民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究

黃斌斌

（廣西路橋集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，建筑行業(yè)屬于支柱性產(chǎn)業(yè)，必須高度重視結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常面臨多種不確定因素，當(dāng)存在設(shè)計(jì)漏洞時(shí)就有可能引發(fā)安全事故，對(duì)和諧社會(huì)建設(shè)危害影響大。為規(guī)避不良問題，需結(jié)合結(jié)構(gòu)概念、設(shè)計(jì)過程，并考慮多種因素，對(duì)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案予以完善，確保施工工序安排的合理性，落實(shí)各項(xiàng)措施。通過大量建筑案例可知，融合概念設(shè)計(jì)措施，可加強(qiáng)主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，縮短工程建設(shè)周期，提高工程效益。

1 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原則

1.1 功能性原則

民用建筑作為人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦饕d體，是人們生存和發(fā)展的重要保障。現(xiàn)代社會(huì)，人們生活物質(zhì)、精神文化需求不斷改變，對(duì)建筑物的需求不再局限于居住、學(xué)習(xí)、工作等，提出了更多功能性需求，對(duì)建筑外觀、建筑舒適度、生態(tài)性和智能化程度等也有了一定的要求[1]。因此，建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮這一需求及未來發(fā)展方向，注重功能性設(shè)計(jì)原則，確保地基基礎(chǔ)能夠滿足新型民用建筑地基承載力的需求。

1.2 經(jīng)濟(jì)原則

建筑結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)應(yīng)貫徹經(jīng)濟(jì)原則。在加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，確保防水、承重和等級(jí)均符合國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，需要注意設(shè)計(jì)原材料和生產(chǎn)成本的投入，確保工程造價(jià)在合理范圍內(nèi)。同時(shí)，要綜合考慮多種因素，設(shè)計(jì)多個(gè)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，綜合比較建筑材料用量、施工難度、人工成本、工期等，選擇最能控制成本、擴(kuò)大企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。

1.3 協(xié)調(diào)原則

民用建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案直接影響到建筑物的安全。在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，應(yīng)以建筑整體為基礎(chǔ)，協(xié)調(diào)建筑結(jié)構(gòu)的剛度和延性設(shè)計(jì)，以滿足建筑低承載力和高延性的設(shè)計(jì)思想，避免因建筑結(jié)構(gòu)剛度過大和承載力突然增加而引發(fā)突發(fā)自然災(zāi)害。建筑物的損壞或倒塌，或由于結(jié)構(gòu)剛度過大而造成的建筑物變形[2]。同時(shí)，注重多個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的有效協(xié)調(diào)，形成多道防線，形成統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)整體，有效分解和消除外力，保持建筑的完整性。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)

與多層建筑結(jié)構(gòu)相比，高層建筑具有高度大、空間大和節(jié)省土地的優(yōu)點(diǎn)。在某種程度上，它們是城市土地的增值，是城市文明的象征。在啟動(dòng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，建筑結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)站在施工和使用的整體角度，運(yùn)用整體設(shè)計(jì)思維來考慮建筑的結(jié)構(gòu)體系和建筑布局方案，并對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)選擇。因此，有必要研究高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)[3]。大量研究表明，隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形將發(fā)生顯著變化，應(yīng)力和形變的主要控制因素將發(fā)生顯著改變，在地震指數(shù)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力指數(shù)和變形指數(shù)方面表現(xiàn)出其自身的特點(diǎn)，綜合分析表明，高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有以下顯著特點(diǎn)。

