房屋基礎(chǔ)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及概念設(shè)計(jì)問(wèn)題研究

許若翊中國(guó)平煤神馬建工集團(tuán)（467000）

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房屋基礎(chǔ)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及概念設(shè)計(jì)問(wèn)題研究

許若翊
中國(guó)平煤神馬建工集團(tuán)（467000）

摘要:建筑工程項(xiàng)目之中，建筑結(jié)構(gòu)的成本所占份額相對(duì)較高。這里主要以某地房屋基礎(chǔ)設(shè)施工程實(shí)例為研究?jī)?nèi)容,研究了其結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)及概念設(shè)計(jì)，希望能夠在實(shí)踐中充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的作用，提高經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞:建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；概念設(shè)計(jì)

1建筑工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本思路

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即從建筑圖紙中提煉出的結(jié)構(gòu)元素，利用它們來(lái)構(gòu)成建筑物的結(jié)構(gòu)體系，然后將各種荷載向基礎(chǔ)傳遞。經(jīng)濟(jì)、適用、安全是設(shè)計(jì)的基本原則。在房屋結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)主要涉及到兩方面:總體設(shè)計(jì)與部分設(shè)計(jì)。在充分滿足使用要求與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)狀，以綜合經(jīng)濟(jì)效益為核心來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。現(xiàn)階段，樓房高度在日益增加，這樣對(duì)地基的要求也就愈發(fā)嚴(yán)格。這種形勢(shì)下，天然地基根本不能較好地符合項(xiàng)目需求，于是業(yè)界推出了越來(lái)越多的地基處理方案[1]。實(shí)質(zhì)而言，不同方案的造價(jià)存在不小的差異，選用適用、低價(jià)的方案，可以適當(dāng)減小項(xiàng)目造價(jià)。

1.1項(xiàng)目概況

某住宅為高層，主要包括10棟樓，1~8號(hào)是32層，96.8 m高；9~10號(hào)是18層，52.2 m高；地下室埋深為4 m,地下部分都是1層。小區(qū)占地122 013 m2。地上是商品房，地下是人防地下室、車(chē)庫(kù)與設(shè)備用房。二級(jí)安全，該住宅抗震級(jí)別是7度，設(shè)計(jì)地震as是0.1 g。地震分組：第二組；場(chǎng)地為III類,特征周期Tg=0.55 s，建筑主體都是剪力墻結(jié)構(gòu)。

1.2地質(zhì)狀況

按照鉆孔揭露結(jié)果，根據(jù)巖土性質(zhì)，該地地層主要包括13個(gè)地質(zhì)層。素填土①、雜填土①、粉質(zhì)黏土②、淤泥③、粉質(zhì)黏土④、淤泥質(zhì)土⑤、粉土⑥、含泥中砂⑦、粉質(zhì)黏土⑧、淤泥質(zhì)土⑨、含泥中砂⑨-1、含泥角礫⑩-1、殘積砂質(zhì)黏性土⑩、全風(fēng)化花崗巖⑾、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖⑿、強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖⑿-1、中風(fēng)化花崗巖⒀的厚度分別為0.19～4.29 m、0.99～5.09 m、0.99～2.39 m、4.39～21.90 m、0.39～11.99 m、0.49～13.90 m、1.09～3.88 m、0.99～13.49 m、0.69～6.79 m、 0.59～6.85 m、1.19～7.92 m、0.39～3.79 m、0.79～12.19 m、0.79～7.39 m、14～29.00 m、2.90～3.49 m、1.09～2.29 m。

1.3基礎(chǔ)方案

原基礎(chǔ)設(shè)計(jì)使用錘擊式預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)管樁直徑R為500 mm，持力層是強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，樁尖進(jìn)入持力層超過(guò)1 m,單樁承載力特征值S為2 500 kN/m。

