常会伴随着各种功能的地下室或者是地下车库，很多高层建筑为了充分利用建筑空间，将一些设备或者是消防池等设置在地下室，不仅更大程度的利用了建筑空间，节省了相关的成本费用，更大的深埋了地基，加强了整体建筑结构的稳定性，增强了建筑的抗震性能，确保了建筑的安全性，同时，也使得整个地下室的使用功能得到了最大程度的挖掘。在城市用地越发紧张的今天，加强对地下室的结构设计，使得地下室最大程度的发挥其功能，对整个城市化进程有着十分重要的意义。
一、地下室工程的结构模型特点
1、地下室的埋置深度
高层建筑设置地下室对建筑物结构的益处很多。首先可以利用土的侧压力减小结构的滑移和倾覆, 有利于上部结构的整体稳定; 其次可以减土的附加重量, 减少地基的附加应力和沉降; 再由于基础具有一定的埋置深度, 还可以减小地震作用对上部建筑的影响。唐山地震震害就表明有地下室的建筑物破坏明显较小。
地下室在具有足够的刚度、承载力和整体性的条件下, 可作为基础结构的一部分。高层建筑基础的埋置深度应满足地基承载力、变形和稳定性的要求。位于岩石地基上的高层建筑, 其埋深应满足抗滑移要求。建议同一结构单元应全部设置地下室, 并应当有相同的埋深。基础的埋置深度为建筑物室外地面至基础底面的距离, 可按以下要求进行估算:
（1）一般天然地基, 不宜小于建筑物的高度的1/ 15,
（2）岩石地基可不考虑埋深的要求, 但应验算倾覆和滑移;
（3）桩基础不宜小于建筑物高度的1/ 18。在城市居住密集的地方往往新旧建筑物紧靠在一起。为保证施工期间相邻原有建筑物的稳定, 通常新建高层的埋深不宜大于原有建筑的基础。当新基础埋深大于原有建筑基础时, 应根据建筑荷载大小、基础形式和土质情况使基础间保持一定的距离。
2、上部结构的嵌固部位
在进行上部结构计算时, 首先要确定其嵌固部位, 嵌固部位又直接影响到基础的弯矩, 所以它对于结构分析和基础设计都是非常重要的, 并直接关联建筑物的经济性和安全性。
嵌固部位结构的整体刚度和承载力是塑性铰出现的必要条件。地下室嵌固部位应能承受上部结构屈服超强引起的内力及地下室本身的地震作用。因此, 《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》都规定: 当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时, 地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2 倍。
地下室不能满足嵌固部位的楼层侧向刚度比规定时, 可以增加地下室楼层的侧向刚度, 或者将主体结构的嵌固部位下移至符合要求的部位, 如基础顶面等。当地下室不少于两层时, 地下室顶部可作为上部结构的嵌固部位。
3、回填土的约束作用
由于地下室一般都存在外墙, 其侧向刚度往往大于上部结构。同时, 地下室与室外土层接触面积大, 在地震作用下, 阻尼增大导致振动衰减, 降低了结构的动力效应。此外, 地震作用迫使与地下室接触的回填土发生相应的变形, 导致土对地下室外墙及底板产生抗力, 约束了地下室的变形,从而提高了地下室的刚度。在选择了合理的嵌固部位以后, 如何分析回填土的约束作用成为地下室结构模型合理性的关键。在规范关于刚性地基的假定下, 目前通常采用以下两种分析方法:
（1）嵌固水平位移法
将上部结构与地下室作为一个整体考虑, 嵌固部位取在基础底板处, 并根据地下室结构与相邻上部结构楼层侧向刚度比的大小, 确定合适位置限定其水平位移为零。楼层侧向刚度的计算方法有三种, 分别是剪切刚度、剪弯刚度和楼层剪力与层间位移的比值。三种方法含义不同, 计算结果差别也较大。当进行方案设计时, 地下室侧向刚度比可用剪切刚度比估计。施工图设计时, 取楼层剪力与层间位移的比值计算。
（2）弹簧刚度法
