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摘要：本文主要分析了高层建筑地下室结构设计中一些主要问题，阐述了在当前形势下，加强对高层建筑地下室设计的重要性，针对目前在地下室设计工作中存在的结构设计问题进行研究，总结和归纳自身多年工作经验，提出一些加强地下室结构关键环节设计的对策和应注意的问题。
关键词：高层建筑;地下室结构设计;抗浮设计;超长结构
随着技术、经济等方面不断发展，人们对空间需求的不断增长，现代高层建筑地上高度、地下层数不断增加，大底盘地下室在整个建设项目中所占的比重越来越大。高层建筑地下室结构设计作为整个高层建筑设计中最重要的组成部分，是一项十分复杂且重要的工作，由于地下工程材料消耗大、建造周期长、施工难度大，因此地下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。因此，探讨、分析高层建筑地下室结构设计工作中存在的问题具有重要的作用和意义，只有建筑设计工作人员重视工作中存在的问题，最终，才能认清工作存在问题的根本原因，并积极寻找解决结构中关键环节设计的应对对策，从而解决工作中存在的问题，提高整个高层建筑地下室结构设计工作的水平和质量。地下室结构的设计主要技术问题有：荷载的取值、结构超长的处理、抗浮抗渗、人防设计、计算方法、基础选型和地基承载力及变形问题等等。本文结合笔者有限的工程经验、以地下室结构设计中的技术问题为主线，简要归纳总结地下室结构设计中的关键环节。
一、地下室的常见荷载
地下室结构顶板常见荷载包括：楼面使用荷载、首层楼面施工荷载，消防车荷载、覆土自重及上部建筑自重等等;地下室结构底板常见荷载包括：水反力，车库活载、电房设备自重、消防水池水池等等;人防設计时还应考虑核爆动荷载。其次地方规程亦有涉及荷载的要求，比如：广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》DBJ-15-92-2013第4.1.2条：首层楼面施工荷载不宜小于10kN/㎡。构件承载力验算时，施工荷载的分项系数可取1.0。业主或施工单位对施工荷载有特别要求时，可按其要求采用。2009年版《全国民用建筑工程设计技术措施》结构篇第2.1.2中补充荷载要求，室内地下室顶板须考虑施工时堆放材料或作临时工场的荷载，该荷载宜控制在5 kN/㎡以内，计算地下室外墙时，其室外地面荷载取值不宜低于10 kN/㎡。因此，在进行结构设计时应根据各项目具体情况，结合规范给出的荷载组合进行设计。
二、地下室结构平面设计
高层建筑地下室常常作为设备用房、停车库等使用功能，在设计的时候不仅要考虑人防要求，还要考虑水、电、通风等专业要求。地下室做为车库时首先必须满足车库的最小净高要求，注意设备专业的管道（特别是通风的风管）对净高的影响;其次地下车库内应考虑框架柱平面内的净宽要求，以满足停车位的使用要求，考虑停车的净宽方向尽量不要增加尺寸;车库入口坡道应表达清楚起始位置，车道标高、变坡处以及高差位置的处理等等;采用机械停车时，应配合甲方所提供的机械停车资料进行设计;有条件时可以考虑在柱角预埋角钢护角。当地下室作为设备用房时，应注意生活用水池要求与主体结构脱开;吸水槽、集水井、电房的电缆沟、凹槽应考虑避开承台进行布置，排水沟有条件情况下也可以考虑避开承台;电房应满足最小净高使用要求等;顶板预留空调机风井，避免后凿。另外地下室在设计的时候还需要可虑防水抗渗的要求，因此地下室结构应尽量避免设置变形缝。
三、地下室结构外墙设计
在地下室外墙位置，既可能存在上部结构延伸下来的柱、剪力墙等竖向构件，又可能有本身地下室结构需要布置的扶壁柱，还有可能存在钢筋混凝土内墙与外墙垂直相交，地下室外墙配筋计算的重点在于分清模拟计算模型和边界条件的选取。笔者认为：只有高层建筑的地下室外墙带较大尺寸扶壁柱（如高层建筑外框架柱），或有垂直于外墙的钢筋混凝土墙与之相接，外墙考虑按双向板计算才是恰当的，且对高层建筑外墙扶壁柱还需考虑外墙水平荷载对柱的作用，其内外侧主筋也应予以适当加强。其它情况则应按单向板计算，这样计算简图才符合结构的实际工作情况。常用的单向板计算简图为：以地下室顶（楼）板、底板为外墙支撑点，取单位宽度的外墙，视地下室层数，按单跨或多跨连续板进行计算。外墙的支承条件，按外墙与周边构件刚度比确定。当外墙厚度大于周边构件厚度按简支，反之按固端考虑。当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大小一样，底板的抗弯能力不应小于侧壁，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。地面层开洞位置（如楼梯间）外墙顶部无楼板支撑，计算模型和配筋构造均应与实际相符。