1）本來(lái)沒(méi)有進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)方案，返工損失。先施工18層的9號(hào)樓。施工錘擊管樁時(shí)造成非常嚴(yán)重的震動(dòng)與噪聲，附近群眾對(duì)此進(jìn)行投訴。于是，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，選擇使用靜壓式預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)管樁。然而，該住宅地質(zhì)表層具有很厚的淤泥，在施工過(guò)程，先將磚渣（厚度為1.5 m）鋪于地表，然后將其壓實(shí)，確保靜壓樁機(jī)可以順利走機(jī)施工。等到9號(hào)、10號(hào)樓樁基結(jié)束以后，通過(guò)對(duì)樁基實(shí)施動(dòng)測(cè)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)錘擊與靜壓施工的9號(hào)與10號(hào)樓的一、二、三、四類樁分別是62%、16%、16%、6%與50%、20%、20%、10%。

究其根源，由于表層淤泥較厚，開(kāi)挖基坑的過(guò)程中，根本無(wú)法分層進(jìn)行，一次性開(kāi)挖深度相對(duì)較大,相關(guān)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中將會(huì)側(cè)向擠壓管樁，導(dǎo)致淤泥和粉質(zhì)黏土相鄰部位管樁被破壞。同時(shí)，靜壓樁機(jī)重量相對(duì)較高，走機(jī)施工過(guò)程中能夠?qū)δ切┮呀?jīng)施工的管樁形成嚴(yán)重的破壞，所以，形成相對(duì)較多的三、四類樁。這樣導(dǎo)致補(bǔ)樁成本提高了72萬(wàn)元，而工期延長(zhǎng)了近60 d。

2）分析樁基方案。關(guān)于1~8號(hào)樓的基礎(chǔ)，有關(guān)單位展開(kāi)探討，最初達(dá)成共識(shí)是把樁基變成C35沖孔灌注樁，直徑800 mm。持力層與原設(shè)計(jì)相同，樁尖到持力層超過(guò)8 m，S取4 000 kN/m。首先試樁2根，然后進(jìn)行靜載，1號(hào)和2號(hào)試樁分別進(jìn)入持力層8 m與10 m。在此基礎(chǔ)上，實(shí)施樁底高壓注漿，達(dá)到混凝土齡期28 d后，接著開(kāi)展靜載試驗(yàn)，兩者的S數(shù)值分別為3 000 kN/m與3 200 kN/m?？梢钥闯?，通過(guò)沖（鉆）孔灌注樁，S相對(duì)較小，同時(shí)所需要的工期相對(duì)偏長(zhǎng)，成本偏高，對(duì)該項(xiàng)目不合適。

3）根據(jù)具體狀況優(yōu)化樁基方案。使用靜壓式預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)管樁，輔助以水泥攪拌樁，以此來(lái)加固基礎(chǔ)表層，合理設(shè)計(jì)消壓孔的方式。水泥攪拌樁與樁間土一起對(duì)結(jié)構(gòu)負(fù)載進(jìn)行承擔(dān)，構(gòu)建起復(fù)合地基。優(yōu)化的樁基方案具有加固地基的功能，充分確保靜壓樁機(jī)工作過(guò)程中不會(huì)發(fā)生沉陷、不會(huì)對(duì)那些已經(jīng)布設(shè)好的管樁形成側(cè)向擠壓破壞。同時(shí)表層變?yōu)橛矊?，開(kāi)挖基坑過(guò)程中，相關(guān)機(jī)械工作的時(shí)候?qū)軜缎纬上鄬?duì)較小的側(cè)向擠壓。因樓層為32層，安排的管樁密度較大，留設(shè)消壓孔主要是為了降低管樁施工過(guò)程中的擠土效應(yīng)[2]。

4）優(yōu)化后的樁基方案具有明顯的效益。水泥攪拌樁，樁徑500 mm，樁長(zhǎng)接近10 m。施工樁基的時(shí)候，水灰比0.5，水泥摻量20%，42.5R硅酸鹽水泥，梅花樁結(jié)構(gòu)布局；消壓孔孔徑300 mm，設(shè)置于樁基原位，取土長(zhǎng)度15 m，其數(shù)目是管樁數(shù)目的四分之一。施工水泥攪拌樁結(jié)束22 d以后著手布設(shè)靜壓樁，接著開(kāi)挖基坑，按照該方式1號(hào)樓的樁基一、二類樁分別是80%、20%，都合格?？梢钥闯觯谠擃惖刭|(zhì)條件下，選擇該方法十分適用,便于操作、經(jīng)濟(jì)、快速、沒(méi)有污染等，對(duì)城建項(xiàng)目十分適用。

