地下建筑的设计理念与新发展.doc

地下建筑的设计理念与新进展摘要：合理开发利用地下空间,对于解决世界范围内城市发展所面临的许多共同问题,缓和城市矛盾,扩大城市空间容量,改善城市环境质量都是一个现实有效的途径,而且它对未来城市的发展也将起到积极的作用.该文通过对别人学术研究的整合，提出了地下建筑的设计理念与地下建筑如今的新进展，希望能通过此文让大家认识到地下建筑发展的趋势，希望能对今后搞地下建筑方面的人员有小小启示。摘要（英文）：关键词：地下建筑 设计理念 环境 设计内容 安全 舒适程度 可持续发展 新进展 环境保护与改造地下建筑的设计理念 地下建筑 underground structure 建造在岩层或土层中的建筑。它是现代城市高速发展的产物，起缓和城市矛盾，改善生活环境的作用，也为人类开拓了新的生活领域。在当今社会，随着土地资源的日益紧张，人们对于地下建筑的设计研究的步伐也在逐渐加快。地下建筑按功能分类，有军用建筑（如射击工事、观察工事、掩蔽工事等）、民用建筑（包括居住建筑、公共建筑）、各种民用防空工程、工业建筑、交通和通信建筑、仓库建筑，以及各种地下公用设施（如地下自来水厂、固体或液体废物处理厂、管线廊道等）。兼具几种功能的大型地下建筑称为地下综合体。地下建筑按施工方法分类，有明挖和暗挖两类。明挖施工后完全回填，上面不建任何建筑物的，称为单建式地下建筑；上面再建其他建筑物的，称为附建式地下建筑。明挖施工后部分回填、覆土或堆土的，称为覆土建筑或堆土建筑。暗挖的地下建筑，通常是在较深的岩层或土层中挖掘成所需要的空间，顶部以上保留一定厚度的自然覆盖层。此外，在中国还有一种习惯的分类方法，把地下建筑分为坑道式、地道式（一般为暗挖）、掘开式（相当于明挖单建）和防空地下室（即明挖附建）。坑道和地道的主要区别在于内外地面标高的关系，内部高于外部的称为坑道，低于外部的称为地道。地下建筑的设计内容可以分为以下八个方面：(1)初步拟定截面尺寸 根据施工方法选定结构形式和结构平面布置，根据荷载和使用要求估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度等主要尺寸。 初步拟定地下建筑结构形状和尺寸需要考虑以下三个方面： 衬砌的内轮廓必须符合地下建筑使用的要求和净空限界，同时要选择符合施工方法的结构断面形式。 结构轴线应尽可能与在荷载作用下所决定的压力线重合。 截面厚度是结构轴线确定以后的重点设计内容，要判断设计厚度的截面是否有足够的强度。 (2)确定结构上作用的荷载 根据荷载作用组合的要求确定荷载，必要时要考虑工程的防护等级、三防要求(防核武器、防化学武器、防生物武器)与动载标准。 (3)结构内力计算 (4)结构的稳定性验算 地下结构埋深较大又位于地下水位以下时，要进行抗浮验算；对于明挖深基坑文档结构要进行抗倾覆、抗滑动验算。选择与工作条件相适宜的计算模型和计算方法，得出各种控制截面的结构内力。(5)内力组合在各种荷载作用下分别计算结构内力，在此基础上对最不利的可能情况进行内力组合，求出各控制截面的最大设计内力值，并进行截面强度验算。(6)配筋计算核算截面强度和裂缝宽度得出受力钢筋并确定必要的构造钢筋。(7)安全性评价如果结构的稳定性或截面强度不符合安全度的要求时，需要重新拟定截面尺寸，并重复以上各个步骤，直至截面均符合稳定性和强度要求为止。(8)绘制施工设计图当然，并不是所有地下建筑的结构设计都包括以上八个步骤，具体还应当根据工程的需要进行取舍。