高層建筑地基基礎設計方案的經濟合理性探討

文/盧標 上海之景市政建設規劃設計有限公司 上海 201399

在當前的經濟和社會效益下，結構優化設計的概念貫穿整個結構設計，而高層建筑的基礎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方案的經濟合理性。

1、地基基礎及地勘資料的重要性

地基基礎和高層建筑之間的關系主要是地基基礎決定高層建筑的穩定性。地基和基礎是建筑物的根基，地基的選擇或處理是否正確，基礎的設計與施工質量的好壞直接影響到建筑物的安全性、經濟性和合理性。

對于地基而言一旦相應的承載力不足，就可以判斷為軟弱地基，那么就應該對軟弱地基進行相應的處理。這里的軟弱地基主要指由淤泥、淤泥質土、沖填土、雜填土或其它高壓縮性土層構成的地基。對建在軟弱地基上的建筑物，在工程設計和地基處理方案確定前，應進行工程地質和水文地質勘察，查明軟弱土層的組成、地質成因、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等。建筑物基礎下面的地基情況千差萬別，特別是對于人民生命財產影響巨大的高層建筑，作為一個合格負責任的結構工程師，在基礎設計前一定要拿到符合本項目實際情況的地勘資料，切不可盲目進行設計。

2、選擇高層建筑地基基礎方案考慮因素

2.1 工程地質情況

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

2.2 規范對基礎埋置深度的要求以及如何為設計所用

JGJ3-2010規定高層建筑基礎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，增強高層建筑結構的穩定性、抗傾覆和抗滑移的能力。上海地區原并不要求高層一定要設地下室，蓮花河畔倒樓事件后，在地標地基規范中已明確要求十層及十層以上（或高度超過28m）建筑物必須設置地下室。以上規范對地下埋深的硬性要求又如何為設計所用呢？隨著人民生活水平的不斷提高，進而汽車數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，需要在地基基礎設計中結合巖土工程地質的實際情況、地下室和人防的設置、地基基礎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

從建筑穩定的角度來看，地基基礎的作用是非常重要的。所以設計師在設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據，以達到控制成本的目的。影響建筑穩定性的因素，需要對各個環節進行合理分析，最終篩選出一個比較科學的方案。

2.4 掌握科學合理的結構計算方法

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

3、高層建筑地基基礎設計的基本要求

高層建筑地基基礎設計要求是非常系統的，每一條都關系到建筑結構的安全性，其中包括地基的穩定性設計，結構的整體穩定性，地基的抗震性能，地基的承載力，地基與高層建筑基礎之間的搭配，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方案設計優化過程中既要保證方案的可行性以及保證建筑總體的穩定性，又要進行精密嚴謹的計算。

4、高層建筑地基基礎的多方案優選

4.1 制定合理的設計方案

建筑設計本身首先必須滿足建筑的特定地方環境，其次，要根據各地區的各種環境條件，嚴格選址進行開發建設，否則會對生態環境、人民生命財產等造成嚴重的危害，違反了生態保護的基本設計原則。

考慮到建筑結構的特點，結合高層建筑的巖土性質，建筑基礎常見形式分析如下：

⑴人工挖孔樁基礎：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。可適用于持力層在地下水位以上的各種地層，成樁質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預應力管樁基礎：這種樁基形式在江浙滬一帶應用較為廣泛，造價低，施工速度快，可以節約施工周期，加快項目的建設；但其有顯著的擠土效應，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的高層建筑。

⑶天然地基筏板基礎：天然地基基礎施工方便，周期短，成本低，筏板基礎作為高層建筑的基礎，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，但基坑底部基礎持力層整體巖土較好時是可以考慮這種基礎形式的，不過多適用于北方地區。

⑷復合地基筏板基礎：復合地基要充分發揮天然地基的承載力，在樁身豎向加固的基礎上，提高基礎下地基的綜合強度，減少基礎整體沉降和不均勻沉降，通過調節豎向增強體的長度、截面大小、布置形式以及間距使復合地基能夠承受上部結構荷載。復合地基還需要在樁體頂部設置墊層，充分利用地基的承載力，協調樁基與周圍巖土的搭配。復合地基具有較大的靈活性，也有經濟和時間的保證。對筏板基礎設計而言，與天然地基筏板基礎相同。

4.2 敢于采用新工藝、新技術

對于特定地區的場地，我們應該根據地勘報告提供的巖土地質特點考慮最合理的基礎方案，不要因為某種基礎形式當地使用的少就回避。不同地區有當地常用的基礎類型，甲方一般對新工藝在當地的可行性、經濟性缺乏信心，施工單位往往也會對不熟悉的工藝加以抵觸，這時對結構工程師就要敢于拿出以數據來說話的勇氣，包括工程技術和經濟性分析數據，以證實擬采取的基礎方案是否真正合理，也能夠說服項目參與各方。一個合理、經濟的基礎方案可以節約大量的人力物力，作為一個優秀且勇于擔當的結構工程師，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做法，這對于推廣新工藝、新技術、節約造價是非常有利的。

4.3 要注重建筑的經濟高效性

新型建筑材料的研發和先進施工技術發展速度非常快，對建筑業的效率和經濟也有很高的要求。因此，作為建筑行業的前期工作--設計工作亦須經濟高效地進行。傳統的設計理念已經開始過時了，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新理念，使用更為先進的建筑技術和優質建材，提高建材的使用效率降低生產成本，確保建筑設計的經濟高效。

4.4 要充分利用節能低碳理念

利用節能低碳建筑材料，并實現最高的利用率，所以選擇建筑材料時要結合低碳環保的理念，應該是最大程度的選擇低碳綠色建材為指導。現在設計成果中都已經要求有綠色建筑設計專篇，具體到地基基礎方面主要有對地基基礎優化設計、采用預拌混凝土、合理采用400MPa級受力鋼筋、合理采用高耐久性建筑結構材料等幾個方面。在選用混凝土和鋼結構等建筑材料時，要以低消耗，高效率，循環利用等特點來衡量。

結語：

在進行高層建筑地基基礎方案的優化設計時，要充分調查高層建筑的相關數據，尤其要注意現場巖土數據的可靠性，比如巖土勘察數據，地基、樁基承載力的確定至關重要。高層建筑基礎方案的優化是極為復雜的，所以，設計方案要有清晰地目標，合理的結構措施和準確的計算。

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