高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考

張汝凱

山東民藝建筑設(shè)計(jì)有限公司 山東德州 253000

1 高層建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重要性

對(duì)于建筑工程來(lái)說(shuō)，特別是高層建筑工程最為重要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)具有比較大的難度，由于其埋設(shè)在地下深處，不但會(huì)受到地下水及其它不可預(yù)知因素的影響，同時(shí)也要受到場(chǎng)地周邊復(fù)雜的地質(zhì)情況影響。從參考文獻(xiàn)中的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，高層建筑的地基基礎(chǔ)以及地下室建設(shè)所消耗的費(fèi)用占到整個(gè)土建工程造價(jià)近10%。如果遇到復(fù)雜的地質(zhì)情況，需要進(jìn)行特殊技術(shù)處理的地基基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)造價(jià)更是能夠達(dá)到近15%。另外，高層建筑的地基基礎(chǔ)質(zhì)量直接決定了整座建筑的安全性和穩(wěn)定性，影響著建筑功能的正常使用。因此，在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中要根據(jù)建筑的實(shí)際情況制定出不同的基礎(chǔ)形式和方案，通過(guò)嚴(yán)格的比選進(jìn)而選擇出最優(yōu)的基礎(chǔ)方案，以確保整個(gè)高層建筑的順利實(shí)施。

2 高層建筑基礎(chǔ)選型影響因素

2.1 地質(zhì)條件

地質(zhì)的穿越能力以及地下水對(duì)地基基礎(chǔ)的影響在設(shè)計(jì)階段對(duì)地基的選型都產(chǎn)生著重要的影響。地基持力層情況尤其是壓縮模量以及承載力對(duì)基礎(chǔ)形式的選擇極為重要。片筏基礎(chǔ)、箱形基礎(chǔ)、十字條基、柱下獨(dú)立基礎(chǔ)、無(wú)筋條基，設(shè)計(jì)人員在選擇的過(guò)程中需要考慮上部結(jié)構(gòu)層數(shù)、地基持力層承載力，基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)性等方面的要求。特別是持力層的承載力是考慮的核心要素之一。

2.2 上部結(jié)構(gòu)

對(duì)于高層建筑而言，地下室本身就是箱形基礎(chǔ)，而地下室的底板有可以與片筏基礎(chǔ)的底板合二為一。設(shè)計(jì)過(guò)程中，地下室如果考慮為一個(gè)中空的構(gòu)件，那么地下室底板所受到的浮力設(shè)計(jì)人員不僅需要進(jìn)行局部的抗浮驗(yàn)算，還需要進(jìn)行整體的抗浮驗(yàn)算。當(dāng)?shù)叵率易鳛檠a(bǔ)償式基礎(chǔ)時(shí)，地基有效壓力增加使得基礎(chǔ)形成沉降，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要選擇較為合適的基礎(chǔ)埋深，使得建筑物質(zhì)量與地下室移去土的質(zhì)量相平衡，從而控制沉降量。

2.3 樁基的尺寸

建筑材料、施工工藝、施工安全等方面的因素使得樁截面尺寸以及樁長(zhǎng)受到限制。例如由于受鋼管長(zhǎng)度的影響使得沉管灌注樁通常情況下不大于24米；考慮到安全方面的因素，人工挖孔灌注樁的長(zhǎng)度不大于30米。受到工作空間、機(jī)械性能等影響樁基直徑，例如機(jī)具的性能限制使得樁基直徑小于800mm，人工挖孔樁因?yàn)槿斯げ僮骺臻g的要求，通常情況下直徑大于800mm。

3 高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的方法

當(dāng)前高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用上部結(jié)構(gòu)與地基、基礎(chǔ)共同作用的分析方法，這種方法中地基、基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)之間同時(shí)滿足接觸點(diǎn)的靜力平衡以及接觸點(diǎn)的變形協(xié)調(diào)兩個(gè)條件，即將上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基三者看成是一個(gè)彼此協(xié)調(diào)的整體。這種從整體上進(jìn)行相互作用的分析方法難度較大，計(jì)算量龐大，對(duì)計(jì)算機(jī)的性能及存儲(chǔ)量要求較高，只在較復(fù)雜或大型基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，按目前可行的方法考慮地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)的相互作用。共同作用分析方法的進(jìn)步之處僅在于它考慮了上部結(jié)構(gòu)的剛度，這一優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式所不具備的。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略

