柱帽式筏板基础地下室结构设计的探究

摘要：建筑技术的成熟和城市用地成本的上升，使得建筑地下空间资源得到了开发利用，尤其是在建筑物比较密集的区域，合理利用地下空间建设商场、停车场，既可以实现土地资源的集约化利用，又能够进一步增加房地产开发企业的经济效益。但是建筑地下室施工由于结构的特殊性和环境的隐蔽性，面临许多技术难题。柱帽式筏板基础具有环境适应性强、经济性价比高、结构安全可靠等特点，在现代高层建筑的地下室施工中有着广泛应用。本文结合某工程实例，就柱帽式筏板基础地下室结构设计要点展开了简要分析。

关键词：柱帽；筏板基础；地下室；结构设计

1 柱帽式筏板基础的优势分析

1.1 提高了地基承载力

作为建筑整体结构的重要组成部分，地下室结构还发挥着承载建筑上部荷载、维护建筑整体稳定的作用。尤其是在一些高层建筑中，由于建筑自重较大，对地下室结构的承载力也提出了更高的要求。在地下室结构设计中选择柱帽式筏板基础，由于基础面积较大，可以实现了上部荷载力的分散，这样就可以避免重力过于集中而导致地下室结构变形，从而保证了建筑地基和地下室结构的安全稳定。

1.2 充分利用地下空间

无论是地下停车场还是地铁车站、商业场所，在保证地下室结构安全的前提下，总是尽可能的追求更多的利用空间。采用柱帽式筏板基础，提高了单柱的承载力，这样就间接的减少了地下室结构中支撑柱的数量，从而预留出了更多空间。但是需要注意，柱帽式筏板基础一般不适用于软土地基或冻土地基，以保证地下室结构的安全性。

1.3 提高了建筑抗震性能

对于大跨度或高层建筑来说，抗震性能也是必须要考虑的重要属性。柱帽式筏板基础由于埋藏深度较深，因此能够有效保证建筑地基的稳定性以及抗侧力，同时还能够保证地下室建筑的整体结构能够具备一定的承载力和抗压力。一般情况下，地下室采用柱帽式筏板基础，能够使得外墙结构的侧向刚度大于上部结构与其相连的侧向刚度。为了保证建筑的抗震能力，施工单位在地下室的建设工作上都会采用柱帽式筏板基础进行设计工作。

2 柱帽式筏板基础地下室结构设计要点

2.1 地下室顶板结构设计

地下室顶板结构设计作为连接地上与地下建筑的过渡段，需要引起设计人员的关注。基于柱帽式筏板基础的地下室顶板结构，设计时需要重点把控的要点有：其一，在地下室顶板上增加水平支座，发挥辅助加固和荷载力分担的作用，水平支座主要分布在地下室顶板的四个对角，并使用膨胀螺丝进行固定。其二，根据上部建筑的高度和荷载，确定地下室顶板的厚度。一般来说，高层建筑要求顶板厚度不得低于25cm，具体参数需要根据计算结果确定；其三，顶板结构还需要发挥一定的防渗性能，在设计时也需要做好防水设计。

2.2 地下室外墙结构设计

地下室外墙需要具备的功能有荷载功能、挡土、挡水功能等。基于柱帽式筏板基础的地下室外墙结构设计，需要掌握的设计要点包括：首先，明确外墙所受荷载的种类，主要有水平荷载和垂直荷载两种。垂直荷载来自于建筑上部的重力，设计时可以通过增加柱帽的数量和埋深来满足垂直荷载设计需要；水平荷载方面，则主要来自于人防荷载和周围土层内向压力。可以通过调整挡土墙倾斜角度或是增加地下室外墙厚度满足设计要求。如果建筑工程所在位置地下水较为丰富，地下室外墙结构设计还需要重点考虑防渗功能，避免后期地下室出现潮湿等问题。