地下建筑结构设计中，一般先采用经验类比或推论的方法，初步拟定衬砌结构截面尺寸。按照这个截面尺寸计算在荷载作用下的截面内力，并检验其强度。如果截面强度不足或是截面富裕太多，就得调整截面尺寸重新计算，直至合适为止。在地下这一复杂的环境中进行结构设计，我们必须要考虑到各个方面的环境因素以及安全因素。通过对文献的检索，以下是我整理而得的地下建筑设计中应当值得我们考虑的各方面因素：一. 地下建筑的自然光采集自然光对于地下建筑的重要性：1. 照明需要2. 心理需要3. 方位感需要研究目的：随着科学技术的进步和经济条件的不断提高，要通过技术手段来改善地下空间的物理环境，以满足人们的基本生理需求难度己不是很大然而建筑之所以成为建筑，仅仅局限于满足人们对于功能的需求是远远不够的，更重要的，建筑为人们提供空间的感受以及场所的认知。如同路易斯康所说，建筑是精心创造的空间的组合。由于自然光线对于地下建筑的稀缺性及其对于人们心理感受的重要性，因此找到在地下建筑的局限中自然光线的不同运用方式及其对于建筑空间和对于消除人们对地下建筑的心理负面联想是很有必要的。研究方式：通过案例分析，对各种采光手段的优缺点进行评论以及阐述。经整理可分为以下各方式：1. 侧面式2. 天窗式3. 天井式4. 中庭式5. 下沉式6. 采光竖井研究成果：通过对地下建筑和自然光之间的关系阐述，给我们在今后的地下建筑设计的时候提出了一方面的理念：在结构设计是要考虑地下建筑的采光，以满足人类活动的要求。二地下建筑中结构与材料受火、抗火性能的研究研究的必要性：通过阐述近些年来世界各地的地下建筑在火灾，毒气泄漏等各种灾害发生的频率以及灾害发生的后果，提出近些年来地下建筑的防灾害能力有待提高。(1)火场升温迅速，相比地面建筑，火灾所达到的温度更高，这使得地下建筑结构抗火设计中所应用的火灾升温曲线与地面建筑不同。随着性能化抗火设计的发展，标准升温曲线ISO834已经不能满足要求，更趋向于利用计算机模拟得到一条更加接近实际火场的升温曲线作为抗火性能研究和设计的依据。(2)地下建筑工程承受的荷载大、混凝土强度等级高，施工困难，自密实混凝土的应用比较广泛。因此，有必要对地下建筑结构和构件的受火性能和抗火设计方法进行研究。研究目标：地下建筑主要的材料主体是混凝土与钢筋，因此要加强地下建筑抗火性能，本质上是对建筑材料的抗火性能进行加强。通过对高温下钢筋混凝土性能的研究分析得到钢筋混凝土的耐热性能以及高温下结构的应力应变情况。再通过地下建筑结构的火灾分析得到结论：(1)温度扩散情况分析对于火灾初期，图34、图35为四种工况下火灾在360s时的断面(y=125截面)温度分布图。1从图中可以看出，高温烟气扩散很快，360S便扩散到了整个车站，尤其是经过楼梯口向站厅层的扩散。由于有楼梯挡烟的作用，加上站台层机械排烟作用，站台两侧的温度基本没有变化。2通过两组图片的对比可以看出，相同通风条件下，喷淋系统可以人人降低火场的温度，火源周周的温度相对降低100。C左右，有利于控制火势的蔓延。3通过两组图片的对比可以看出，机械通风对于温度的控制不是很明显，但是在楼梯口处由于有向下空气补给的作用，相对无机械通风的工况温度上得到了明显的控制，满足地铁设计规范要求的在6min内部超过60的要求。可见合理的机械通风系统对人员逃生和消防灭火是非常重要的。(2)温度曲线分析研究表明地铁车站这类地下建筑结构，结构重要部位的抗火设计依照刚VS曲线设计偏于保守。三地下建筑热湿环境控制与评价研究内容、方法和意义：对地下建筑内热澎负荷的一个重要组成部分壁面岩体的传热量和传湿量，采用多孔介质热湿迁移理论对其进行分析。