建筑基礎結構設計要點分析

楊罡

關鍵詞：高層;混凝土建筑;抗震結構;設計要點

引言

隨著我國經濟和科技水平的不斷發展，城市建設的規模日新月異，建筑工程中新的技術新的需求不斷涌現，這就給結構工程師在設計的過程中帶來了新的問題和挑戰。而在建筑設計中，作為建筑地基的基礎結構設計，其重要性不言而喻。合理的基礎設計不但能夠提高整體結構的安全性，同時還能節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生大量問題，重則會導致嚴重的安全生產事故，造成人員傷亡。只有確保建筑基礎工程的設計質量，才能夠保證建筑的整體設計質量。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量，推動我國建筑行業的長遠發展。

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，結構設計師通常較少參與其中。很多人因此忽視了結構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建筑設計為例，該住宅小區場地東西向約為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，小區在地塊東側布置有六棟高層住宅，在西側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。但是筆者在結合項目地勘報告仔細研究后，卻發現了一個問題。該住宅小區場地南側土層分布比較均勻，持力層主要為粘性土，承載力較高，而在小區北側存在著大面積的地下暗塘，地面以下約有四米都是淤泥質土層，承載力極低，工程性質很差，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，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。在和建筑設計師經過多次協調修改后，最終方案改為在地塊北側設置高層住宅，而將所有多層住宅調整到土質相對較好的南側地塊范圍內，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，通過結合項目場地實際情況，合理地調整建筑方案，為建設單位節省下大量的工程開發成本，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構總工審核時，卻被當場澆了一頭冷水。經過結構總工的提醒和教導，筆者才發現，根據該項目的地勘報告，建筑場地內土層分布均勻，基礎持力層范圍內主要為粉質粘土夾粉土，其承載力約為每平方米130KN，工程性質良好。同時由于建筑本身有著一層地下室，通過簡單估算，上部五層結構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，雖然符合國家規范，同時也沒有任何結構安全方面的問題，但是卻在無形中卻產生了很大的浪費。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構所帶來的荷載要求。在該項目結束后，筆者進行工作復盤時，對基礎設計時結構總工所給出的指導感觸很深。結構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條件。如果沒有認真思考，草率設計，也許下次所產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，增強結構的整體性？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系，而這些都需要結構工程師深思熟慮，抽絲剝繭，同時結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構優化設計項目為例。該項目中，建筑的主體為地上18層，地下1層，主體結構形式為剪力墻結構。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，導致基礎范圍內管樁布置數量較多，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，上部結構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，直接在上部結構的剪力墻下布樁，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。

結語

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

參考文獻

[1]建筑地基基礎設計規范（GB 50007-2011）.中國建筑工業出版社，2012.

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

[3]朱炳寅.建筑結構設計問答及分析[M].中國建筑工業出版社，2020.