高层建筑的地下室设计

高层建筑的地下室设计浅析

陈俊力 河南省机电设计院有限公司

许利彭 河南埃菲尔建筑设计有限公司

摘 要：本文简要分析了一些大底盘地下室结构的设计所存在的问题，并着重从以下几个方面展开了讨论与分析，并提出了一些比较经济适用的解决方案，以期对其他工程设计有所帮助。

关键词：抗浮设计；不均匀沉降；结构超长；基础型式

现代高层建筑由于技术、经济等各方面的因素，一般都设有大底盘地下室，通常为1～2 层，地下室面积约占整个建筑面积的10％左右。由于地下工程材料消耗大、建造周期长、施工难度大，因此结构设计的好坏将会对整个项目的设计周期、施工工期以及建造费用产生巨大的影响。另外，地下室结构的设计也比较复杂，技术问题与经济因素息息相关，先进适用的技术能使建设项目取得良好的经济效益，而经济因素在一定程度上也会制约一些先进技术的使用。因此，如何协调好技术与经济在建设工程中的相互关系，是每个设计人员应该认真考虑的。本文以地下室结构设计中的技术问题为主线，结合具体的工程实例，简要分析地下室结构设计中的技术、经济问题及其相互关系。

1 抗浮问题

对于地下室埋藏较浅，层数在 1～2 层的高层建筑而言，一般在使用阶段不会存在抗浮问题。当地下室埋藏较深或地下水位较浅时（南方多雨地区），裙房及纯地下室部分可能会有抗浮不满足要求的问题。针对此种情况，应采取以下措施：

a) 在设计允许的情况下，尽可能提高基坑坑底的设计标高，间接降低抗浮设防水位。高层建筑的基础底板多采用平板式筏板基础和梁板式筏板基础。一般而言，平板式筏板基础的重量与梁板式筏板基础上填覆土的重量基本相当，但后者的基础高度一般要比前者高，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。从而相对提高了抗浮水位，故采用平板式筏板基础更有利于降低抗浮水位。

b) 楼盖提倡使用宽扁梁或无梁楼盖。一般宽扁梁的截面高度为跨度的 1/22～1/16，宽扁梁的使用将有效地降低地下结构的层高，从而相对降低了抗浮设防水位。

c) 增加地下室的层高来增加地下室的重量是解决地下室抗浮问题的一个直接有效的方法，但这种方法还应该结合地基土的承载力而定；在对主体结构的地基承载力进行深度修正时，增加地下室的层高可以提高主体结构的有效埋置深度，从而提高了主体结构修正后的地基承载力特征值。①增加基础配重。此种方法大致有以下 3 种情况：增加基础底板的厚度、增加基础顶面覆土厚度、基础顶面采用容重大且价格低廉的填料。这三种方法的共同特点是：在增加基础配重用以解决抗浮问题的同时又不可避免的增加了基础的埋置深度，从而相对地提高了地下室抗浮设防水位的高度，因此它不是一种效率最高的方法。②增加地下室顶板的厚度。这种方法的优点是：在不增加基坑坑底标高的前提下，增加了地下室的重量，而且使用厚板后，地下室顶板的大板块之间可以不再设置次梁。但此种方法的缺点是会略增加地下室顶板框架梁的负荷，而且由于板厚有限，这种方法解决抗浮问题的效果也是有限的。

d) 设置抗浮桩。表面上看这是一种解决抗浮问题行之有效的方法，但仔细分析，这种方法也有一定的局限性，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历年最高水位结合近几年的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。