将上部结构与地下室作为一个整体考虑, 嵌固部位取在基础底板处, 并在每层地下室的楼板处引入水平弹簧刚度, 其值的大小反映回填土对地下室约束作用的强弱。SATWE 软件设有参数“回填土对地下室作用的相对刚度比”, 其含义就是回填土的约束刚度与地下室本身抗侧移刚度的比值, 若取值为0, 表示不考虑回填土的约束作用; 若取值在1 到5之间, 表示回填土具有一定的约束作用, 取值越大约束作用越强; 若取值为负数m, 表示地下室有嵌固部位, 其下部的m 层无水平位移。
4、地下室的荷载
（1）竖向荷载
地下室与上部结构采用整体分析方法, 不仅可以正确完成全楼的竖向导荷及内力计算, 同时可以考虑地下室的变形对上部结构的影响, 使计算结果更符合实际情况。
（2）水平荷载
地下室在地面以下不受风荷载的影响。由地下室质量产生的地震作用主要被室外回填土吸收,只有小部分由地下室构件承担。因此, 在按照《建筑抗震设计规范》进行地震剪力调整时, 地下室部分的最小地震剪力系数不满足要求时可以不调整。
二、地下室的结构优化设计
1、地下室结构平面设计
在设计高层建筑的地下室时，需要考虑防火、排水、人防、通风、采光等因素。比如设计的地下室长度与规定长度不符时，需要配合结构专业，确定是不是可以用变形缝。设计师也可以靠后浇带或者地上设缝的方式替代地下设缝，因为地下设缝会使得处理防水问题时很复杂。如果很难解决设置后浇带的问题，可以将地下室进行分割，变成一个个小的地下室中间再由管道来连接，在管道相连的地方设置变形缝。另外在结构设计时为了通风和采光的需要，还要设计通风采光井，通风采光井必须合理设计，如果位置不当会使地下室丧失结构整体稳定的功能，不能将地上的风荷载引起的水平力和地震力很好的传到地基及侧墙，将不能达到建筑物深埋的效果。
2、地下室顶板的结构优化
地下室的顶板是地上整个高层建筑的水平约束支座，要想对地上结构有足够的约束作用，就必须有较大刚度。所以，在设计地下室时，对顶板有严格的要求，顶板的厚度要大于等于160mm，这样才能保证地下室较大刚度。
3、地下室外墙的结构设计
第一，荷载。地下室的外墙所能夠承受的荷载包括水平荷载，竖向荷载。水平荷载又包括地面活载、侧向土压力和人防等效荷载。竖向荷载包括地上部分和地下室结构的楼盖传重和自重。在设计工程中，竖向荷载和风荷载以及由于地震产生的内力一般起不到控制作用。墙体的配筋由竖直墙面的水平荷载产生的弯矩决定。
第二，静止土压力系数。静止土压力应该通过实验来确定，如果没有条件实验，沙土的压力在0.34到0.45之间，黏性土的压力在0.5到0.7之间。
第三，地下室外墙的配筋。在实际的设计中，外墙的配筋不是根据扶壁柱的尺寸来计算，而是按照双向板来计算。在计算配筋时，对整个高层建筑的外框架的配筋要按照双向板计算，其他部位应适当加强。计算地下室的外墙时基础底板为固定支座，底板的弯矩和侧墙底部大小一样，底板的抗弯能力不应小于侧壁底部，其厚度和配筋量应匹配。这方面问题在地下车道中最为典型，车道侧壁为悬臂构件，底板的抗弯能力不应小于侧壁底部。地下室底板标高变化处也经常发现类似问题：标高变化处仅设一梁，梁宽甚至小于底板厚度，梁内仅靠两侧箍筋传递板的支座弯矩难以满足要求。
4、地下室的抗震设计。抗震设计地下室设计最常见的问题，如果地下室的设计存在缺陷，就会对整个高層建筑的抗震性能产生很大的影响。地下室的墙柱与上部结构的墙柱要协调统一。地下室的顶板板面标高有变化的，如果形成错层，超过了梁高的范围，则必须采取适当的措施处理，否则将影响地下室的设计。地下室的设计规范指出，地下室顶板、底板和楼板宜采用梁板结构,作为上部结构嵌固部位的地下室楼层的顶板应采用梁板结构，楼板厚度不宜小于180mm,双层双向配筋，且配筋率不宜小于0.25%。地下室顶板应尽量避免开大洞，若须开洞时，孔洞宽度应控制在该层楼板宽度的30%以内，洞口布置使结构质量和刚度的分布仍较均匀、对称，避免局部突变。
5、地下室的抗浮和抗渗设计及控制措施。在设计地下室抗渗抗浮时常见的问题有：地下水位没有按照勘测报告确定，勘测报告没有提供地下水位，斜坡道没有进行抗浮验算，或者抗浮验算不符合要求等。
