高層建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計方案的經(jīng)濟合理性探討

【摘要】近幾年來，因為高層建筑工程的地基問題而嚴重影響整個高層建筑的問題頻頻不斷，在高層建筑進行整體規(guī)劃的時候，很多設(shè)計師都把精力主要放在了上層建筑之上，反而忽視了最基礎(chǔ)的問題，就是如何把地基打好。對于整個高層建筑來說，萬丈高樓基礎(chǔ)起，一旦發(fā)生事故就容易造成災(zāi)難性后果。此篇論文針對高層建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計方案的經(jīng)濟、合理性進行探討，從整個建筑和周邊環(huán)境方面考慮，對地基基礎(chǔ)方案進行全面分析，以利實現(xiàn)經(jīng)濟與技術(shù)的全面發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；地基基礎(chǔ)；經(jīng)濟合理；綠色建筑

在當前的經(jīng)濟和社會效益下，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的概念貫穿整個結(jié)構(gòu)設(shè)計，而高層建筑的基礎(chǔ)成本通常會占土建總成本的較大部分，故而在滿足高層建筑總體要求的前提下，一定要充分考慮高層建筑地基基礎(chǔ)方案的經(jīng)濟合理性。

1、地基基礎(chǔ)及地勘資料的重要性

地基基礎(chǔ)和高層建筑之間的關(guān)系主要是地基基礎(chǔ)決定高層建筑的穩(wěn)定性。地基和基礎(chǔ)是建筑物的根基，地基的選擇或處理是否正確，基礎(chǔ)的設(shè)計與施工質(zhì)量的好壞直接影響到建筑物的安全性、經(jīng)濟性和合理性。

對于地基而言一旦相應(yīng)的承載力不足，就可以判斷為軟弱地基，那么就應(yīng)該對軟弱地基進行相應(yīng)的處理。這里的軟弱地基主要指由淤泥、淤泥質(zhì)土、沖填土、雜填土或其它高壓縮性土層構(gòu)成的地基。對建在軟弱地基上的建筑物，在工程設(shè)計和地基處理方案確定前，應(yīng)進行工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘察，查明軟弱土層的組成、地質(zhì)成因、分布范圍、均勻性、軟弱土層厚度、持力層位置及狀況以及地基土的物理和化學性質(zhì)等。建筑物基礎(chǔ)下面的地基情況千差萬別，特別是對于人民生命財產(chǎn)影響巨大的高層建筑，作為一個合格負責任的結(jié)構(gòu)工程師，在基礎(chǔ)設(shè)計前一定要拿到符合本項目實際情況的地勘資料，切不可盲目進行設(shè)計。

2、選擇高層建筑地基基礎(chǔ)方案考慮因素

2.1工程地質(zhì)情況

全國各地的地質(zhì)情況大相徑庭，同樣是高層建筑，在不同的地區(qū)會采用完全不同的基礎(chǔ)形式，像上海地區(qū)由于地基承載力較弱，多采用樁筏基礎(chǔ)，很少采用樁箱基礎(chǔ)，樁也多采用鉆孔灌注樁；而像浙江臺州地區(qū)雖也會采用樁筏基礎(chǔ)，但巖石持力層埋深很淺，樁型就多采用大直徑人工挖孔樁；北京地區(qū)因土層較硬，地基承載力普遍較高，所以多采用筏基。

2.2 規(guī)范對基礎(chǔ)埋置深度的要求以及如何為設(shè)計所用

JGJ3-2010規(guī)定高層建筑基礎(chǔ)的埋深可取建筑高度的1/15～1/18。這是考慮場地土層對高層建筑的嵌固作用，增強高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、抗傾覆和抗滑移的能力。上海地區(qū)原并不要求高層一定要設(shè)地下室，蓮花河畔倒樓事件后，在地標地基規(guī)范中已明確要求十層及十層以上（或高度超過28m）建筑物必須設(shè)置地下室。以上規(guī)范對地下埋深的硬性要求又如何為設(shè)計所用呢？隨著人民生活水平的不斷提高，進而汽車數(shù)量的不斷增加必然會帶來停車難的問題，而解決這一問題最合理最經(jīng)濟的辦法就是將汽車停在地下，這就需要地下室有足夠空間，需要在地基基礎(chǔ)設(shè)計中結(jié)合巖土工程地質(zhì)的實際情況、地下室和人防的設(shè)置、地基基礎(chǔ)的選型等因素綜合考慮，以充分利用地下室空間。

