摘要:隨著建筑層數的日益增高,地下結構也日趨復雜化,地下工程的基坑支護、結構設計、施工及防水等問題逐漸成為建筑工程界關注的熱點。由于地下工程的施工環境特殊、隱蔽性大、涉及的工種多、施工復雜,也較容易出現質量問題,因而設計時應綜合考慮多方面因素，結合工程的具體情況進行一些特殊的處理。本文探討了地下室結構設計常遇到的一些問題及其解決措施。
　　關鍵詞:地下室，平面設計，構件設計，抗震設計，構造措施，工程造價
　　
　　引言
　　隨著城市土地資源的日益緊缺,建筑及城市交通逐步向地下發展,而高層建筑更由于其建筑功能和結構本身的要求,大多需要設置單層或多層地下室。地下工程在整個建設項目中所占的比重也越來越大。由于地下工程材料消耗大、建造周期長、施工難度大，因此地下室結構設計的合理性將會對整個項目的設計周期、施工工期以及工程造價等產生巨大的影響。另外，由于場地地基土層工程力學性質的多樣性，地下室結構的設計也比較復雜，主要涉及到的技術問題有：基礎型式的選取和計算、地基承載力及變形計算、抗浮計算、不均勻沉降的解決措施、結構超長所產生的裂縫問題以及特殊地下室如人防地下室的結構設計等等問題。這些技術問題的解決方式對工程的造價問題有很大的影響，先進合理的技術能最大程度的降低工程的造價，使建設項目取得良好的經濟效益，而經濟因素也在一定程度上制約著一些先進技術的運用和發展。因此，如何協調好技術與經濟在建設工程中的相互關系，是每個設計人員應該認真考慮的。本文以地下室結構設計中主要須解決的技術問題為主線，結合具體的工程實例，簡要分析地下室結構設計中的技術、經濟問題及其相互關系。
　　
　　1地下室結構設計中的主要技術問題
　　1.1地下室平面設計
　　地下室工程涉及的專業極為復雜,在高層建筑的地下室結構設計時,需綜合考慮防火、使用功能、人防要求、設備用房及管道、坑道、排水、通風、采光等各專業的配合。地下室的平面尺寸，層高及柱跨也要結合各專業的具體要求確定，以達到經濟合理的設計效果。例如地下室的平面尺寸超長時,須由結構專業確定是否設置變形縫或采用其他的構造措施以解決溫度裂縫問題。因為變形縫的設置會增加地下室防水處理的難度,所以通常應盡可能少設或不設變形縫,而采用加強施工養護，設置后澆帶或膨脹加強帶及加強構造配筋等措施，以減少溫度裂縫的產生，同時也達到較好的防水效果。若地下室過長,依靠以上措施仍難以解決,則設計人員應合理地調整平面,將地下室分割成幾個較小尺寸的地下室,中間僅用較窄的通道相連,以滿足使用及管道相連的要求,并將變形縫設置在通道處,這樣可以使接縫較少且處于受力較小處,便于補救。另外，在滿足各專業使用要求的前提下，應盡量減少地下室層高及采取經濟柱跨，以降低工程造價。地下室平面設計時也應合理地設置采光通風井,特別是高層建筑，若采光通風井位置設計不當,例如在側壁外作附加通長采光井,會造成該向地下室側限缺失,不能有效地將上部的水平力作用傳至側壁及周邊土層,達不到底層嵌固的計算假定，而須深挖以滿足高層建筑的埋深要求，從而增加工程造價。因此，合理的平面布置是結構經濟合理的前提。
　　1.2地下室構件設計
　　地下室的構件設計主要包括外墻，頂板,底板等部位的設計。各個部位的構件應根據其受力工況進行強度及裂縫驗算。地下室底板及外墻主要考慮水、土壓力及人防荷載的作用，而地下室頂板主要考慮覆土、施工荷載、消防車荷載及人防荷載的作用。設計時應注意以下問題:
　　(1)荷載。在地下室所受的荷載中,地下水壓力是比較重要的一項,只有合理的確定設防水位,才能確保地下室的結構安全,同時也避免增加不必要的工程造價。設防水位可根據地勘報告并結合場地地勢確定。地下室外墻所承受的土壓力應為靜止土壓力，靜止土壓力系數可由試驗確定，當不具備試驗條件時,砂土可取0.34～0.45,黏性土可取0.5～0.7。另外，地面超載對外墻的作用也不能忽視。在人防地下室設計中，各部位人防構件等效靜荷載的取值可根據現行人防設計規范確定，對于人防地下室底板，人防荷載的取值還與基礎形式和基底土層的性質有直接的關系。在考慮了人防荷載的荷載組合計算中，材料的強度應考慮材料強度綜合調整系數。
　　(2)計算模型。地下室頂板一般可采用井字梁板結構，板格根據平面尺寸及支承形式，按不同荷載組合工況進行強度及裂縫的分析計算。地下室底板可采用梁板結構或無梁樓蓋結構，按倒樓蓋模型進行受力分析。無梁樓蓋結構可采用板帶法或等代框架法。外墻一般承受水平荷載、豎向荷載及頂部節點荷載。水平荷載包括地面超載、側向水、土壓力和人防等效靜荷載等；豎向荷載包括上部及地下室頂板結構傳遞來的荷載等；節點荷載主要是由于風荷載或地震作用產生的水平剪力和彎矩。豎向荷載和節點荷載一般可由頂板結構及外墻平面內剛度承受，其內力一般對外墻墻體的配筋不起控制作用，墻體配筋主要由垂直墻面的水平荷載產生的彎矩確定。因此，外墻一般采用上部鉸接，下部固接，承受梯形水平荷載的豎向單向板的計算模型，水平鋼筋僅為構造配筋。而對于垂直于外墻方向有鋼筋混凝土內隔墻相連的外墻板塊，則應按雙向板計算配筋，否則水平鋼筋會偏小。地下室外墻計算時,假定了底部為固定支座(即底板作為外墻的嵌固端),因此底板的抗彎能力應不小于側壁的抗彎能力,其厚度及配筋量應相匹配，以滿足該計算假定。這種情況在地下車道中最為典型,車道側壁為懸臂構件,底板的抗彎能力應不小于側壁底部的抗彎能力。
　　(3)構造要求。作為上部結構嵌固端的地下室頂板，其砼強度等級不宜小于C30，并應采用雙層雙向配筋，且每層每向的配筋率不宜小于0.25%。所有構件迎水面鋼筋保護層厚度不應小于50mm，且裂縫寬度不應大于0.2mm。人防構件的構造要求還須滿足人防規范的相關規定。
　　1.3地下室抗浮設計
　　地下室的抗浮設計也是一個必須加以重視的問題。抗浮設計包含兩個階段：地下室施工階段及正常使用階段。施工階段的抗浮設計往往被設計人員忽視。因此也常常出現施工過程由于地下水位的突然上升而引起地下室整體或局部上涌，而導致結構破壞的工程事故。地勘報告提供的抗浮設計水位或常年水位及其變幅是地下室抗浮設計的重要依據。對于上部有多層或高層塔樓的地下室，正常使用階段由于上部樓層的壓重作用，一般情況下抗浮問題均能滿足，因此僅需要解決施工階段的水浮力作用。具體設計時可根據水浮力大小確定能滿足壓重要求的樓層數，并要求施工過程進行降水處理，待上部樓層施工到需要的層數后再停止降水。這樣就不必要單獨為施工階段設置抗浮措施（如設抗拔樁，抗拔錨桿等）而增加工程造價。對于上部無塔樓的純地下室，則須根據正常使用階段和施工階段中的最不利情況進行抗浮計算，設置抵抗浮力的抗拔樁或抗拔錨桿等，以滿足地下室整體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，在滿足各專業要求的前提下，應盡量減小地下室層高和埋深，才能較好的減少此方面的工程造價。
　　1.4地下室防水設計
　　地下室防水設計是一項十分重要的工作,其決定地下室的正常使用效果。在防水設計時,應根據工程的性質、使用要求和重要性等合理確定防水等級,根據防水等級確定防水層數。無論防水等級為幾級,地下室混凝土都應采用結構自防水混凝土,防水混凝土的抗滲等級應根據水頭高度與混凝土壁的厚度比確定,不得人為地自行降低。根據防水等級的要求,建筑的地下室僅設一道防水混凝土是不能滿足要求的,一般應做卷材防水。在選用防水卷材時,應考慮到地下室環境惡劣、無法更換的特點,盡量選用耐久性好的卷材。防水卷材在地下室外側的各個部位均應閉合,尤其應重視節點設計如樁頭、承臺和積水坑等處,若構造設計或施工不當,勢必會形成漏底之舟,失去卷材防水的意義。另外,為了防止少量滲水,便于地下室車道處積水的排放,地下室應設排水明溝和集水坑。