抗浮设计时必须依据地下水位及变动幅度。在实际情况下，抗浮设计时仅考虑正常使用的状态，忽视了施工过程还有洪水来临时的情况，这样就因为抗浮不够而造成地下室出现局部破坏。另一方面，一个大面积的地下室上面往往建有多栋高层或多层建筑，地下室形状不规则再加上面积较大，且地下室上方的局部往往没有建筑，抗浮设计就存在很大的难度。需要谨慎分析，精细计算然后再做处理。除了抗浮设计，抗渗设计也是一个重点。由于钢筋混凝土的结构通常都存在裂缝，如果要达到抗渗的目的就必须采取一定的措施，比如补偿收缩混凝土、设置膨胀带、加固后浇带以及提升钢筋混凝土的抗拉性能等。在混凝土中掺入一定比例的膨胀剂，以此来抵消混凝土本身的收缩值，当两者的差值大于或者等于混凝土的拉伸极限时，可控制裂缝。混凝土中加入的膨胀剂在早期并不能完全补偿混凝土的收缩，此时应该加固膨胀带实现无缝施工。在采取以上措施时，要考虑混凝土的养护。
6、优化选型。建筑物的结构设计除了有足够的承载力，还要使结构具有足够的抗侧力刚度，使结构产生的侧向移动在合理的规定的范围内。结构选型不单单是结构的问题，它是一个综合的复杂的过程，除了考虑地基的承载能力和结构的安全性外，还要考虑成本问题。
7、地下室保护层和垫层厚度。按照《地下工程防水技术规范》的要求，防水垫层的混凝土标号不能小于C15，厚度不能小于100mm，软土层的厚度不能小于150mm。混凝土防水的结构厚度不能小于250mm，防水工程的迎水面混凝土钢筋保护层厚度不能小于50mm。实践证明，如果结构的厚度小于规范的要求，会经常出现漏水渗水现象。所以，规范在修订以后对相应的数值作了提高，在施工时应当注意，以防因为数值不符合规范而使得工程质量出现问题。
参考文献：
[1] 白健荣, 高治国, 高涌涛. 某高层建筑深基坑支护的设计与施工[ J]. 山西建筑, 2009, 35( 11): 113114.
[2] 吴昊.非周边约束地下室对上部结构的嵌固作用研究[D].重庆：重庆大学，2006.
关键词：建筑工程地下室结构设计特点
中图分类号： S611文献标识码：A 文章编号：
近些年来，在城市建筑设计中，经常会伴随着各种功能的地下室或者是地下车库，很多高层建筑为了充分利用建筑空间，将一些设备或者是消防池等设置在地下室，不仅更大程度的利用了建筑空间，节省了相关的成本费用，更大的深埋了地基，加强了整体建筑结构的稳定性，增强了建筑的抗震性能，确保了建筑的安全性，同时，也使得整个地下室的使用功能得到了最大程度的挖掘。在城市用地越发紧张的今天，加强对地下室的结构设计，使得地下室最大程度的发挥其功能，对整个城市化进程有着十分重要的意义。
一、地下室工程的结构模型特点
1、地下室的埋置深度
高层建筑设置地下室对建筑物结构的益处很多。首先可以利用土的侧压力减小结构的滑移和倾覆, 有利于上部结构的整体稳定; 其次可以减土的附加重量, 减少地基的附加应力和沉降; 再由于基础具有一定的埋置深度, 还可以减小地震作用对上部建筑的影响。唐山地震震害就表明有地下室的建筑物破坏明显较小。
地下室在具有足够的刚度、承载力和整体性的条件下, 可作为基础结构的一部分。高层建筑基础的埋置深度应满足地基承载力、变形和稳定性的要求。位于岩石地基上的高层建筑, 其埋深应满足抗滑移要求。建议同一结构单元应全部设置地下室, 并应当有相同的埋深。基础的埋置深度为建筑物室外地面至基础底面的距离, 可按以下要求进行估算:
（1）一般天然地基, 不宜小于建筑物的高度的1/ 15,
（2）岩石地基可不考虑埋深的要求, 但应验算倾覆和滑移;
（3）桩基础不宜小于建筑物高度的1/ 18。在城市居住密集的地方往往新旧建筑物紧靠在一起。为保证施工期间相邻原有建筑物的稳定, 通常新建高层的埋深不宜大于原有建筑的基础。当新基础埋深大于原有建筑基础时, 应根据建筑荷载大小、基础形式和土质情况使基础间保持一定的距离。
2、上部结构的嵌固部位
在进行上部结构计算时, 首先要确定其嵌固部位, 嵌固部位又直接影响到基础的弯矩, 所以它对于结构分析和基础设计都是非常重要的, 并直接关联建筑物的经济性和安全性。
