王媛
贵州省城乡规划设计研究院
摘要：建筑地下室的设计非常复杂，地下部分的结构设计工作往往会成为整个结构设计工作的重中之重。在建筑物的地下室部分往往包含有车库、车道板，各种设备机房、消防水池、等多种功能性用房，有些还含有人防地下室，在商业综合体的地下室甚至还会设置影院、超市等，功能非常复杂。由于其下部与基础相连，上部承接建筑物主体部分，结构受力复杂，场地条件、上部结构类型、基础选型都会对其造成很大影响，需要精心设计，寻求最合理经济的结构体系。功能复杂性势必带来荷载多样化，各种荷载的合理取值，合理组合也需要仔细甄别考量，各种工况都考虑到。由于地下室的各种复杂要素，计算下来土建造价会远远高于上部主体结构，出于对成本的控制要求，也需要设计师对规范要求深入准确的理解，该考虑的荷载一律不能遗漏，但是可以折减可以优化的，应按照规范做相应的调整，兼顾结构安全与经济性。
关键词：结构设计；地下室；山区
1.场地
贵州山区的地质条件往往会比较复杂，地势高差大，岩土构成差异大，特有的喀斯特地貌岩溶发育强，地表水汇集后对建筑物影响大。所以在设计时，应充分考虑场地的稳定性、环境边坡、水文地质条件等。结构设计之初就应对选址深入分析研究，如果遇到不利和危险地段，积极与业主单位进行沟通，阐明危害性，供业主决策。山地建筑的场地勘察应有场地稳定性评价、边坡稳定性评价和防治方案建议，根据现场实际条件设置安全可靠的边坡工程，先治坡后建房。建于山地上的建筑，应根据抗震规范估计不利地段对设计地震动参数可能产生的放大作用，考虑水平地震影响系数最大值的增大系数（1.1~1.6）。做总图设计时尽量不高挖深填，而是随地势打造出局部的平整环境，避免出现吊脚、掉层的结构，保证高层建筑的塔楼范围的基底能位于同一水平面上，降低设计难度，也争取结构的规则性，对抗震有利。工程建设改变了地貌，地表水和地下水的流向和水位也会随之变化，勘察设计时也许并未发现地下水，但山洪爆发时有可能会在建设地点汇集形成盆池效应，所以山地建筑的总平面设计时就应充分注意到防洪的问题，设置截水沟或暗沟，疏导或截断场地内的地表水，并合理确定抗浮水位。
2.嵌固端的判断
在贵州建设的实际工程中常有位于边坡上的建筑，当建筑地下室外墙过于靠近边坡边缘时，其实边坡土体不一定能够有效限制地下室达到嵌固端的要求。需要设计师仔细考量。有专家提出为保证边坡土体对嵌固端的有效约束，土体水平尺寸a应大于1.0倍从嵌固端层算起的地下室高度H（a>H）,地下室底板高处的土体尺寸b大于1.5倍从嵌固端层算起的地下室高度H（b>1.5H）。不满足条件时，嵌固端应下移。
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贵州山地建筑经常会出现较大的高差，地下室会出现临空面，由于缺乏周围土体的约束，不能满足水平位移和转角为零的基本条件，此时地下室顶板不能再作为嵌固端使用，嵌固端应下移。抗震规范6.1.14条文说明中指出“在山（坡）地建筑中出现地下室各边埋填深度差异较大时，宜单独设置支挡结构”，条件允许时应当执行。设置支护结构后，地下室可不设置混凝土外墙，这样可以减少结构单侧设置混凝土剪力墙带来的扭转效应。但由于地下室出现临空面，实际上成为了大底盘多塔楼结构，增加了结构的复杂性，在计算和设计时应该把这个不利因素考虑进去。当不能设置永久支护结构，而是在覆土侧设置了混凝土外墙时，应考虑单侧土压力对建筑的稳定性造成的影响。宜在覆土侧设置垂直于地下室外墙的钢筋混凝土墙，把土压力安全传递到基础。设计师还应注意调整结构的布置来减少单侧混凝土外墙带来的结构扭转。如在背坡面也增加相应的钢筋混凝土墙体来平衡扭转。