（1）與豎向荷載相比，高層建筑的水平荷載已成為設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的主要因素。與低層和多層建筑結(jié)構(gòu)相比，高層建筑的荷載系統(tǒng)主要分為兩部分。結(jié)構(gòu)不僅受到豎向荷載的影響，還受到水平風(fēng)荷載和地震水平力的影響。隨著建筑高度的增加，水平荷載的重要性越來越高，它成為控制結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抗震性能和水平位移的重要因素，這決定了高層建筑的設(shè)計(jì)不僅需要控制垂直荷載的指標(biāo)，還需要充分考慮水平風(fēng)荷載和地震作用。垂直荷載作用下建筑結(jié)構(gòu)軸向力的變化，以及水平荷載作用下彎矩和位移的變化。隨著建筑物高度的增加，由建筑物垂直荷載引起的結(jié)構(gòu)軸向力與樓層高度之間的相關(guān)性是線性函數(shù)，而由建筑物水平荷載引起的彎矩與建筑物高度之間的關(guān)系可以用二次數(shù)學(xué)函數(shù)表示，水平荷載引起的位移與建筑物高度之間的關(guān)系可以用四次數(shù)學(xué)函數(shù)表示。位移和彎矩的增加將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層間位移角的增加，梁柱結(jié)構(gòu)中的裂縫，并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體破壞。

（2）高層建筑結(jié)構(gòu)的豎向變形導(dǎo)致梁彎矩和柱剪力的增加。由于高層建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)力系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，即垂直支承系統(tǒng)和水平支承系統(tǒng)，這兩個(gè)應(yīng)力系統(tǒng)也會(huì)在結(jié)構(gòu)的兩個(gè)方向上產(chǎn)生位移。在豎向位移方面，在低層或多層結(jié)構(gòu)中，主要考慮偏心荷載對(duì)建筑物高度造成的彎矩和位移，而軸向荷載引起的變形可以忽略不計(jì)。隨著荷載的增加，彎矩和軸向力在高度方向上迅速增加，并呈現(xiàn)累積疊加變形的效應(yīng)，累積的大變形影響建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布。

3 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見問題

3.1 業(yè)主認(rèn)識(shí)程度不夠

許多開發(fā)商為了提高效率、獲得紅利，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)不夠，經(jīng)常會(huì)選擇設(shè)計(jì)費(fèi)用較低、設(shè)計(jì)周期更短的設(shè)計(jì)單位，并未從綜合實(shí)力的角度出發(fā)進(jìn)行考察比對(duì)。雖然設(shè)計(jì)費(fèi)用占建設(shè)項(xiàng)目總投資的比重較小，但會(huì)影響百分之八九十的建造成本。許多業(yè)主對(duì)設(shè)計(jì)專業(yè)不了解，認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只要通過驗(yàn)算合格即可，所以將更多的注意力集中在費(fèi)用比較上，這種情況很難選出高質(zhì)量的設(shè)計(jì)方案[4]。業(yè)主過于注重建筑造型，忽略結(jié)構(gòu)的重要性，迫使設(shè)計(jì)人員按照主觀臆想進(jìn)行設(shè)計(jì)，違背了科學(xué)性、合理性、可行性的基本原則。因此，質(zhì)量較低的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案輕則影響建筑美觀性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性，重則造成結(jié)構(gòu)安全隱患。

3.2 設(shè)計(jì)水平參差

為了節(jié)省時(shí)間和勞動(dòng)力，許多設(shè)計(jì)師認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案滿足相關(guān)規(guī)范就足夠了，并且對(duì)使用功能和經(jīng)濟(jì)合理性方面不夠重視，無(wú)法真正從業(yè)主的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，一些設(shè)計(jì)規(guī)范相對(duì)滯后，因此不能以通過審查為目標(biāo)降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的門檻。目前，結(jié)構(gòu)選擇不合理、結(jié)構(gòu)布局不當(dāng)、構(gòu)件尺寸過大等問題屢見不鮮，不僅會(huì)損害業(yè)主的利益，還會(huì)影響建筑的整體性能甚至結(jié)構(gòu)安全。同時(shí)，我國(guó)許多計(jì)算軟件還不成熟，缺乏方法和理論。設(shè)計(jì)者需要具備一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，才能做出綜合判斷，確保計(jì)算模型和計(jì)算結(jié)果的合理性。在滿足剛性要求的前提下，有效減少資源浪費(fèi)，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