2.3 增強建筑的強度

從建筑穩(wěn)定的角度來看，地基基礎(chǔ)的作用是非常重要的。所以設(shè)計師在設(shè)計高層建筑時一定要考慮地基的承載力問題，合理有效地分析地基數(shù)據(jù)，以達到控制成本的目的。影響建筑穩(wěn)定性的因素，需要對各個環(huán)節(jié)進行合理分析，最終篩選出一個比較科學的方案。

2.4 掌握科學合理的結(jié)構(gòu)計算方法

高層建筑一般體量都比較大，而為了項目基礎(chǔ)設(shè)計的經(jīng)濟性又經(jīng)常需要多方案經(jīng)濟性比較，這時計算機輔助設(shè)計的高效性就體現(xiàn)了出來，但要提醒我們結(jié)構(gòu)工程師的是千萬不要迷信計算程序有限元的計算結(jié)果，有限元計算在地基基礎(chǔ)學科中計算精度較差、誤差較大，比如目前不同設(shè)計單位、不同設(shè)計人在地下室的抗拔樁設(shè)計方面比較混亂，不同單位和個人的設(shè)計結(jié)果差異可達數(shù)倍，因此想成為一個優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計師一定要提高自己的概念設(shè)計能力，在設(shè)計時可以多用幾種方法計算，從而在滿足規(guī)范的前提下做到基礎(chǔ)設(shè)計的經(jīng)濟性。

3、高層建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計的基本要求

高層建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計要求是非常系統(tǒng)的，每一條都關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)的安全性，其中包括地基的穩(wěn)定性設(shè)計，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，地基的抗震性能，地基的承載力，地基與高層建筑基礎(chǔ)之間的搭配，地基的抗變形能力以及地基的抗壓及抗剪切能力等等。在對高層建筑地基基礎(chǔ)方案設(shè)計優(yōu)化過程中既要保證方案的可行性以及保證建筑總體的穩(wěn)定性，又要進行精密嚴謹?shù)挠嬎恪?/p>

4、高層建筑地基基礎(chǔ)的多方案優(yōu)選

4.1制定合理的設(shè)計方案

建筑設(shè)計本身首先必須滿足建筑的特定地方環(huán)境，其次，要根據(jù)各地區(qū)的各種環(huán)境條件，嚴格選址進行開發(fā)建設(shè)，否則會對生態(tài)環(huán)境、人民生命財產(chǎn)等造成嚴重的危害，違反了生態(tài)保護的基本設(shè)計原則。

考慮到建筑結(jié)構(gòu)的特點，結(jié)合高層建筑的巖土性質(zhì)，建筑基礎(chǔ)常見形式分析如下：

⑴人工挖孔樁基礎(chǔ)：人工挖孔樁一般都是大直徑灌注樁，單樁承載力很高，是一種非擠土樁?？蛇m用于持力層在地下水位以上的各種地層，成樁質(zhì)量比較容易控制和保證。缺點主要是挖孔過程中有一定的危險，一旦塌孔往往造成嚴重后果。

⑵預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)：這種樁基形式在江浙滬一帶應(yīng)用較為廣泛，造價低，施工速度快，可以節(jié)約施工周期，加快項目的建設(shè)；但其有顯著的擠土效應(yīng)，如果周邊有建筑或者敏感的市政管線，就限制其使用，不然容易導(dǎo)致周邊建筑開裂，一般退讓距離為20-30米。該樁基形式多適用于60米以下以及城市郊區(qū)的高層建筑。

⑶天然地基筏板基礎(chǔ)：天然地基基礎(chǔ)施工方便，周期短，成本低，筏板基礎(chǔ)作為高層建筑的基礎(chǔ)，整體性好，強度高，剛性好。雖然高層建筑的豎向荷載一般較大，但基坑底部基礎(chǔ)持力層整體巖土較好時是可以考慮這種基礎(chǔ)形式的，不過多適用于北方地區(qū)。