2.3 地下室抗震性能设计

柱帽式筏板基础的地下室结构，在进行抗震性能设计时，主要通过两种渠道提高其抗震能力。一种方法是结合前期的地质勘查结果，在进行图纸设计和参数计算时，确定最佳的设计方案，包括建筑地下室的最大面积，支撑柱的数量和分布密度等，根据这些计算结果，进一步提高地下室结构设计的科学性。另一种方法是在地下室结构施工中，使用一些有利于提高抗震性能的新型建筑材料。例如以往柱帽式筏板基础中，主要使用钢筋混凝土结构的柱帽，但是由于缺乏变形能力，容易出现开裂，抗震效果不理想。在现代建筑施工中，则可以选择一些稳定性更强、寿命更长、承载力更大的新型材料，满足地下室結构的抗震设计需要。

2.4 地下室抗渗抗浮结构设计

为了实现地下空间的最大化利用，现代建筑行业中地下室结构往往在2层甚至3层。随着地下室结构的复杂化，随之而来的地下水渗漏问题也会更加明显，做好地下室结构的防水、防渗设计就显得十分关键。基于柱帽式筏板基础的地下室结构在提高防渗方面虽然具有一定的优势，但是仍然需要设计人员根据建筑特点和设计标准，确定详细的抗渗、抗浮设计方案。设计时需要重点关注的有：预留出排水管道，方便在地下室施工时将多余的地下水及时排除，保证现场施工环境的安全；同时，可以通过适当增加地下室结构自重的方式，提高抗浮性能，但是对施工技术有严格要求，并且通常适用于地质较为坚硬的情况。

3 案例分析

3.1 案例概况

某地商业中心共11层，地上9层，地下2层，整个建筑采用框架式结构，柱网为8.4m×8.4m，综合工程实际情况以及建设方要求决定采用筏板基础，基础持力层为地勘中的第5层粉质粘土层，地基承载力特征值为fak=160kPa，经修正以后，地基承载力特征值为fak=440kPa，经过对梁板式、平板式及柱帽式筏板的综合计算分析比较之后，施工方确定使用柱帽式基础，该工程于2012年开始动工，2014年竣工交付，目前建筑地下室应用效果良好。

3.2 柱帽式筏板基础的应用

本工程柱网较为规则，柱下荷载设计值多在10000kN左右，经过试算，筏板的厚度决定取60cm，柱帽厚度为130cm，计算时采用JCCAD中的筏板有限元分析软件进行计算，计算模型采用弹性地基梁板模型。在该工程项目的地下室结构设计中，设计人员结合地质勘查结果和建筑设计总体要求，总结了以下设计经验：

（1）以柱中心下筏形基础和地基接触点的土反力最大，两柱轴线中心点处土反力最小，柱中心处应力曲线向下凸出，而两柱轴线中间应力曲线向上凸起，是一种曲线规律变化的形式出现。

（2）柱帽式筏板基础的设计中，只需要在柱下受力较大的区域增加配筋即可，而柱帽间的筏板则可适当减小配筋量及板厚。基于这一设计，帮助该项目工程节约了大量的钢筋、混凝土等材料用量，节本效果显著，维护了施工方的经济效益。

4 结语

在建筑地下空间得到重点开发的同时，各类新型的地下室结构设计方法也得到了推广使用。柱帽式筏板基础是现阶段建筑行业中较为常见的一种地下室结构模式，大量的施工经验证明，柱帽式筏板基础具有结构稳定性好、环境适用性强、提高地下室抗震性能等优势。考虑到建筑地下室施工具有隐蔽性和复杂性的特点，需要提前做好地下室结构设计，掌握柱帽式筏板基础的施工要点，为建筑地下室的高质量施工和安全性使用提供必要的保障。

参考文献

[1]谭农超.深圳荣超大厦超深地下室结构防水及抗浮设计[C]//第五届全国建筑结构技术交流会暨首届全国青年结构工程师论坛.2015.

[2]刘付华，方伟明，史坤峰，等.小柱网地下室顶板结构设计多方案比选分析[J].工程建设与设计，2016（06）：125-128.

作者简介：倪荣荣（1984—），女，汉族，广西全州县人，本科学历，工程师，研究方向结构设计。

（作者单位：中物联规划设计研究院有限公司桂林分公司）