3.3 結(jié)構(gòu)梁設(shè)計(jì)問題

在房屋建筑中，梁起著承重的作用，是建筑安全的重要保障。結(jié)構(gòu)梁的設(shè)計(jì)問題主要體現(xiàn)在梁高和連續(xù)梁的設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。首先，在對(duì)房屋建筑中的梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往注重梁的強(qiáng)度和剛度，而忽視了梁高和撓度。隨著時(shí)間的推移，這類房屋建筑中梁的穩(wěn)定性將越來越差，梁的撓度也將持續(xù)增大，甚至梁還有可能在建筑結(jié)構(gòu)的擠壓作用下出現(xiàn)變形、開裂等問題。而一旦產(chǎn)生裂紋，即使是細(xì)微震動(dòng)，也有可能造成梁的裂紋迅速擴(kuò)大，進(jìn)而導(dǎo)致房屋建筑成為危房，甚至失去居住功能。其次，連續(xù)梁變形、開裂也是房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中值得關(guān)注的問題。房屋承重力計(jì)算的過程比較復(fù)雜，并且需要考慮各方面的影響因素，因此，個(gè)別設(shè)計(jì)人員為了減少工作量，甚至?xí)⑦B續(xù)梁當(dāng)作邊梁來進(jìn)行承重能力計(jì)算。此舉將導(dǎo)致連續(xù)梁受到溫度變化的影響而在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈變化，如發(fā)生明顯的收縮或者拉伸等情況，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂痕進(jìn)一步擴(kuò)大、加深[5]。

4 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 明確設(shè)計(jì)依據(jù)

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的落實(shí)應(yīng)該首先從依據(jù)著手，確保該設(shè)計(jì)依據(jù)符合相關(guān)要求，注意對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供可靠指導(dǎo)，進(jìn)而避免在后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)偏差問題?；谠O(shè)計(jì)依據(jù)方面的明確和選定而言，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該重點(diǎn)考慮到房屋建筑結(jié)構(gòu)面臨的所有影響因素，尤其是對(duì)于可能干擾房屋建筑結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的各個(gè)因素，更是需要重點(diǎn)分析明確，由此指導(dǎo)后續(xù)房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。為了保障相應(yīng)設(shè)計(jì)的依據(jù)較為準(zhǔn)確全面，除了要全面掌握所有有待考慮的參數(shù)信息外，往往還需要重點(diǎn)從項(xiàng)目所在地的相關(guān)資料入手，進(jìn)行全方位調(diào)查分析，由此更好形成準(zhǔn)確指導(dǎo)效果[6]。比如在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該充分考慮到基本風(fēng)壓、基本雪壓、抗震設(shè)防烈度、標(biāo)準(zhǔn)凍深等基本信息，由此更好實(shí)現(xiàn)房屋建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及上部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免在這些不利影響因素下出現(xiàn)受損問題。此外，對(duì)于房屋建筑的分類等級(jí)也需要予以明確，只有所有分類等級(jí)得到確定，才能夠更好確保后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作較為科學(xué)合理，避免了可能出現(xiàn)的設(shè)計(jì)不到位現(xiàn)象。例如，針對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)、地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)、抗震設(shè)防類別以及抗震等級(jí)等，都需要予以明確，以此形成較為理想的優(yōu)化指導(dǎo)效果。

4.2 優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

在建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也是一項(xiàng)相對(duì)重要的任務(wù)。如果基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不當(dāng)，勢(shì)必嚴(yán)重影響最終整體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，這已成為當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。為了確保建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理，設(shè)計(jì)師往往需要首先增加對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的調(diào)查和分析，以促進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形成良好的適應(yīng)性，解決基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)帶來的問題。嚴(yán)重偏差問題[7]。因?yàn)榻ㄖ锼趨^(qū)域的許多因素將嚴(yán)重影響基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此有必要進(jìn)行全面和詳細(xì)的檢查和控制。例如，場(chǎng)地形成條件、水文地質(zhì)條件、腐蝕因素等將直接影響基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮這些因素。在綜合考慮影響因素的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)重點(diǎn)對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的選擇和具體布置條件進(jìn)行綜合分析，以促進(jìn)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)發(fā)揮其保證穩(wěn)定性的作用，減少后續(xù)施工處理。