嵌固部位结构的整体刚度和承载力是塑性铰出现的必要条件。地下室嵌固部位应能承受上部结构屈服超强引起的内力及地下室本身的地震作用。因此, 《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》都规定: 当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时, 地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2 倍。
地下室不能满足嵌固部位的楼层侧向刚度比规定时, 可以增加地下室楼层的侧向刚度, 或者将主体结构的嵌固部位下移至符合要求的部位, 如基础顶面等。当地下室不少于两层时, 地下室顶部可作为上部结构的嵌固部位。
3、回填土的约束作用
由于地下室一般都存在外墙, 其侧向刚度往往大于上部结构。同时, 地下室与室外土层接触面积大, 在地震作用下, 阻尼增大导致振动衰减, 降低了结构的动力效应。此外, 地震作用迫使与地下室接触的回填土发生相应的变形, 导致土对地下室外墙及底板产生抗力, 约束了地下室的变形,从而提高了地下室的刚度。在选择了合理的嵌固部位以后, 如何分析回填土的约束作用成为地下室结构模型合理性的关键。在规范关于刚性地基的假定下, 目前通常采用以下两种分析方法:
（1）嵌固水平位移法
将上部结构与地下室作为一个整体考虑, 嵌固部位取在基础底板处, 并根据地下室结构与相邻上部结构楼层侧向刚度比的大小, 确定合适位置限定其水平位移为零。楼层侧向刚度的计算方法有三种, 分别是剪切刚度、剪弯刚度和楼层剪力与层间位移的比值。三种方法含义不同, 计算结果差别也较大。当进行方案设计时, 地下室侧向刚度比可用剪切刚度比估计。施工图设计时, 取楼层剪力与层间位移的比值计算。
（2）弹簧刚度法
将上部结构与地下室作为一个整体考虑, 嵌固部位取在基础底板处, 并在每层地下室的楼板处引入水平弹簧刚度, 其值的大小反映回填土对地下室约束作用的强弱。SATWE 软件设有参数“回填土对地下室作用的相对刚度比”, 其含义就是回填土的约束刚度与地下室本身抗侧移刚度的比值, 若取值为0, 表示不考虑回填土的约束作用; 若取值在1 到5之间, 表示回填土具有一定的约束作用, 取值越大约束作用越强; 若取值为负数m, 表示地下室有嵌固部位, 其下部的m 层无水平位移。
4、地下室的荷载
（1）竖向荷载
地下室与上部结构采用整体分析方法, 不仅可以正确完成全楼的竖向导荷及内力计算, 同时可以考虑地下室的变形对上部结构的影响, 使计算结果更符合实际情况。
（2）水平荷载
地下室在地面以下不受风荷载的影响。由地下室质量产生的地震作用主要被室外回填土吸收,只有小部分由地下室构件承担。因此, 在按照《建筑抗震设计规范》进行地震剪力调整时, 地下室部分的最小地震剪力系数不满足要求时可以不调整。
二、地下室的结构优化设计
1、地下室结构平面设计
在设计高层建筑的地下室时，需要考虑防火、排水、人防、通风、采光等因素。比如设计的地下室长度与规定长度不符时，需要配合结构专业，确定是不是可以用变形缝。设计师也可以靠后浇带或者地上设缝的方式替代地下设缝，因为地下设缝会使得处理防水问题时很复杂。如果很难解决设置后浇带的问题，可以将地下室进行分割，变成一个个小的地下室中间再由管道来连接，在管道相连的地方设置变形缝。另外在结构设计时为了通风和采光的需要，还要设计通风采光井，通风采光井必须合理设计，如果位置不当会使地下室丧失结构整体稳定的功能，不能将地上的风荷载引起的水平力和地震力很好的传到地基及侧墙，将不能达到建筑物深埋的效果。
2、地下室顶板的结构优化
地下室的顶板是地上整个高层建筑的水平约束支座，要想对地上结构有足够的约束作用，就必须有较大刚度。所以，在设计地下室时，对顶板有严格的要求，顶板的厚度要大于等于160mm，这样才能保证地下室较大刚度。
3、地下室外墙的结构设计
