建筑基礎結(jié)構(gòu)設計要點分析

楊罡

關(guān)鍵詞：高層;混凝土建筑;抗震結(jié)構(gòu);設計要點

引言

隨著我國經(jīng)濟和科技水平的不斷發(fā)展，城市建設的規(guī)模日新月異，建筑工程中新的技術(shù)新的需求不斷涌現(xiàn)，這就給結(jié)構(gòu)工程師在設計的過程中帶來了新的問題和挑戰(zhàn)。而在建筑設計中，作為建筑地基的基礎結(jié)構(gòu)設計，其重要性不言而喻。合理的基礎設計不但能夠提高整體結(jié)構(gòu)的安全性，同時還能節(jié)省下大量建筑成本和施工周期。相反，不合理的基礎設計輕則會在后期的施工階段和使用階段產(chǎn)生大量問題，重則會導致嚴重的安全生產(chǎn)事故，造成人員傷亡。只有確保建筑基礎工程的設計質(zhì)量，才能夠保證建筑的整體設計質(zhì)量。本文主要分析了建筑基礎設計中的一些設計要點，旨在進一步提高高層建筑基礎設計的合理性，從而提高建筑整體設計質(zhì)量，推動我國建筑行業(yè)的長遠發(fā)展。

1.建筑基礎位置的選擇

在實際的建筑工程設計流程中，建筑整體的布局和定位一般都是在方案階段確定的，而在建筑方案制定的過程中，往往都是由建筑設計師進行主導，結(jié)構(gòu)設計師通常較少參與其中。很多人因此忽視了結(jié)構(gòu)設計師在方案階段所應該起到的作用。合理的建筑方案，不但應該滿足建筑的各項指標，同時也應該結(jié)合場地的實際情況，做到因地制宜。以筆者2018年所參與的某住宅小區(qū)建筑設計為例，該住宅小區(qū)場地東西向約為220米，南北向約為150米，地塊整體呈矩形。在最初的建筑方案設計中，小區(qū)在地塊東側(cè)布置有六棟高層住宅，在西側(cè)布置有十三棟多層住宅。建筑方案初看上去似乎一切都很合理，各項土地指標也都能夠滿足。但是筆者在結(jié)合項目地勘報告仔細研究后，卻發(fā)現(xiàn)了一個問題。該住宅小區(qū)場地南側(cè)土層分布比較均勻，持力層主要為粘性土，承載力較高，而在小區(qū)北側(cè)存在著大面積的地下暗塘，地面以下約有四米都是淤泥質(zhì)土層，承載力極低，工程性質(zhì)很差，不適宜作為多層住宅的基礎持力層。如果按照原方案布置，將有五棟多層住宅的基礎落在暗塘范圍內(nèi)，這會導致這五棟多層住宅不得不采用樁基礎，而這就會直接導致建筑成本的增加。在和建筑設計師經(jīng)過多次協(xié)調(diào)修改后，最終方案改為在地塊北側(cè)設置高層住宅，而將所有多層住宅調(diào)整到土質(zhì)相對較好的南側(cè)地塊范圍內(nèi)，高層住宅采用樁基礎，多層住宅則全部采用天然地基上的淺基礎，同時建筑方案仍能夠滿足各項土地指標以及建筑需求。在這個過程中，通過結(jié)合項目場地實際情況，合理地調(diào)整建筑方案，為建設單位節(jié)省下大量的工程開發(fā)成本，同時大大地縮短了施工周期，也為設計單位贏得了良好的聲譽。

2.建筑基礎類型的選擇

建筑基礎類型的選擇相對簡單，但是也是需要結(jié)合地勘資料認真思考，如果掉以輕心，麻痹大意，有的時候也可能會造成不可挽回的后果。筆者在早年剛剛畢業(yè)參加工作不久時，曾參與到某棟公寓建筑施工圖設計中。該建筑主體為地上五層，地下一層的多層建筑。因建筑條件相對簡單，筆者當時并沒有仔細考慮，而是直接選擇了樁筏作為該棟建筑的基礎形式，并開始了后續(xù)的基礎設計。當筆者滿懷自信，將設計好的基礎施工圖打印好提交給結(jié)構(gòu)總工審核時，卻被當場澆了一頭冷水。經(jīng)過結(jié)構(gòu)總工的提醒和教導，筆者才發(fā)現(xiàn)，根據(jù)該項目的地勘報告，建筑場地內(nèi)土層分布均勻，基礎持力層范圍內(nèi)主要為粉質(zhì)粘土夾粉土，其承載力約為每平方米130KN，工程性質(zhì)良好。同時由于建筑本身有著一層地下室，通過簡單估算，上部五層結(jié)構(gòu)所增加的荷載減去開挖地下室所減少的土重后，基本等同于天然地基承載力，因此建筑的基礎形式完全可以采用天然地基上的筏板基礎。而筆者所設計的樁筏基礎，雖然符合國家規(guī)范，同時也沒有任何結(jié)構(gòu)安全方面的問題，但是卻在無形中卻產(chǎn)生了很大的浪費。筆者之后通過基礎設計軟件精確建模計算后知道，如果按照天然地基的筏板基礎進行設計，底板整體平均反力大約在每平方米165KN左右。而天然地基承載力經(jīng)過深度和寬度修正，能夠達在每平方米170KN，剛好能夠滿足建筑上部結(jié)構(gòu)所帶來的荷載要求。在該項目結(jié)束后，筆者進行工作復盤時，對基礎設計時結(jié)構(gòu)總工所給出的指導感觸很深。結(jié)構(gòu)設計師在面對任何項目，任何設計時，都應該認真對待，全力以赴，尤其不能忽視項目的地質(zhì)條件。如果沒有認真思考，草率設計，也許下次所產(chǎn)生的問題會更加棘手。