2 不均匀沉降问题

解决不均匀沉降问题大致有以下几种方法：

a) 裙房和高层建筑之间设沉降缝，让各部分自由沉降，互不影响，避免由于不均匀沉降产生的内力，这是所谓“放”的方法。但实际上这样做，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等带来很多困难。

b) 裙房和高层建筑之间不设沉降缝，采用端承桩，将桩端置于坚硬的基岩或砂卵石层上。这样，既满足了地基承载力要求，又避免了明显的沉降差。这是所谓的“抗”的方法。但这种方法基础材料用量多，不经济，一般用于超高层建筑或地基持力层较差的情况。

c) 在设计中不设沉降缝，而采取一定的措施，调整地基反力，尽量减少不同部分的地基反力差，从而减少沉降差。这是所谓“调”的方法。如：裙房部分采用天然地基，主楼部分采用复合地基或桩基。裙房和主楼部分采用不同的基础形式，主楼采用筏基或箱基，裙房采用独立基础或条形基础。目前，石家庄地区比较常用的方法是在主体结构部分采用 CFG 桩（水泥粉煤灰碎石桩）复合地基，在裙房及纯地下室部分采用天然地基。

3 地下室结构超长问题

由于建筑布局的要求，有时地下室结构超长，多数情况下都超过了40～60m。地下结构虽然受温度变化的影响较地上结构小，但周边约束作用较强，结构超长问题的重要性仍然不容忽视。目前比较成熟的做法有以下几种：

a) 设置伸缩后浇带。地下结构一般在结构长度大于40～60m 时宜设置一道伸缩后浇带，普通的伸缩后浇带宽度约为 800～1000mm，钢筋贯通不切断。对于平面尺寸特别长的地下结构，应设置钢筋断开的伸缩后浇带，后浇带的宽度按钢筋搭接所需最小尺寸和必要的操作空间确定。

b) 采取其它相应措施。主要有：采用低强度等级混凝土；混凝土中添加微膨胀剂；采用粉煤灰混凝土技术；适当加大分布钢筋配筋量；施工缝处设置膨胀止水条；设置膨胀加强带。目前已建成的许多建筑结构，由于采取了上述措施，并进行了合理的施工，伸缩缝间距已超过了规范规定的数值。

4 基础型式的选取及计算分析方法

现代高层建筑多为大底盘多塔楼式建筑群，由于上部结构荷载差异巨大，导致基底反力相差很大，因此，对基础而言，应根据不同的上部结构型式、荷载大小、地基的承载力及刚度等采用不同的基础型式。目前高层建筑中比较常用的基础型式有：筏板基础、箱型基础、桩筏基础和桩箱基础等。在石家庄地区筏板基础是应用最多的一种基础型式，因此，就筏板基础的有关问题进行讨论。

a) 平板式筏板基础和梁板式筏板基础的适用范围。相邻柱间距及柱荷载差别较小时适用平板式筏板基础，反之则宜采用梁板式筏板基础。此外，底板标高变化较多时宜采用平板式筏板基础。通常，在材料用量相当的情况下，梁板式筏板基础的刚度较平板式筏板基础大。

b) 梁高、板厚的选取及计算方法。计算筏板基础时，目前常用的方法有“倒楼盖”法、弹性地基梁板方法和有限元分析方法。其中“倒楼盖”是一种传统方法，按该法进行基础设计时，基础内力按基底反力直线分布进行计算。按《建筑地基基础设计规范》的要求进行计算时，要求地基土比较均匀、上部结构刚度较好、荷载分布比较均匀、梁板式筏板基础梁的高跨比或平板式筏板基础的厚跨比不小于 1/6，当不满足上述要求时应按弹性地基梁板计算。

c) 基础底板抗冲切验算及抗剪切计算。按《规范》规定，梁板式筏基底板应满足受冲切承载力和受剪切承载力的要求，通过对跨度从6～10m、长宽比从1～3、板厚从400～1000mm 变化的梁板式筏基底板的计算来看，梁板式筏基底板都是受冲切承载力起控制作用，因此一般的梁板式筏基底板可以不进行底板受剪切承载力的验算。对于平板式筏基而言，底板的柱下及核心筒边的抗冲切验算则必不可少，且应考虑不平衡弯矩的作用，尤其是边柱和角柱。

d) 采用平板式筏板基础时，宜设置平面尺寸较大的柱帽。设置柱帽有以下优点：解决底板抗冲切问题；减小底板的计算跨度；减小支座负筋。

5 结语

现代高层建筑由于地下工程庞大，建设工程在地下的投资已经接近甚至超过了地上，因此无论是从技术还是从经济的角度讲都需要我们更深入地研究地下室结构设计的技术问题，提高设计水平，真正做到技术与经济同步、安全与适用协调。