贵州山地建筑中三面填土一面临空的地下室上布置有多塔楼情况时，容易出现塔楼偏置的情况。《高层建筑混凝土结构技术规程》10.6.3条规定“上部塔楼结构的综合质心与底盘结构质心的距离不宜大于底盘相应边长的20%”，很多的山地建筑物都不能满足该条，而成为塔楼偏置的特别不规则情况，按照《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，应进行超限审查。但是，当地下室周边填土与地下室外墙紧密接触，回填的质量较高时，地下室顶板虽然不能考虑为嵌固端，可是回填土对地下室的约束作用是客观存在的，地下室顶板的扭转事实上已经被约束，应考虑其有利贡献。中国建筑西南设计院的《结构技术统一措施》中给出了对这一有利影响的具体说明：当大底盘地下室三面有土体约束一面临空，但其中垂直临空面的两边未能全长覆土，当覆土长度不小于该边地下室边长的2/3且塔楼位于地下室的三面全覆土范围时，可不考虑塔楼综合质心与大底盘质心偏心的影响。
3.地下室的结构体系
参考以上论述，当有条件时，应尽量选择地下室的顶板作为为嵌固端，因为这样比较经济，受力也合理。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》和《建筑抗震设计规范》，当作为上部结构的嵌固部位的地下室楼层楼层的顶楼盖应采用现浇梁板结构，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%。地下室相关部位与首层的等效剪切刚度比（γ=G1A1h2 /G2A2h1 ） 不宜小于2。并且规范也对地下室顶板对应于地上框架柱的梁柱节点设计做了详细的配筋要求（详高规）。当满足以上条件的地下室顶板，即可作为上部结构的嵌固端，进行结构设计和计算。
当地下一层的刚度不能满足嵌固层的要求时，规范没有明确规定。但考虑其实际存在的约束作用，构造仍应按照嵌固层的要求设置。结构的底部加强区高度应从室外地面算起并延伸至嵌固端。
有时由于各种原因，地下室顶板须设计为厚板结构，个人以为，在上部结构相关范围内还是应该执行高规3.6.3的要求设计为梁板结构体系。相关范围指上部结构外扩三跨且不大于20米距离范围。其他范围可以采用厚板结构。但鉴于近年来地下室顶板坍塌事故频发，究其原因，多半是地下室顶板的厚板结构抗冲切能力不够所致，由于地下室顶板受荷巨大，在做设计时要尤为谨慎。
4.基础埋置深度
规范对建筑物的基础埋深做了限制，目的是为了保证建筑能有效的抗倾覆和抗滑移。高层建筑的埋深，天然地基或复合地基不宜小于建筑物高度H的1/18~1/15，桩基可取为H/(18~20)（不计桩长）,岩石地基上的建筑，在满足地基承载力、稳定性的前提下埋置深度可适当减少。多层建筑不小于0.5米。膨胀土地基上的基础埋深应还大于大气影响深度。基础埋置深度从室外地面算起，天然地基算至基础底面，桩基础算至承台底面。贵州山地建筑较多，当四周地面标高不同时，应以室外最低标高起算，高差大的场地常常会出现基础埋置深度不够的情况。参考中国建筑设计有限公司2018版《结构设计统一技术措施》，埋深不够时宜按照中震验算建筑物的稳定性和抗滑移。
5.地下室的荷载
地下室顶板填土厚度较大时，尽量避免素土回填，可与甲方协商采用容重较轻的轻型材料，从而减小地下室顶板的梁断面。
一般情形下地下室外墙侧向压力计算时，可按静止土压力计算，静止土压力系数0.5。当设置护坡桩或连续墙后，可对静止土压力进行折减，折减系数取0.66。荷载规范把土压力归为永久荷载，荷载分项系数取1.3。中国建筑设计院有限公司的《结构技术统一措施》建议，正常使用极限状态验算时，可按主动土压力计算。