3.建筑基礎剛度的選擇

建筑基礎的剛度選擇也是建筑基礎設計中一個很重要的注意事項。基礎的剛度問題并不是一味的追求基礎剛度大或者是小。究竟是采用剛度較大的剛性基礎來平衡地基反力，增強結(jié)構(gòu)的整體性？抑或是采用剛度較小的柔性基礎，通過以柔克剛，從而達到節(jié)省材料的目的？這些選擇的背后往往與很多其他方面的因素有著千絲萬縷的關(guān)系，而這些都需要結(jié)構(gòu)工程師深思熟慮，抽絲剝繭，同時結(jié)合項目的實際情況來進行選擇。這里以筆者2019年參與的某酒店綜合樓基礎結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計項目為例。該項目中，建筑的主體為地上18層，地下1層，主體結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)。建筑的基礎采用了樁基筏板的形式，樁型為直徑500mm的管樁，有效樁長為30米，單樁承載力為2000KN，基礎底板采用2.2米厚的筏板，同時筏板內(nèi)配有32@150雙層雙向受力鋼筋。由于設計采用的單樁承載力不高，導致基礎范圍內(nèi)管樁布置數(shù)量較多，且有大量的管樁被布置在筏板跨中位置。而管樁所產(chǎn)生的樁基反力則全部由剛性基礎底板來承受，這就使得底板厚度不得不增加，以滿足樁基的沖切要求。同時，建筑的豎向傳力途徑復雜，上部結(jié)構(gòu)的荷載首先傳遞到底板，再通過剛性厚板分配到各個管樁，這就導致了建筑材料的嚴重浪費。而其基礎底板剛度過大的根本原因正是其樁型選擇的不合理。筆者在仔細研究項目的地勘報告后提出，如果將基礎樁型調(diào)整為大直徑的鉆孔灌注樁，提高設計的單樁承載力，同時遵循就近消滅原則，直接在上部結(jié)構(gòu)的剪力墻下布樁，讓上部荷載能夠就近傳遞到樁，再往下直接傳遞到各個土層，基礎底板從而僅需要承受有限的地基反力和水浮力，則能夠有效的減少基礎底板厚度。經(jīng)過筆者反復建模核算，最終的基礎設計方案修改為采用直徑800mm的鉆孔灌注樁，有效樁長為40米，單樁承載力提高至4000KN，所有樁都直接布置在剪力墻下，基礎底板厚度由原來的2.2米大幅度降低到1.2米，底板受力鋼筋也降低到25@150雙層雙向。

結(jié)語

本文結(jié)合了筆者的實際工作經(jīng)驗，提出了建筑的基礎結(jié)構(gòu)設計中幾個主要設計要點。而在實際的工程結(jié)構(gòu)設計中，除了文中所提以外，還有其他很多值得注意的地方，比如不同地區(qū)有著不同的地方規(guī)范要求，不同地區(qū)的人工成本和材料成本也不盡相同，或者雖是相同地區(qū)但卻有著不同的周邊環(huán)境，等等。這些都應該是結(jié)構(gòu)工程師在基礎設計過程中應該要考慮的內(nèi)容。只有全面調(diào)查，統(tǒng)籌思考，因地制宜，才能在建筑基礎結(jié)構(gòu)設計中事半功倍。

參考文獻

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[2] 朱炳寅，婁宇，楊琦.建筑地基基礎設計方法及實例分析[M].中國建筑工業(yè)出版社，2020.

[3]朱炳寅.建筑結(jié)構(gòu)設計問答及分析[M].中國建筑工業(yè)出版社，2020.