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北京CBD核心区地下公共空间市政交通基础设施项目作为目前北京市最大的单建式地下工程，由于其体量巨大、功能复杂、建筑要求高，给结构设计带来了诸多挑战。以下就本工程的几个主要设计难点及解决方案进行介绍。
1 工程概况
北京CBD核心区地下公共空间市政交通基础设施项目(图1)位于北京市朝阳区东三环路与建国路相交处中央商务区，工程总建筑面积约为50万m2，是集交通、市政、商业、景观以及综合防灾等功能于一体的城市综合体。
工程建筑主体部分地下五层，地下一层为人行联系层，联系地铁和各楼与出入口，并有商业货物中心和部分商业配套设施；地下一层夹层为市政综合管廊，将为今后市政设施的可持续发展提供空间；地下二层为地下车库、机动车交通联系通道；地下三、四层为车库、相关机房及设备管廊。地下五层为车库、人防设施。
基础底面相对标高为-26.0m；管廊部分地下三层（局部地下四层），基础底面相对标高为-14.5～-20.6m。工程南北向长度约为496m，东西向宽度约为593m；其中主体部分南北向长度约为400m，东西向宽度约为185m。外伸管廊宽度分别为24m和29m，长度约为95～400m。
图1建筑效果图
本工程主体部分（图2）采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，在主体四周跨度为16m的通道两侧设置两道夹壁墙，在主体结构中部，利用建筑竖向交通核设置钢筋混凝土剪力墙核心筒。主体部分各层基本柱网尺寸为9m×9m，地下一层商业街及通道部分柱网尺寸为9m×18m。支承大跨梁及未来上部建设文化中心的部分框架柱采用钢骨混凝土柱，大跨梁及转换梁采用有粘结预应力钢梁，支承大跨梁的主梁采用钢骨混凝土梁，其他均采用普通钢筋混凝土梁、柱。外伸管廊部分采用钢筋混凝土剪力墙结构，与主体结构外环形式相同，中部跨度为16m的通道两侧设置两道夹壁墙。夹壁墙内横隔墙间距为9m。
图2 结构总平面图/m
2 地下空间结构抗震设计
本工程位于8度抗震区，根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）规定，需要进行抗震计算分析。利用ABAQUS有限元软件建立时程分析模型，由于结构体量巨大，若建立结构整体计算模型，则需建立一个约1300m（宽）×2700m（长）×70m（高）的模型，是很难实现的。根据工程特点，取结构典型剖面作为研究对象（图3），研究其在地震作用下的基本受力特性，以指导本工程抗震设计。
图3 结构典型剖面图
结构计算简化为平面应变模型，地下结构为钢筋混凝土框架-剪力墙结构，梁、柱、墙及土体采用二维实体单元CPS4R，墙、梁混凝土强度等级为C40，柱混凝土强度等级为C60。模型顶部±0.000标高相当于绝对标高37.35m，取相对标高-70m处作为模型底部，模型长度为1300m，结构周边为土体单元。采用ABAQUS中的无限元模拟模型两侧边土体的半空间，顶部采用自由场边界，计算模型见图4。
时程分析法计算结果表明，结构在大震时的最大层间位移角为1/302，满足规范1/250的限值。同时，利用SATWE建立结构的整体计算模型，采用反应谱法对其进行抗震分析。两种计算方式都表明，在地震作用下，中柱剪力和轴力的变化幅度均比边柱大，因此，中柱在设计时应该予以加强；与震前相比，靠近中部交通核附近处梁的剪力变化幅度最大。
图4 ABAQUS计算模型
3 地下空间大跨度管廊结构设计
地下空间外伸管廊及主体外环地下一层、地下二层中部均为跨度为16m的结构；地下一层夹层为市政综合管廊，管廊上部为CBD核心区主要市政道路，需考虑大型消防车荷载；地下二层顶板为人行通道，同时作为人防疏散通道顶板，需要考虑60kN/m2的人防荷载。地下二层作为机动车主环道，需要考虑消防车通过。