荷载规范把水压力也归为永久荷载，这条不能一概而论：当地下水位比较稳定时，可按永久荷载考虑，其分项系数取1.3；当地下水位变化剧烈时，就应按照可变荷载考虑，其分项系数应取1.5。地下水位也应区别选取，承载能力计算时，地下水位按抗浮设计水位确定；正常使用极限状态时地下水位应按常见水位计算即可。中国建筑西南设计院的《结构技术统一措施》中提到，地下室底板、外墙计算裂缝宽度时，参考《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332相关规定，地下水的准永久系数ψq按以下方法确定：当采用平均水位时取1.0，当采用最高水位时可取平均水位与最高水位的高度之比且不小于0.7。实际工程中很多设计师直接用最高水位的标准组合值计算裂缝，过于保守了。
地下室顶板常作用有消防车荷载，其数值虽然大，但是作用时间短，而且取值较为复杂，是地下室设计中的重点和难点之一。首先，消防车活荷载分板跨取值：单向板板跨介于2m~4m之间时，在35~25KN/m2线性插值确定；双向板板跨介于3m~6m之间时，在35~20KN/m2线性插值确定。其次还要按照《建筑结构荷载规范》GB50009-2012附录B考虑覆土厚度进行折减。考虑板顶覆土厚度影响后的消防车等效均布活荷载可按下表直接取值：
第三，当等效均布活荷载取值确定之后，设计梁、柱、墙和基础时，还应进行荷载折减：单向板楼盖的次梁和槽形板的纵肋应取0.8，对单向板主梁取0.6，双向板楼盖的梁取0.8；柱墙设计时按实际情况考虑，可按参考梁的取值；基础可不考虑。第四，消防车荷载的准永久系数ψq为0，意味着可不考虑消防车荷载对构件挠度及裂缝的影响。第五,消防车经常出入的场所，例如消防站等，应按实际情况考虑荷载的折减，也应计入其对构件挠度及裂缝的影响，基础计算时也应考虑。
5.抗浮验算
结构的抗浮验算可按公式 W/F≥1.05（W-地下室自重及其上永久荷载标准值 ，F-地下水浮力标准值）来进行计算。整体抗浮验算不够时，可采用设置抗浮锚杆或抗浮桩的措施，局部抗浮不满足时可增加配重。抗浮计入的上部永久荷载不包含装修荷载以及机电设备等重量。贵州山区的地下室常位于不透水或弱透水基岩上，此时应注意使用期间有可能地表水渗入基坑形成盆池效应，造成底板反拱、地下室外墙开裂，影响使用。可在底板下设置盲沟和积水坑，将水及时排走。
6.总结
近年来随着城市用地紧张，和停车的需求，建筑物几乎都会设置地下室。鉴于贵州山区特殊的地形和地质条件，对地下室要仔细区别具体情况，分类进行设计。山地建筑的场地稳定性尤为重要，应在设计之初就仔细研究，提出具体方案，对场地先进行治理后才能修建房屋,并应充分考虑不利地段的地震力放大系数。根据实地情况判断出地下室的嵌固端位置，结合上部建筑设计出合理的结构方案，并取用符合实际情况的各项荷载进行计算。最后，由于山地地势的特殊性，根据工程的实际情况，可能需要对建筑物做抗滑移、抗倾覆、抗浮等验算。把握好以上各个环节，精细设计，才能得出合理、可靠、经济的建筑作品。
参考文献
[1] GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京.中国建筑工业出版社，2016
[2] JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京.中国建筑工业出版社，2011
[3] 中国建筑西南设计研究院有限公司 结构设计统一技术措施 .北京.中国建筑工业出版社，2020
[4] 中国建筑设计院有限公司 结构设计统一技术措施 .北京.中国建筑工业出版社，2018