5）優(yōu)化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，能夠全面發(fā)揮出材料的性能，充分協(xié)調(diào)樓房結(jié)構(gòu)內(nèi)部各單元，在很大程度上提升了地基的安全水平，還能夠?yàn)榉桨冈O(shè)計(jì)做出科學(xué)決策。

2概念設(shè)計(jì)的作用

對(duì)同一個(gè)建筑方案，存在若干個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)明確的樓房，就算是荷載相同，同樣具有若干分析方法，相關(guān)材料、參數(shù)等也不是唯一的。需注意的問(wèn)題是，樓房?jī)?nèi)部的布設(shè)，同樣存在差異。上述一切是電腦技術(shù)不能徹底應(yīng)對(duì)的，離不開(kāi)設(shè)計(jì)工作者的自主判斷。判斷必須遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)律，按照項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)來(lái)做，此即為概念設(shè)計(jì)。

2.1對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全程具有統(tǒng)領(lǐng)作用

一般情況下，結(jié)構(gòu)工程師的結(jié)構(gòu)概念隨著自己的工作經(jīng)驗(yàn)的增加而愈發(fā)豐富，設(shè)計(jì)成果同樣不斷改進(jìn)。但是，伴隨社會(huì)分工不斷細(xì)化，他們中多數(shù)人僅僅單純依靠設(shè)計(jì)手冊(cè)、規(guī)范、電腦程序來(lái)進(jìn)行一些傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，根本不會(huì)積極創(chuàng)新。

2.2能夠處理諸多設(shè)計(jì)問(wèn)題

毋庸置疑的概念設(shè)計(jì)可以確保樓房結(jié)構(gòu)在許多外界影響下降低破壞程度。剛度對(duì)稱、均勻，是降低地震作用對(duì)于結(jié)構(gòu)形成破壞的行之有效的方法；延性設(shè)計(jì)，可以降低結(jié)構(gòu)由于受到地震影響而造成的脆性破壞;當(dāng)發(fā)生特大地震的時(shí)候，多道設(shè)防可以確保樓房的次要構(gòu)件先破壞，通過(guò)這種方式將一定比例的地震能量消耗[3]。

2.3能夠有效彌補(bǔ)計(jì)算理論的不足

概念設(shè)計(jì)之所以具有關(guān)鍵的作用，是由于當(dāng)前計(jì)算理論仍然具有一些不足。比如，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要以彈性理論為基礎(chǔ)來(lái)求解內(nèi)力；對(duì)于截面設(shè)計(jì)，是基于塑性理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。上述沖突，導(dǎo)致求解結(jié)果和結(jié)構(gòu)的具體受力大小存在很大的差距。為有效解決計(jì)算理論上述不足，離不開(kāi)良好的結(jié)構(gòu)措施和概念設(shè)計(jì)，以符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要。概念設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，因?yàn)樵诜桨冈O(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，初步設(shè)計(jì)的時(shí)候無(wú)法利用電腦來(lái)進(jìn)行。因此，結(jié)構(gòu)工程師必須充分利用自己了解的結(jié)構(gòu)概念，確定相對(duì)合理的結(jié)構(gòu)方案。

3結(jié)語(yǔ)

建筑項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)人員必須堅(jiān)持科學(xué)、適用、經(jīng)濟(jì)的基本指導(dǎo)思想，周密分析、精心設(shè)計(jì)，使用各種高新技術(shù)方法，確定科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。住宅樓房的基礎(chǔ)方案，通過(guò)相關(guān)設(shè)計(jì)工作者應(yīng)用概念設(shè)計(jì)的理念，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，如期竣工，減小了項(xiàng)目成本，提高了項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn):

[1]姜偉.巧借結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化,奠定房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[J].中國(guó)建材科技,2015,01:115- 116.

[2]王鵬.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用分析[J].中國(guó)建材科技,2014,04:162- 163.

[3]王也.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中華民居(下旬刊),2013,03:81- 82.