建立岩体传热传湿的数学模型，然后根据传热传湿过程中各个推动力彼此影响的强弱以及工程的实际情况对模型进行简化，利用数值计算方法算出具体数值。为储油库的通风除湿系统设计提供动态、准确的熟湿负荷，为系统的全年运行提供科学依据。研究过程：通过实际案例的分析以及数据的采集（地下环境中的湿度、热度）通过研究分析，最终建立两个数学模型，对湿热做出精确定位分析。研究结论如下：1)当在室内温度成周期性变化时，壁温和壁面传热量都呈周期性变化，且三者的变化频率大致相同。值得注意的是：壁面温度波幅出现的时间，比室内温度波幅出现的时间要滞后f1小时：而壁面传热量波幅出现的时间，比室内温度波幅出现的时间要提前f，小时。这对于地下建筑的通风防潮设计及运行管理具有更大的现实意义。2)当进风温度呈现周期性变化时，室内温度也随之呈现周期性变化，但是其温度波幅发生了衰减，相位也有所滞后。因此可以利用这一特点，为地下建筑增设引洞、运输洞来调节进风温度。3)采用多孔介质传热传质理论对地下建筑岩体的散湿量进行分析计算，充分考虑到岩体内部水分存在形式的多样性，不单单考虑到岩体内汽态水的迁移，还考虑到液态水的迁移。因此比传统采用的蒸汽渗透计算法更为完善，更能反应实际情况。4)壁面的散湿量过程是一个逐渐减小直至趋于稳定的过程。通过计算和工程实例可知，一般情况下可以近似认为90天后散湿状况趋于稳定。在设计地下建筑通风除湿系统时，一般采用这个近似稳定的散湿量作为壁面的湿负荷。51由于室内外空气参数处于不断的变化之中，洞室内的热湿负荷也是一个动态量。因此可以利用计算所得到的动态热湿负荷来指导地下建筑的通风除湿系统设计及其全年运行调节，这样可以达到节能的目的。6)本论文利用有限差分法对深埋地下建筑的热湿负荷进行数值求解，并将求解结果同实测结果或理论公式计算结果进行比较，证实了数值解法的可行性。当没有条件进行现场实测或实验时，可以利用该方法来预测地下建筑的热湿负荷。结论、地下建筑的设计理念的提出 通过以上对地下建筑设计的内容，以及在实际施工时应当考虑的各种问题的研究整理。我们不难得出在当今社会中，我们所需要面对的地下建筑的设计理念：1、 根据国家的有关文件，拟定施工的空间2、 实地考察，根据土质水文等情况，初步拟定设计方案。3、 根据设计的一般原则以及现场实际情况拟定设计施工的内容（一般有八方面的内容）。4、 在初步设计定出来之后，通过图纸以及地下建筑环境情况，拟定满足通风、采光、湿度、热度、社会活动、安全保障、舒适程度等方面对设计图进行进一步的修改。5、 根据可持续发展的理念，在设计结构时要尽量做到节约资源，节省空间等。6、 拟定设计图纸（实际施工时根据实际情况可以再做出修改）。总而言之，地下建筑的存在是为人们服务的，因此地下建筑的设计理念也是一直在向着人们的需求靠近的，只有满足了人们对生理心理要求，也就是满足社会发展的趋势，那么它才有着它存在的意义。地下建筑发展的新进展类型不断增多和规模不断扩大。近年来，一些新的地下建筑类型陆续出现。例如，随着核能利用的增长，核废料的处理和贮存成为严重问题；在深部地层（几百米到千米以下）建造地下核废料库是解决这一问题的较理想途径，因而受到广泛的重视。又如,以节能为主要目的的地下建筑发展很快；同时,在地下贮存热能、冷能、机械能(水能、压缩空气)等方面的可行性探讨和试验正在进行。再如，为了改善城市环境，大规模的地下污水处理厂已在少数发达国家中兴建，在地下建造城市垃圾处理厂的方案也正在研究中。 设计和建造技术不断提高。