四、地下室结构底板与基础设计
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、桩筏桩箱基础、以及普通的独立承台桩基础等等。地下室底板设计除了与地下室结构外墙设计相同外，还应考虑承载能力、抗渗、防水能力，如果结构基础采用的是桩箱或桩筏，还要对底板抗冲切、抗弯以及局部受压承载能力等进行充分考虑，看其是否满足设计的目的。广东地区高层建筑结构通常采用独立承台桩基+防水地下室底板的基础形式，桩的形式有多种，机械成孔灌注桩、PHC桩及人工挖孔灌注桩均有采用。进行基础设计时应注意以下几点：
1、采用估算的承载力特征值进行设计，最终应采用试验桩确定单桩竖向抗压承载力特征值。
2、挤土效应很大的场地，采用锤击桩或静压桩应采取减少挤土效应的措施，群桩承载力须考虑承载力的折减。 3、带裙房的高层建筑中，应考虑主体与裙房之间的沉降影响。
4、地质情况有难以穿越的砂层，必要时应采用引孔送桩法。
5、承台作用地下室底板的水反力作用下的柱帽，应考虑承台与地下室防水底板的共同作用。
五、地下室抗浮措施
广东地区的地下水位相对于北方城市较高，雨水量丰富，因此，还要提高对其地下室抗浮设计工作的重视度。在进行地下室抗浮设计的时候，要根据当地地下水位及其变幅相进行相结合。通常我们在进行现阶段的地下室抗浮设计时，大部分都仅是考虑正常使用时的极限状态，而忽略了在进行施工的过程或是洪水期等特殊时期的抗浮要求，因此，在实际的建设过程中，常常会出现因为抗浮能力不足而引起的局部破坏的现象。同时，在进行地下室的实际建设过程中，还存在着多栋高低不同的建筑使用同一个地下室的状况，而这种类型的地下室通常都有面积过大、形状不规则、建筑物分布不均匀等特点，因此，这种类型的地下室抗浮设计难度相对较大，设计人员要结合实际的情况进行分类处理。针对此种情况，应采取以下措施：
（1）在满足使用功能要求净高的前提下，尽可能提高地下室底板的设计标高，降低抗浮设防水位。
（2）采用非传统的楼盖形式，提倡使用宽扁梁、预应力、无梁楼盖或空心楼盖。较之传统的主次梁楼盖形式，可以有效的减少结构自重及降低主梁的截面高度，从而降低地下室的层高和抗浮设防水位。
（3）设置抗拔桩、抗拔锚杆。应从结构整体抗浮作用，将抗拔桩、抗拔錨杆集中布置于竖向构件处，与基础承台联合考虑，同时应验算地下室底板的水反力作用下的受力及配筋。由于地下水位常年处于非地下室抗浮水位，抗拔桩实际上长期起着处于受压的作用，抗拔桩应具有一定的安全储备，同时验算正常作用情况下的桩身竖向承载力作用。
（4）增加地下室结构板厚或地下室顶板覆土层厚度，采用增加结构自重的方法来抵抗水浮力，是解决地下室抗浮问题的一个最直接有效的方法，但此方法一方面会导致基础和结构成本增加，另一方面解决抗浮问题的效果也是有限的，需要进行成本综合比较方可采用。
六、超长结构处理方法
地下室结构除了应满足承载能力的使用要求外，还应该保证能够进行正常的使用。当大底盘地下室整体超长时，应采取适当措施，防止楼板浇筑后的混凝土自身收缩及使用期间热胀冷缩引起的结构收缩裂缝，加强结构的抗渗抗开裂性能。超长结构处理方法通常采用以下几种方法：
1、采用补偿收缩混凝土（即混凝土中渗入UEA、HEA等微膨胀剂）。超长地下室，由于混凝土量较多，体型较大，混凝土浇筑完成后，混凝土的表面容易产生因混凝土凝固过程中收缩裂缝，针对此种问题，我们通常会使用掺加微膨胀剂的混凝土的方式，来抵消混凝土的收缩值，用以控制裂缝的产生。
2、设置后浇带。地下结构采用变形缝诸多弊端，无法处理防水问题，设置后浇带与传统的变形缝相比，有助于混凝土释放早期浇筑后的约束力，同时避免防水问题。