综上，本工程结构跨度大、荷载大，而建筑高度限制严格，同时建筑师对结构高度及外露结构的造型也提出一定的要求。经过对比和计算分析多种结构方案并结合建筑师、管廊工艺要求，最终确定采用间距为1.5m的变截面梯形预应力密肋梁结构，考虑到16m跨两侧机电需要管线通过，密肋梁两端在1m宽度内截面高度由1500mm变为1000mm，上部管廊结构与密肋梁连为一体，采用墙板结构。管廊剖面见图5。密肋梁两侧支撑在夹壁墙内墙上，墙体厚度为500mm。考虑到墙体根据建筑布置需要开设较大洞口，在密肋梁支承梁内加设了钢骨，以提高支承梁的承载能力及延性。
图5 管廊剖面
4 地下空间超长结构设计
结构设计时，仅在外伸管廊与主体连接部位设置结构缝，主体部分作为一个整体结构，不再分缝，其平面尺寸达到400m×185m，管廊部分单元最长接近200m，必须考虑温度作用对结构的影响。采用SAP2000分析了施工阶段（±15℃的温差变化）和使用阶段(±10℃的温差变化)主体结构在温度荷载作用下的受力状况，分析模型见图6。
计算结果表明，设置施工后浇带能够很大程度地释放施工阶段结构的温度应力，将其控制在混凝土抗拉强度设计值之内；使用阶段温度作用在结构楼板及外墙中产生的最大拉应力约为2.0MPa。
根据分析结果，采取的结构设计措施主要有：1）沿结构长度每隔约40m设置施工后浇带；2）在结构楼板及纵墙中设置无粘结预应力温度钢筋；3）沿结构外墙隔一定间距（在不影响建筑使用功能的位置）设置变形控制缝；4）采用补偿收缩混凝土技术；5）在混凝土中掺加以聚丙烯为原料的短纤维；6）采用混凝土60d的后期强度作为混凝土强度评定、工程交工验收及混凝土配合比设计的依据。
图6 SAP2000结构整体模型
5 基础及其抗浮设计
依据拟建场区的地质勘察资料，本工程地下五层主体部分抗浮水位为31.4m，地下三层部分抗浮水位为32.7m。主体部分基底浮力约为200kN/m2；三层管廊部分基底浮力约为100kN/m2，局部加深部位基底浮力达到160kN/m2。如果不采取抗浮措施，结构整体抗浮将不满足设计要求。
本工程采用后张预应力钻孔灌注桩。主体部分基础形式结合建筑排水需求，采用带上反梁的梁板式筏板基础。由于结构跨度较大，在9m×9m的柱网中间设置一道交叉基础次梁，在每个基础梁的交点处布置抗浮桩。抗浮桩直径为800mm，桩长为17m，采用后压浆技术。外伸管廊部分考虑其两侧未来二级开发地块的深基坑开挖可能对管廊造成不利影响，故亦采用后张预应力钻孔灌注桩基础，同时加强了桩身的配筋；为尽量减小开挖深度，采用平板式筏板基础。
6 地下空间结构与相邻地块一体化设计
北京CBD核心区地下公共空间市政交通基础设施项目周边有众多后续待开发的高层、超高层项目，规划平面见图7。本工程主体基坑深度约为26m，管廊基坑深度为14.5～20.6m，相邻后续待开发地块，大部分基坑深度在30m以上，最深达到38m。
图7 CBD核心区规划平面
作为先期施工的地下空间工程，如果不考虑未来相邻地块的支护、施工问题，将会给相邻地块的开发造成很大困难和经济损失。因此本工程进行结构设计时，提出了将相邻地块的支护结构与本工程基础结构相结合的一体化设计理念。
基本思路就是将相邻地块的支护桩、地下连续墙等支护结构作为本工程的基础支承结构，布置在地下空间与二级地块相邻的外边沿基础底板下且与基础底板相连，充分利用基础底板的刚度限制支护结构顶部位移。相邻地块施工时不需再另作支护结构，仅需要根据地块基坑深度的不同进行锚杆设计，并随土方开挖分层进行锚杆施工和预应力张拉、锁定，并同时进行降水施工。一体化设计的地下空间和相邻地块基础典型剖面示意见图8。
图8一体化设计的地下空间和相邻地块
地下空间和相邻地块的一体化设计的实现，在保证地下空间自身结构安全的前提下，解决了相邻地块基坑支护问题，最大限度地减小了相邻地块的支护宽度，如Z15地块地下室外墙最大退红线距离为500mm，最小退红线距离仅为50mm，经济效益十分显著。
更多内容详见《转自：建筑结构-公众号》杂志2014年第20期中文章：《北京CBD核心区地下公共空间市政交通基础设施项目结构设计》，作者：马敬友，祖德峰，刘楠，张磊，束伟农；单位：北京市建筑设计研究院有限公司。
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