新的建筑类型往往提出更高的技术要求，促使新工艺的发展和建造技术的提高。例如，为了建造地下核废料库，就要解决深部岩层开挖后的地层压力问题和岩石在核废料高温作用下的应力变化问题；为了加快施工进度就要设计制造大型的挖掘机械；为了降低工程造价，就要采用新型结构、高效设备和高强材料等。 开展多学科的研究工作。地下建筑的迅速发展，使越来越多的人以不同方式生活在地下环境中，因此在满足基本使用要求的基础上，对地下建筑不断提出更高的质量要求。从医学、生理学、心理学等学科的不同角度,多方面研究改善地下环境的途径和措施,包括一些比较复杂的问题。例如，地下环境中放射性元素的剂量及其影响问题，已开始进行研究。 从个体向群体、从单一向综合发展。城市建设发展到一定阶段，个体的、分散的地下建筑已不能适应城市生活多方面的需要，必然逐步向群体和综合的方向发展。例如，地下铁道线路的增加形成地下高速交通网，在不同线路的换乘点上就比较容易形成一个包括换乘车站、停车场和商店等的地下综合体，进而可能扩大成为地下商业街或商业中心。又如，为了充分利用城市地下空间，应改变城市公用设施的自成系统和管线直埋的状况，使之向综合布置和采用多功能管线廊道的方向发展。为此，要求在统一的城市总体规划指导下，制订城市地下空间的综合开发利用规划，并同地面上的城市发展规划统一起来。而如今，随着科学力的不断发展，可持续发展和环境问题必定将成为地下建筑发展的一大趋势。特别是环境问题，在现在尤其是被放在了首位，因此地下建筑的新进展也应当与环境的发展密切相关。环境特性和问题与地面相比，地下建筑环境有如下一些特性：封闭性；恒温性；人为因素的从属性；围岩介质和围护结构材料等自然因素的侵蚀性等。 建造在岩土中的地下建筑物为一封闭体，既受到围岩介质的物理、化学和生物性因素的作用和影响，也受到建筑物的功能、材料、经济和技术等人为因素的制约。地下建筑物内部缺少阳光直接照射，光线暗淡。围岩和建筑材料可能放射出有害气体或射线，人们的生产和生活活动也会产生有毒物质、臭味和尘土，引起空气污染。室内潮湿，壁面温度低，负辐射大，空气中负离子含量少。蚊、蝇害虫及细菌、病毒繁殖快，生存期长。生产和生活活动会使环境噪声级增强，引起人们神经系统不舒适。 环境保护与改造主要措施有： 加强通风换气。改善小气候和排出空气中的污染物。通风设计还要防止有害气体从室外侵入。 围护结构表面加设防潮、保温和隔热材料，减少壁面对人体的负辐射及提高舒适感。 合理的采光和照明。把天然光线和自然景色引入地下，增加照度和自然气氛；适当地提高地下照度标准，采用人工照明；增设一定数量的保健灯,利用紫外线杀菌、抗佝偻病，促进免疫,抵抗疾病。 进行必要的装修装饰。从造型、色彩、质感和光源等方面综合设计，以满足视觉舒适和降低噪声。 对机械设备采取减振和隔噪。 坚持环境设计。把室内空间作为整体环境综合设计，除符合使用功能外，还应尽量满足人体的生理和心理要求。室内空间的分隔和造型艺术要力求创造一个较好的视觉环境。内部采用高明度、浅淡和明亮的后退色，可使房间有宽敞之感；在狭长的过道内，设计明亮色彩的侧墙，或用几种不同的色彩，可以打破单调、漫长和沉闷之感；室内空间尺度要布置合适，使其尽量通透；家具设备和门洞间的尺度要符合人体工程学的要求；各部件相互之间的比例要协调；光和色要经过科学和艺术处理。 进行科学管理。对环境质量进行定期卫生调查和监测；对主要污染源进行控制和治理；秋、冬季节进行湿式扫除以减少尘埃；根据需要增设降湿机、空气负离子发生器、吸尘器、空调机等机械设备；建立专人管理