⑷復(fù)合地基筏板基礎(chǔ)：復(fù)合地基要充分發(fā)揮天然地基的承載力，在樁身豎向加固的基礎(chǔ)上，提高基礎(chǔ)下地基的綜合強度，減少基礎(chǔ)整體沉降和不均勻沉降，通過調(diào)節(jié)豎向增強體的長度、截面大小、布置形式以及間距使復(fù)合地基能夠承受上部結(jié)構(gòu)荷載。復(fù)合地基還需要在樁體頂部設(shè)置墊層，充分利用地基的承載力，協(xié)調(diào)樁基與周圍巖土的搭配。復(fù)合地基具有較大的靈活性，也有經(jīng)濟和時間的保證。對筏板基礎(chǔ)設(shè)計而言，與天然地基筏板基礎(chǔ)相同。

4.2敢于采用新工藝、新技術(shù)

對于特定地區(qū)的場地，我們應(yīng)該根據(jù)地勘報告提供的巖土地質(zhì)特點考慮最合理的基礎(chǔ)方案，不要因為某種基礎(chǔ)形式當?shù)厥褂玫纳倬突乇?。不同地區(qū)有當?shù)爻Ｓ玫幕A(chǔ)類型，甲方一般對新工藝在當?shù)氐目尚行?、?jīng)濟性缺乏信心，施工單位往往也會對不熟悉的工藝加以抵觸，這時對結(jié)構(gòu)工程師就要敢于拿出以數(shù)據(jù)來說話的勇氣，包括工程技術(shù)和經(jīng)濟性分析數(shù)據(jù)，以證實擬采取的基礎(chǔ)方案是否真正合理，也能夠說服項目參與各方。一個合理、經(jīng)濟的基礎(chǔ)方案可以節(jié)約大量的人力物力，作為一個優(yōu)秀且勇于擔當?shù)慕Y(jié)構(gòu)工程師，每做一個項目都要集思廣益，思路要開闊，千萬不要局限于常規(guī)做法，這對于推廣新工藝、新技術(shù)、節(jié)約造價是非常有利的。

4.3要注重建筑的經(jīng)濟高效性

新型建筑材料的研發(fā)和先進施工技術(shù)發(fā)展速度非常快，對建筑業(yè)的效率和經(jīng)濟也有很高的要求。因此，作為建筑行業(yè)的前期工作--設(shè)計工作亦須經(jīng)濟高效地進行。傳統(tǒng)的設(shè)計理念已經(jīng)開始過時了，一味地采用老一套很可能會降低社會競爭能力。因此，需要采用一些更先進的創(chuàng)新理念，使用更為先進的建筑技術(shù)和優(yōu)質(zhì)建材，提高建材的使用效率降低生產(chǎn)成本，確保建筑設(shè)計的經(jīng)濟高效。

4.4要充分利用節(jié)能低碳理念

利用節(jié)能低碳建筑材料，并實現(xiàn)最高的利用率，所以選擇建筑材料時要結(jié)合低碳環(huán)保的理念，應(yīng)該是最大程度的選擇低碳綠色建材為指導(dǎo)?，F(xiàn)在設(shè)計成果中都已經(jīng)要求有綠色建筑設(shè)計專篇，具體到地基基礎(chǔ)方面主要有對地基基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計、采用預(yù)拌混凝土、合理采用400MPa級受力鋼筋、合理采用高耐久性建筑結(jié)構(gòu)材料等幾個方面。在選用混凝土和鋼結(jié)構(gòu)等建筑材料時，要以低消耗，高效率，循環(huán)利用等特點來衡量。

結(jié)語：

在進行高層建筑地基基礎(chǔ)方案的優(yōu)化設(shè)計時，要充分調(diào)查高層建筑的相關(guān)數(shù)據(jù)，尤其要注意現(xiàn)場巖土數(shù)據(jù)的可靠性，比如巖土勘察數(shù)據(jù)，地基、樁基承載力的確定至關(guān)重要。高層建筑基礎(chǔ)方案的優(yōu)化是極為復(fù)雜的，所以，設(shè)計方案要有清晰地目標，合理的結(jié)構(gòu)措施和準確的計算。

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作者簡介：

盧標（1978-），一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，本科，主要研究方向：結(jié)構(gòu)工程。