的空间结构存在着比较大的差异。建筑设计师在进行建筑设计时，对于建筑的使用者没有进行全面地了解，进行建筑设计时也没有根据使用者要求进行修正，这样就很容易造成一些已经建设的建筑需要进行大量补充、修复、拆除，也就造成了不必要的时间、财力、物力、人力的浪费。

4.1 经济因素对建筑规划与建筑设计的影响

经济因素对建筑规划与建筑设计的影响。每一栋建筑都是在一定的经济条件下进行的，都要求有一定的使用年限，要想在一定的时限内能够很好地进行使用，就需要建造者进行一定的资金投入，对建筑师和规划师的能力是一种挑战。

4.2 我国的建筑设计比较偏重于共性的设计

我国的建筑设计内部更多地是共性东西的体现，建筑的外形侧重于色彩的渲染以及外形的设计，而对于比较细致的设计是靠二次室内设计。目前，人们越来越追求个性的发展，但是目前的普遍模式已经不能满足人们的差异化需求。

4.3 一些建造者进行了强制干涉

一些建造者可能是投资人、管理者、业主，有权利对指导思想的制定和方案的审批。同时建造者是可以参与到建筑设计，也可能就是使用者，但是最好不要进行强制干涉，尽可能不要去参与，可以提出一些可行性建议。虽然一些业主有较强的能力，但是对于一些设计概念还不能够正确认识，还不能够从整体设计进行宏观性地把握。如果建造者进行强加干涉就会对设计方案缺乏连贯性和一致性，造成设计方案不成功。

4.4 建筑的直接使用人应当参与建筑任务书的拟订

建筑设计任务书是建筑设计的一个比较重要的依据，业主对拟建的一些功能要求都是通过建筑任务书进行反映的，但是直接的使用者一般都没有参与建筑任务书。不管是开发工厂、办公大楼、住宅小区等其他公共建筑，一般由管理者和开发商完成建筑任务书的拟定。由于他们并不是最终的使用者，最终使用者的需求会与他们设计的建筑物存在着一定的差距。

5 认真做好建筑规划与建筑设计的科学协调

建筑设计与建筑规划是不能割裂的，两者所设计的知识是交叉的，在统一建筑中涉及建筑规划和建筑设计。在进行建筑规划设计时，两者是相互渗透的，它们是设计过程的两个阶段，规划师进行建筑规划时建筑物的功能要有拓展性、前瞻性，要考虑以后发展空间，还要满足目前的需要。每一栋建筑反映着地域特色，要考虑地域的和谐和特点，完成社会功能。建筑规划与建筑设计都包含着建筑布局的设计，要运用一定的技术手段完成建筑物的形体设计。

6 结语

建筑规划和建筑设计由于受到文化、技术、经济、社会以及自身特性等很多因素的制约，不可能做到非常完美，但是设计存在的一些问题也是可以通过科学设计进行避免的。要加强对建筑规划与建筑设计的联系的正确认识，两者要认真做到科学地协调，避免不必要的浪费和损失，减少设计的缺陷，使设计尽可能地完美。

参考文献：

[1]郭欣.浅谈建筑规划与建筑设计的联系与协调[J].山西建筑,2007,33(1).

[2]李曙强.浅谈建筑设计与建筑规划之间的联系[J].城市建设理论研究,2011(29).

[3]罗绍柱.浅析城市规划与建筑设计的联系与协调[J].城市建设理论研究,2012(4).

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