第一，荷载。地下室的外墙所能夠承受的荷载包括水平荷载，竖向荷载。水平荷载又包括地面活载、侧向土压力和人防等效荷载。竖向荷载包括地上部分和地下室结构的楼盖传重和自重。在设计工程中，竖向荷载和风荷载以及由于地震产生的内力一般起不到控制作用。墙体的配筋由竖直墙面的水平荷载产生的弯矩决定。
第二，静止土压力系数。静止土压力应该通过实验来确定，如果没有条件实验，沙土的压力在0.34到0.45之间，黏性土的压力在0.5到0.7之间。
第三，地下室外墙的配筋。在实际的设计中，外墙的配筋不是根据扶壁柱的尺寸来计算，而是按照双向板来计算。在计算配筋时，对整个高层建筑的外框架的配筋要按照双向板计算，其他部位应适当加强。计算地下室的外墙时基础底板为固定支座，底板的弯矩和侧墙底部大小一样，底板的抗弯能力不应小于侧壁底部，其厚度和配筋量应匹配。这方面问题在地下车道中最为典型，车道侧壁为悬臂构件，底板的抗弯能力不应小于侧壁底部。地下室底板标高变化处也经常发现类似问题：标高变化处仅设一梁，梁宽甚至小于底板厚度，梁内仅靠两侧箍筋传递板的支座弯矩难以满足要求。
4、地下室的抗震设计。抗震设计地下室设计最常见的问题，如果地下室的设计存在缺陷，就会对整个高層建筑的抗震性能产生很大的影响。地下室的墙柱与上部结构的墙柱要协调统一。地下室的顶板板面标高有变化的，如果形成错层，超过了梁高的范围，则必须采取适当的措施处理，否则将影响地下室的设计。地下室的设计规范指出，地下室顶板、底板和楼板宜采用梁板结构,作为上部结构嵌固部位的地下室楼层的顶板应采用梁板结构，楼板厚度不宜小于180mm,双层双向配筋，且配筋率不宜小于0.25%。地下室顶板应尽量避免开大洞，若须开洞时，孔洞宽度应控制在该层楼板宽度的30%以内，洞口布置使结构质量和刚度的分布仍较均匀、对称，避免局部突变。
5、地下室的抗浮和抗渗设计及控制措施。在设计地下室抗渗抗浮时常见的问题有：地下水位没有按照勘测报告确定，勘测报告没有提供地下水位，斜坡道没有进行抗浮验算，或者抗浮验算不符合要求等。
抗浮设计时必须依据地下水位及变动幅度。在实际情况下，抗浮设计时仅考虑正常使用的状态，忽视了施工过程还有洪水来临时的情况，这样就因为抗浮不够而造成地下室出现局部破坏。另一方面，一个大面积的地下室上面往往建有多栋高层或多层建筑，地下室形状不规则再加上面积较大，且地下室上方的局部往往没有建筑，抗浮设计就存在很大的难度。需要谨慎分析，精细计算然后再做处理。除了抗浮设计，抗渗设计也是一个重点。由于钢筋混凝土的结构通常都存在裂缝，如果要达到抗渗的目的就必须采取一定的措施，比如补偿收缩混凝土、设置膨胀带、加固后浇带以及提升钢筋混凝土的抗拉性能等。在混凝土中掺入一定比例的膨胀剂，以此来抵消混凝土本身的收缩值，当两者的差值大于或者等于混凝土的拉伸极限时，可控制裂缝。混凝土中加入的膨胀剂在早期并不能完全补偿混凝土的收缩，此时应该加固膨胀带实现无缝施工。在采取以上措施时，要考虑混凝土的养护。
6、优化选型。建筑物的结构设计除了有足够的承载力，还要使结构具有足够的抗侧力刚度，使结构产生的侧向移动在合理的规定的范围内。结构选型不单单是结构的问题，它是一个综合的复杂的过程，除了考虑地基的承载能力和结构的安全性外，还要考虑成本问题。
7、地下室保护层和垫层厚度。按照《地下工程防水技术规范》的要求，防水垫层的混凝土标号不能小于C15，厚度不能小于100mm，软土层的厚度不能小于150mm。混凝土防水的结构厚度不能小于250mm，防水工程的迎水面混凝土钢筋保护层厚度不能小于50mm。实践证明，如果结构的厚度小于规范的要求，会经常出现漏水渗水现象。所以，规范在修订以后对相应的数值作了提高，在施工时应当注意，以防因为数值不符合规范而使得工程质量出现问题。
参考文献：
[1] 白健荣, 高治国, 高涌涛. 某高层建筑深基坑支护的设计与施工[ J]. 山西建筑, 2009, 35( 11): 113114.
[2] 吴昊.非周边约束地下室对上部结构的嵌固作用研究[D].重庆：重庆大学，2006.