3、设置膨胀加强带。在进行混凝土的浇筑过程中，设置膨胀带可以与混凝土中的膨胀剂一起对裂缝进行补偿收缩，还能够让混凝土进行连续浇筑，从而实现无缝施工的目的。
4、提高钢筋混凝土结构构件的抗拉能力。在进行地下室结构设计时，可以结合混凝土结构构件的实际情况进行适当的添加抗变形钢筋。例如，可以在地下室外墙上进行水平向温度钢筋的设置，在侧墙中部进行水平暗梁的设置，用以抵抗墙体各位之间混凝土膨胀收缩的差异性。
5、采用抗渗混凝土。抗渗混凝土应根据水头的高度来采用，混凝土等级不应低于C25。
6、采用低强底等级混凝土，粉煤灰混凝土等等。
七、地下结构的构造要求
地下结构构造要求在不同的结构均有涉及，其中主要的规范规定如下：《地下工程防水技术规范》GB50108-2008规定：处于地下工程防水混凝土底板的混凝土垫层，其保护层能低于C15，而厚度则不能低于100mm，软土层中的厚度不能低于150mm;相应的防水混凝土结构的厚度不能低于250mm，迎水面钢筋保护层厚度不应小于50mm;《建筑抗震设计规范》GB50011-2010与《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010规定：作为上部结构嵌固部位的地下室楼盖的混凝土强度等级不宜低于C30，且应采用梁板结构、楼板厚度不宜小于180mm，应采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%，普通地下室顶板厚度不宜小于160mm。
结束语
综上所述，在高层建筑地下室结构设计中，结构设计人员需要考虑的因素较多，应不断的进行学习总结，掌握地下室结构设计的要点，配合不同的专业要求，提高设计的水平，才能真正做到技术与经济同步、安全与适用协调，笔者希望更多的专业人士能投入到该课题研究中，针对文中存在的不足，提出指正建议，为提高我国高层建筑地下室结构设计工作做出重要的贡献。
参考文献：
[1]周荣亮.关于高层建筑地下室结构设计关键环节的讨论[J].科技视界，2014，06：290.
[2]吴仲平.基于高层建筑地下室结构设计的分析[J].广东建材，2012，05：54-55.
[3]于永杰.浅谈建筑结构地下室设计要点[J].科技风，2012，24：160.
关键词：高层建筑;地下室结构设计;抗浮设计;超长结构
随着技术、经济等方面不断发展，人们对空间需求的不断增长，现代高层建筑地上高度、地下层数不断增加，大底盘地下室在整个建设项目中所占的比重越来越大。高层建筑地下室结构设计作为整个高层建筑设计中最重要的组成部分，是一项十分复杂且重要的工作，由于地下工程材料消耗大、建造周期长、施工难度大，因此地下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。因此，探讨、分析高层建筑地下室结构设计工作中存在的问题具有重要的作用和意义，只有建筑设计工作人员重视工作中存在的问题，最终，才能认清工作存在问题的根本原因，并积极寻找解决结构中关键环节设计的应对对策，从而解决工作中存在的问题，提高整个高层建筑地下室结构设计工作的水平和质量。地下室结构的设计主要技术问题有：荷载的取值、结构超长的处理、抗浮抗渗、人防设计、计算方法、基础选型和地基承载力及变形问题等等。本文结合笔者有限的工程经验、以地下室结构设计中的技术问题为主线，简要归纳总结地下室结构设计中的关键环节。
一、地下室的常见荷载
地下室结构顶板常见荷载包括：楼面使用荷载、首层楼面施工荷载，消防车荷载、覆土自重及上部建筑自重等等;地下室结构底板常见荷载包括：水反力，车库活载、电房设备自重、消防水池水池等等;人防設计时还应考虑核爆动荷载。其次地方规程亦有涉及荷载的要求，比如：广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》DBJ-15-92-2013第4.1.2条：首层楼面施工荷载不宜小于10kN/㎡。构件承载力验算时，施工荷载的分项系数可取1.0。业主或施工单位对施工荷载有特别要求时，可按其要求采用。2009年版《全国民用建筑工程设计技术措施》结构篇第2.1.2中补充荷载要求，室内地下室顶板须考虑施工时堆放材料或作临时工场的荷载，该荷载宜控制在5 kN/㎡以内，计算地下室外墙时，其室外地面荷载取值不宜低于10 kN/㎡。因此，在进行结构设计时应根据各项目具体情况，结合规范给出的荷载组合进行设计。