4.1 建筑基礎(chǔ)方案選擇

一般而言，建筑工程造價(jià)與施工難度直接與其所選基礎(chǔ)形式有關(guān)。因此，對(duì)于基礎(chǔ)形式的選擇，應(yīng)以多層次、全方位、綜合性考量為基礎(chǔ)，對(duì)最佳目標(biāo)予以科學(xué)選擇。（1）將現(xiàn)有巖土工程勘查資料作為分析依據(jù)，在對(duì)建筑基礎(chǔ)形式及布局進(jìn)行研究中，要對(duì)場(chǎng)地工程地質(zhì)情況、場(chǎng)地動(dòng)力學(xué)參數(shù)、地基承載力、巖石物理學(xué)性質(zhì)及地下水位等因素進(jìn)行綜合考量，對(duì)現(xiàn)有資料進(jìn)行科學(xué)分析，再結(jié)合上部結(jié)構(gòu)形式，以編制最佳設(shè)計(jì)方案。（2）在對(duì)基礎(chǔ)布局及形式予以選擇時(shí)，還需要結(jié)合其與上部結(jié)構(gòu)間相互作用情況予以考量。一般而言，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)將二者分離開(kāi)來(lái)分別考慮及進(jìn)行動(dòng)力分析。但由于此種方案在現(xiàn)實(shí)執(zhí)行中存在諸多缺陷，通過(guò)計(jì)算獲得的基礎(chǔ)沉降量及基底應(yīng)力與實(shí)際測(cè)量值之間差異很大。因此，在對(duì)基礎(chǔ)布局及形式予以選擇時(shí)，不能將基礎(chǔ)問(wèn)題與上部結(jié)構(gòu)分離開(kāi)來(lái)進(jìn)行，還需要對(duì)二者間相互作用因素考慮進(jìn)去。

4.2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的計(jì)算

在利用計(jì)算機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序予以計(jì)算時(shí)，必須考慮以下幾點(diǎn)：（1）對(duì)計(jì)算自主性予以提升，盡可能減少對(duì)電子計(jì)算的依賴。在實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，很多錯(cuò)誤均是因?yàn)殡娮佑?jì)算出現(xiàn)錯(cuò)誤導(dǎo)致的。所以，作為一名工程師或者建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)人員，應(yīng)減少對(duì)計(jì)算機(jī)計(jì)算的依賴，提升計(jì)算自主性。并對(duì)相關(guān)計(jì)算結(jié)果及數(shù)據(jù)反復(fù)核對(duì)，以免對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)造成影響。特別是對(duì)于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中載荷數(shù)據(jù)及相關(guān)尺寸的計(jì)算要反復(fù)進(jìn)行，不斷審核，避免差錯(cuò)發(fā)生。同時(shí)，對(duì)于相關(guān)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性、真實(shí)性要細(xì)致分析，避免其中的盲目性。（2）對(duì)計(jì)算結(jié)果要科學(xué)選用。在計(jì)算環(huán)節(jié)，通常會(huì)因?yàn)橛?jì)算參數(shù)的差異而導(dǎo)致所得結(jié)果的不同。因而，對(duì)于結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì)而言，也并非所有結(jié)果都適用。這就需要工程師或者相關(guān)人員對(duì)獲得結(jié)果予以分析，合理選用。（3）計(jì)算模型及實(shí)際結(jié)構(gòu)的不同。通常而言，計(jì)算程序由于其在設(shè)定過(guò)程中，是以理想和假定狀態(tài)為基礎(chǔ)的，因而，它與實(shí)際結(jié)果總會(huì)存在些許差異，實(shí)際結(jié)果的承受力與理想狀態(tài)及假設(shè)狀態(tài)之間總是存在距離的，它會(huì)隨著外在因素的改變而不斷發(fā)生變化。因此，在對(duì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將實(shí)際結(jié)果與模型所得結(jié)果反復(fù)比較，盡可能使二者相吻合，如果存在差距，則必須重新計(jì)算。

5 結(jié)語(yǔ)

高層建筑基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，在選型階段需要考慮地基持力層情況、上部結(jié)構(gòu)情況、穿越土層情況等，在選擇樁基作為高層建筑基礎(chǔ)時(shí)需要對(duì)影響樁尺寸的因素進(jìn)行考慮，從而最終設(shè)計(jì)形成安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、合理的高層建筑基礎(chǔ)。