地下室建筑结构设计及优化实例

关键词：室外地下室；建筑平面设计；结构设计；抗震设计；工程量

文章摘要：随着国家城镇化快速推进，房地产业的飞速发展，多高层建筑中的设备用房、汽车停车位、部分商业等多功能都应用在地下室，因此在建筑结构设计中，地下室结构设计难度大且意义重大。文章分析了地下室结构设计中的重点，并提出了优化设计的方案。

地下室是指房间地面低于室外地平面的高度超过该房间净高的二分之一的地下房间。多层和高层建筑物需要较深的基础，为利用这一高度，在建筑物底层下建造地下室，既可增加使用面积，设置为商业或者车库方便建筑使用，又可省去房心回填土，综合比较，相对经济。因此一些高层建筑由于底部埋深很大，充分利用这一深度来建造地下室，其经济效果和使用效果俱佳，如图一所示。

图一

在高层建筑的地下室结构设计时，需综合考虑防火、使用功能、人防要求、设备用房及管道、坑道、排水、通风、采光等各专业的配合。例如地下室的长度超过设计规定长度时，需要与结构专业配合，确定是否设置变形缝，通常应尽可能少设或不设变形缝，因为设置变形缝会使得变形缝处的防水处理变得复杂。设计人员可以通过设置后浇带和合理使用混凝外加剂或地上设缝、地下不设缝等方式，达到不设缝的目的。在建筑结构的具体设计过程中，需要注意顶板上覆土的标高及厚度、建筑总图中顶板上的景观布置、小区消防车道的走向、地下室通风管井的位置、主楼一层布置在地下室顶板上的做法及结构布置形式等。

本文参考重固几个项目的设计，针对室外地下室顶板结构形式进行讨论，比较多个方案，比较各自的经济性，可以为以后的设计管理提供决策依据。

一般来讲地下室抗震设计中较为常见的问题为：多层建筑中半地下室埋深不够，房屋层数包括半地下室层已达8层，层数和总高度超过要求，违GB50011-2001第7.1.2条。地下室顶板为上部结构嵌固端，地下室一层抗震等级定为三级，而上部结构为二级，按GB50011-2001第6.1.3条地下室相关范围内结构也应为二级。  若地下室设计不当，对其整体的抗震性能会产生较大的影响。根据施工图审查要点，一般来讲，对于半地下室的埋深要求应大于地下室外地面以上的高度，才能不计算其层数，总高度才能从室外地面算起。地下室的墙柱与上部结构的墙柱应协调统一。对地下室顶板室内外板面标高变化处，当标高变化超过梁高范围时则形成错层，应采取一定的措施进行处理，否则不应作为上部结构的部位。相关规范明确规定，作为上部结构部位的地下室楼层的顶楼，盖应采用梁板结构，地下室顶板为无梁楼盖时不应作为上部结构的部位。结构计算应向下计算至满足要求的地下室楼层或底板，但剪力墙底部加强区层数应从地面往上计算，并应包括地下层。

一般来讲，此类设计常见问题为：地下水位未按勘察报告确定，或勘察报告未提供计算浮力的地下水位及其变幅，违反了GB50007-2002第3.0.2条；斜坡道未进行抗浮验算，斜坡道与主体分缝处未作处理；抗浮验算不满足要求，不符合GB50009-2001第3.2.5条等。地下水位及其变幅是地下室抗浮设计的重要依据。地下室结构设计除应满足受力要求外，抗渗也是其中一个重点。由于钢筋混凝土结构通常带裂缝工作，要达到抗渗目的，一般可采取以下措施：（1）补偿收缩混凝土。在混凝土中掺微膨胀剂，以混凝土的膨胀值抵消混凝土的最终收缩值。当其差值大于或等于混凝土的极限拉伸时，即可控制裂缝；（2）膨胀带。混凝土中膨胀剂的膨胀变形不会完全补偿混凝土的早期收缩变形，而设置补偿收缩混凝土带可以实现混凝土连续浇注无缝施工；（3）后浇带。后浇带作为混凝土早期短时期释放约束力的一种技术措施，较长久性变形缝已有很大的改进并广泛应用；（4）提高钢筋混凝土的抗拉能力。混凝土应考虑增加抗变形钢筋，如侧壁增加水平温度筋，在混凝土面层起强化作用；侧壁受底板和顶板的约束，混凝土胀缩不一致，可在墙体中部设置一道水平暗梁抵抗拉力。当然，在采取以上措施时，同时要注意混凝土的养护。  ??

地下室的外墙是结构设计的重点，应按水、土压力验算，在设计时应注意以下要求：（1）荷载。地下室外墙所承受的荷载分为水平荷载和竖向荷载。竖向荷载包括上部及地下室结构的楼盖传重和自重，水平荷载包括地面荷载、侧向土压力和人防等效静荷载。在实际工程设计中，竖向荷载及风荷载或地震作用产生的内力一般不起控制作用，墙体配筋主要由垂直墙面的水平荷载产生的弯矩确定，而且通常不考虑与竖向荷载组合的压弯作用，仅按墙板弯曲计算弯曲的配筋；（2）静止土压力系数。静止土压力宜由试验确定，当不具备试验条件时，砂土可取0.34～0.45，粘性土可取0.5～0.7；（3）地下室外墙的配筋计算。在计算地下室外墙的配筋时，对于垂直于外墙方向有钢筋混凝土内隔墙相连的外墙板块或外墙扶壁柱截面尺寸较大的外墙板块，如高层建筑外框架柱之间，按双向板计算配筋为宜，其余的宜按竖向单向板计算。对竖向荷载较小的外墙扶壁柱，其内外侧主筋也应予以适当加强。外墙的水平分布筋应根据扶壁柱截面尺寸的大小，适当地配以外侧附加短水平负筋加强，外墙转角处也应适当加强。地下室外墙计算时底部为固定支座（即底板作为外墙的嵌固端），侧壁底部弯矩与相邻的底板弯矩相等，底板的抗弯能力应不小于侧壁的抗弯能力，其厚度应与配筋量相匹配。这种情况在地下车道中最为典型，车道侧壁为悬臂构件，底板的抗弯能力应不小于侧壁底部的抗弯能力。

选择常见的柱网尺寸8.4mx8.4m，上面覆土厚度按照1.5m设计（土的重度按照1.8吨/m3），并考虑一些常见的建筑及安装做法（重量按照150公斤/m2）。相关数据如下：

常见的四种地下室顶板结构布置图如图二所示：

方案1 梁截面尺寸如下：

方案2 梁截面尺寸如下：

方案3 梁截面尺寸如下：

方案4 梁截面尺寸如下：

计算结果如图三至图六所示：

    图三

  图四

     图五

 图六

混凝土用量如图七~图十所示：

 图七

图八

图九

图十

梁钢筋用量如图十一~图十四所示：

图十一

图十二

图十三

图十四

板钢筋用量如图十五~图十八所示：

图十五

图十六

图十七

图十八

梁板模板用量如图十九  

图十九

按市场价将各项造价汇总综合分析

综上所述，方案1造价最为经济，877.2元每平米，方案3造价，880.2元每平米，与方案1较为接近，方案2和方案4相对要高一些，分别929.4元每平米和924.1元每平米。故在设计方案中，建议采用方案1。

高层建筑地下室结构设计显然是一个复杂的过程，但是，只要把握设计要点，抓住设计重点，以合理的设计为前提，进行全面考虑，就能使建筑地下室结构设计工作发挥其最大的经济作用和社会效益、战略效益。