二、地下室结构平面设计
高层建筑地下室常常作为设备用房、停车库等使用功能，在设计的时候不仅要考虑人防要求，还要考虑水、电、通风等专业要求。地下室做为车库时首先必须满足车库的最小净高要求，注意设备专业的管道（特别是通风的风管）对净高的影响;其次地下车库内应考虑框架柱平面内的净宽要求，以满足停车位的使用要求，考虑停车的净宽方向尽量不要增加尺寸;车库入口坡道应表达清楚起始位置，车道标高、变坡处以及高差位置的处理等等;采用机械停车时，应配合甲方所提供的机械停车资料进行设计;有条件时可以考虑在柱角预埋角钢护角。当地下室作为设备用房时，应注意生活用水池要求与主体结构脱开;吸水槽、集水井、电房的电缆沟、凹槽应考虑避开承台进行布置，排水沟有条件情况下也可以考虑避开承台;电房应满足最小净高使用要求等;顶板预留空调机风井，避免后凿。另外地下室在设计的时候还需要可虑防水抗渗的要求，因此地下室结构应尽量避免设置变形缝。
三、地下室结构外墙设计
在地下室外墙位置，既可能存在上部结构延伸下来的柱、剪力墙等竖向构件，又可能有本身地下室结构需要布置的扶壁柱，还有可能存在钢筋混凝土内墙与外墙垂直相交，地下室外墙配筋计算的重点在于分清模拟计算模型和边界条件的选取。笔者认为：只有高层建筑的地下室外墙带较大尺寸扶壁柱（如高层建筑外框架柱），或有垂直于外墙的钢筋混凝土墙与之相接，外墙考虑按双向板计算才是恰当的，且对高层建筑外墙扶壁柱还需考虑外墙水平荷载对柱的作用，其内外侧主筋也应予以适当加强。其它情况则应按单向板计算，这样计算简图才符合结构的实际工作情况。常用的单向板计算简图为：以地下室顶（楼）板、底板为外墙支撑点，取单位宽度的外墙，视地下室层数，按单跨或多跨连续板进行计算。外墙的支承条件，按外墙与周边构件刚度比确定。当外墙厚度大于周边构件厚度按简支，反之按固端考虑。当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大小一样，底板的抗弯能力不应小于侧壁，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。地面层开洞位置（如楼梯间）外墙顶部无楼板支撑，计算模型和配筋构造均应与实际相符。
四、地下室结构底板与基础设计
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、桩筏桩箱基础、以及普通的独立承台桩基础等等。地下室底板设计除了与地下室结构外墙设计相同外，还应考虑承载能力、抗渗、防水能力，如果结构基础采用的是桩箱或桩筏，还要对底板抗冲切、抗弯以及局部受压承载能力等进行充分考虑，看其是否满足设计的目的。广东地区高层建筑结构通常采用独立承台桩基+防水地下室底板的基础形式，桩的形式有多种，机械成孔灌注桩、PHC桩及人工挖孔灌注桩均有采用。进行基础设计时应注意以下几点：
1、采用估算的承载力特征值进行设计，最终应采用试验桩确定单桩竖向抗压承载力特征值。
2、挤土效应很大的场地，采用锤击桩或静压桩应采取减少挤土效应的措施，群桩承载力须考虑承载力的折减。 3、带裙房的高层建筑中，应考虑主体与裙房之间的沉降影响。
4、地质情况有难以穿越的砂层，必要时应采用引孔送桩法。
5、承台作用地下室底板的水反力作用下的柱帽，应考虑承台与地下室防水底板的共同作用。
五、地下室抗浮措施
广东地区的地下水位相对于北方城市较高，雨水量丰富，因此，还要提高对其地下室抗浮设计工作的重视度。在进行地下室抗浮设计的时候，要根据当地地下水位及其变幅相进行相结合。通常我们在进行现阶段的地下室抗浮设计时，大部分都仅是考虑正常使用时的极限状态，而忽略了在进行施工的过程或是洪水期等特殊时期的抗浮要求，因此，在实际的建设过程中，常常会出现因为抗浮能力不足而引起的局部破坏的现象。同时，在进行地下室的实际建设过程中，还存在着多栋高低不同的建筑使用同一个地下室的状况，而这种类型的地下室通常都有面积过大、形状不规则、建筑物分布不均匀等特点，因此，这种类型的地下室抗浮设计难度相对较大，设计人员要结合实际的情况进行分类处理。针对此种情况，应采取以下措施：