5 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

5.1 確定地基埋深

近年來，民用建筑多為高層建筑，高層建筑箱型和筏型基礎(chǔ)的埋置深度應(yīng)滿足地基承載力、變形和穩(wěn)定性的要求。在抗震設(shè)防區(qū)，除巖石地基外，天然地基上的箱型和筏型基礎(chǔ)埋深不宜小于建筑物高度的1/15；樁箱或樁筏基礎(chǔ)埋深不宜小于建筑高度的1/18。位于巖石地基上的高層建筑，其基礎(chǔ)埋深應(yīng)滿足抗滑要求。同時(shí)很多高層建筑都會(huì)設(shè)置地下室部分，其優(yōu)勢(shì)在于豐富建筑結(jié)構(gòu)功能性，擴(kuò)大建筑物空間，提高土地資源利用率，解決埋設(shè)深度問題，但也相應(yīng)增加了建筑施工難度，在確定地基埋深時(shí)，還需要綜合考慮建筑物的使用價(jià)值。民用建筑場(chǎng)地的地理空間位置也會(huì)對(duì)地基埋深產(chǎn)生影響，例如，某項(xiàng)目建筑為大型商業(yè)綜合體建筑，屬于區(qū)塊核心位置，臨近城市主干道，周圍建筑多為商業(yè)辦公樓、住宅小區(qū)，地下管線埋設(shè)復(fù)雜[8]。在確定地基埋深時(shí)，為避免對(duì)臨近建筑物產(chǎn)生干擾，要進(jìn)行全面細(xì)致的測(cè)量工作，收集相關(guān)資料，盡可能將影響降至最低，保障建筑正常使用和安全。

5.2 考慮地基承載力

基礎(chǔ)應(yīng)根據(jù)承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如，對(duì)于使用天然基礎(chǔ)和獨(dú)立基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)，承載力必須滿足以下條件：上部結(jié)構(gòu)的垂直荷載傳遞到獨(dú)立基礎(chǔ)，獨(dú)立基礎(chǔ)產(chǎn)生的基底壓力不能超過基礎(chǔ)的承載力。例如，對(duì)于使用樁基和承臺(tái)的結(jié)構(gòu)，計(jì)算承載力時(shí)需要滿足以下條件：上部結(jié)構(gòu)的垂直荷載傳遞到承臺(tái)，然后傳遞到樁基。此時(shí)，樁基承受的垂直力不應(yīng)超過地基承載力的特征值。正常使用時(shí)滿足的條件主要是基礎(chǔ)沉降、樁基沉降變形、樁基抗裂性、裂縫寬度驗(yàn)算等。例如，在主裙樓綜合設(shè)計(jì)中，在考慮地基承載力時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，確定基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，對(duì)主體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)行深度修正，充分考慮基礎(chǔ)底面范圍內(nèi)的荷載，并考慮基礎(chǔ)兩側(cè)的超載[9]。如有必要，確定基礎(chǔ)的深度。通常，當(dāng)?shù)鼗鶅蓚?cè)的過載不相等時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)的地基承載力基于最小值，當(dāng)?shù)鼗鶅蛇叺倪^載是地基寬度的兩倍時(shí)，土層厚度作為參考。同時(shí)，巖石地基具有比土壤地基更高的地基承載力，可以對(duì)完整、相對(duì)完整、破碎的巖體進(jìn)行地基荷載試驗(yàn)，并根據(jù)飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算地基承載力特征值。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，民用建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為地基基礎(chǔ)，發(fā)揮著支撐建筑物整體穩(wěn)定性和安全性的重要作用?，F(xiàn)階段，社會(huì)發(fā)展對(duì)民用建筑提供了許多新要求，包括環(huán)保性、功能性、經(jīng)濟(jì)性、協(xié)調(diào)性等，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)之前，必須做好地質(zhì)勘察和基礎(chǔ)選型，編制合理地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，合理計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)，如地基埋深、地基承重力等，選擇適宜獨(dú)立基礎(chǔ)或復(fù)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法。在滿足建筑需求和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，盡可能優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，提升基礎(chǔ)設(shè)計(jì)質(zhì)量，從而提升民用建筑整體建設(shè)效果。