　　1.5地下室抗震設計
　　一般工程進行整體計算時，多假定以地下室頂板為上部結構的嵌固端，因此地下室的設計應盡量滿足此計算假定的要求，否則計算模型將是錯誤的，計算結果也是不可靠的。要作為上部結構的嵌固端，地下室周邊應有足夠的側限，且相對于上部結構應有足夠的剛度，一般樓層側向剛度不宜小于相鄰上部樓層側向剛度的2倍，同時應滿足規范要求的構造措施，如地下室頂板應采用現澆梁板結構，應避免開設大洞口，頂板厚不宜小于180mm等等。若地下室頂板無法滿足以上條件，則不應作為上部結構的嵌固部位，結構整體計算應向下計算至滿足嵌固端要求的地下室樓層或底板。當地下室頂板作為上部結構的嵌固部位時，塔樓投影范圍內的地下一層抗震等級應與上部結構相同，塔樓投影范圍外的地下室部分和地下一層以下的抗震等級可根據具體情況采用三級或更低等級。
　　1.6地下室的構造措施
　　根據GB50108—2001《地下工程防水技術規范》規定,防水結構構件厚度應不小于250mm；裂縫寬度應不大于0.2mm，并不得貫通；迎水面鋼筋保護層厚度應不小于50mm。對于防水混凝土結構底板的混凝土墊層,其強度等級應不小于C15,厚度不小于100mm,在軟弱土層中應不小于150mm。工程實踐表明,若結構厚度或迎水面鋼筋保護層厚度小于規范限值,經常會出現滲漏水及鋼筋腐蝕的現象,因此,修訂以后的規范對該限值作了相應的提高,在實際施工時應引起注意。對于超長地下室，除施工過程應注意做好混凝土的養護外，設計可在受力較小的部位設置間距約為30m的后澆帶或添加防水抗裂劑形成膨脹加強帶等構造措施，以減少溫度裂縫的產生。對于上部結構各部分高度相差較大，而地下室為一整體的多塔樓結構，可根據具體情況采取加強地下室整體剛度，不同高度結構之間設置沉降后澆帶，各部分采取不同的基礎形式或基礎持力層等方式以減少不均勻沉降的影響。
　　
　　2工程實例
　　某工程上部結構由5棟塔樓組成，其中3棟為28層的高層建筑，2棟為11層的小高層建筑，均落在一個單層6級人防地下室上。地下室平面尺寸約為50mX200m，大大超過了規范設縫的要求。考慮到地下室頂板有較厚的覆土，以及設縫過多對地下室防水效果和使用功能的不利影響，地下室部分僅設置一道縫，將其分成兩個長約100m的相對獨立的地下室，中間用通道連接。為滿足施工操作要求，縫寬約為1.2m,待地下室外墻防水施工完畢后再用級配砂石分層回填密實，以確保地下室的側限要求。另外，地下室頂板，底板，墻體均設置間距約為30m的后澆帶，且在直接與水土接觸的部位的砼中按一定配比添加防水抗裂劑。再考慮到各塔樓和單層地下室之間高度相差較大，為避免不均勻沉降的出現，塔樓部分采用鉆孔灌注樁基礎，而單層地下室則采用整體性較好的筏板基礎，落在淺層中砂層上，同時，在不同基礎形式的各部分之間設置沉降后澆帶，并要求在主體封頂，沉降基本穩定以后再進行封閉。目前，本工程主體結構已經完工，地下室部分未出現有較明顯的溫度和沉降裂縫，整體效果較為理想。
　　
　　3結語
　　地下室的結構設計是一個綜合性很強的問題，涉及內容繁多且復雜，有些問題至今尚未得到很好的解決，如：地基與基礎的相互作用問題、上部結構剛度對地基基礎的影響等等。現代高層建筑由于地下工程龐大，建設工程在地下的投資已經接近甚至超過了地上，因此無論是從技術還是從經濟的角度講都需要我們更深入地研究地下室結構設計的技術問題，提高設計水平，真正做到技術與經濟同步、安全與適用協調。