（1）在满足使用功能要求净高的前提下，尽可能提高地下室底板的设计标高，降低抗浮设防水位。
（2）采用非传统的楼盖形式，提倡使用宽扁梁、预应力、无梁楼盖或空心楼盖。较之传统的主次梁楼盖形式，可以有效的减少结构自重及降低主梁的截面高度，从而降低地下室的层高和抗浮设防水位。
（3）设置抗拔桩、抗拔锚杆。应从结构整体抗浮作用，将抗拔桩、抗拔錨杆集中布置于竖向构件处，与基础承台联合考虑，同时应验算地下室底板的水反力作用下的受力及配筋。由于地下水位常年处于非地下室抗浮水位，抗拔桩实际上长期起着处于受压的作用，抗拔桩应具有一定的安全储备，同时验算正常作用情况下的桩身竖向承载力作用。
（4）增加地下室结构板厚或地下室顶板覆土层厚度，采用增加结构自重的方法来抵抗水浮力，是解决地下室抗浮问题的一个最直接有效的方法，但此方法一方面会导致基础和结构成本增加，另一方面解决抗浮问题的效果也是有限的，需要进行成本综合比较方可采用。
六、超长结构处理方法
地下室结构除了应满足承载能力的使用要求外，还应该保证能够进行正常的使用。当大底盘地下室整体超长时，应采取适当措施，防止楼板浇筑后的混凝土自身收缩及使用期间热胀冷缩引起的结构收缩裂缝，加强结构的抗渗抗开裂性能。超长结构处理方法通常采用以下几种方法：
1、采用补偿收缩混凝土（即混凝土中渗入UEA、HEA等微膨胀剂）。超长地下室，由于混凝土量较多，体型较大，混凝土浇筑完成后，混凝土的表面容易产生因混凝土凝固过程中收缩裂缝，针对此种问题，我们通常会使用掺加微膨胀剂的混凝土的方式，来抵消混凝土的收缩值，用以控制裂缝的产生。
2、设置后浇带。地下结构采用变形缝诸多弊端，无法处理防水问题，设置后浇带与传统的变形缝相比，有助于混凝土释放早期浇筑后的约束力，同时避免防水问题。
3、设置膨胀加强带。在进行混凝土的浇筑过程中，设置膨胀带可以与混凝土中的膨胀剂一起对裂缝进行补偿收缩，还能够让混凝土进行连续浇筑，从而实现无缝施工的目的。
4、提高钢筋混凝土结构构件的抗拉能力。在进行地下室结构设计时，可以结合混凝土结构构件的实际情况进行适当的添加抗变形钢筋。例如，可以在地下室外墙上进行水平向温度钢筋的设置，在侧墙中部进行水平暗梁的设置，用以抵抗墙体各位之间混凝土膨胀收缩的差异性。
5、采用抗渗混凝土。抗渗混凝土应根据水头的高度来采用，混凝土等级不应低于C25。
6、采用低强底等级混凝土，粉煤灰混凝土等等。
七、地下结构的构造要求
地下结构构造要求在不同的结构均有涉及，其中主要的规范规定如下：《地下工程防水技术规范》GB50108-2008规定：处于地下工程防水混凝土底板的混凝土垫层，其保护层能低于C15，而厚度则不能低于100mm，软土层中的厚度不能低于150mm;相应的防水混凝土结构的厚度不能低于250mm，迎水面钢筋保护层厚度不应小于50mm;《建筑抗震设计规范》GB50011-2010与《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010规定：作为上部结构嵌固部位的地下室楼盖的混凝土强度等级不宜低于C30，且应采用梁板结构、楼板厚度不宜小于180mm，应采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%，普通地下室顶板厚度不宜小于160mm。
结束语
综上所述，在高层建筑地下室结构设计中，结构设计人员需要考虑的因素较多，应不断的进行学习总结，掌握地下室结构设计的要点，配合不同的专业要求，提高设计的水平，才能真正做到技术与经济同步、安全与适用协调，笔者希望更多的专业人士能投入到该课题研究中，针对文中存在的不足，提出指正建议，为提高我国高层建筑地下室结构设计工作做出重要的贡献。
参考文献：
[1]周荣亮.关于高层建筑地下室结构设计关键环节的讨论[J].科技视界，2014，06：290.
[2]吴仲平.基于高层建筑地下室结构设计的分析[J].广东建材，2012，05：54-55.
[3]于永杰.浅谈建筑结构地下室设计要点[J].科技风，2012，24：160.