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

雷 博

(蘭州理工大學(xué)建筑勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

在建筑行業(yè)飛速發(fā)展的背景下，越來越多的施工企業(yè)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量提高了要求。作為建筑結(jié)構(gòu)的核心，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)質(zhì)量決定了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，如果未進(jìn)行合理的處理，將會(huì)降低基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，影響民用建筑的整體質(zhì)量。若基礎(chǔ)承載力不夠，一旦受到重大外力，就會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、沉降等問題。因此，施工企業(yè)要提高對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重視度，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、提升技術(shù)水平、掌握設(shè)計(jì)要點(diǎn)，在增強(qiáng)基礎(chǔ)穩(wěn)固性的同時(shí)，節(jié)約施工成本，提高民用建筑的施工質(zhì)量。

1 工程案例

工程位于當(dāng)?shù)刂鞒菂^(qū)西南部，距主城區(qū)核心區(qū)9km，交通便捷，地理位置優(yōu)越。占地面積332 630m2，基地中間穿過綠化帶，其中11R地塊占地126 847m2，10R地塊占地面積104 350m2，環(huán)外住宅地塊占地101 433m2。共建高層住宅30棟，公共建筑3棟，涉外專家公寓40棟，地下設(shè)有停車場2層，地下建筑面積69 212m2。其中，公共建筑共3層，高度41m；涉外專家公寓共5層，地下2層，地上3層，高度13m；高層住宅12～30層，高度46～130m。

2 影響民用建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的因素

2.1 上部結(jié)構(gòu)的安全性

地基、上部結(jié)構(gòu)是民用建筑的重要部分，只有設(shè)計(jì)人員協(xié)調(diào)好兩者的關(guān)系，才能發(fā)揮出實(shí)際作用，提高民用建筑的施工質(zhì)量。一般而言，民用建筑的安全性和上部結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，上部結(jié)構(gòu)安全與否又和受力構(gòu)件、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有關(guān)。在設(shè)計(jì)地基基礎(chǔ)之前，要基于規(guī)范要求考慮上部結(jié)構(gòu)的剛度[1]。由于地基形式的不同，上部結(jié)構(gòu)的形式也有所差異。因此，設(shè)計(jì)人員要加深對(duì)上部結(jié)構(gòu)剛度的了解，依托剛度特征科學(xué)設(shè)計(jì)。地基基礎(chǔ)見圖1。

圖1 民用建筑結(jié)構(gòu)地基基礎(chǔ)

2.2 施工環(huán)境

由于土地資源有限，城市中出現(xiàn)了很多的大型或高層建筑。大型建筑對(duì)地基的承載力要求高，天然地基又很難承受建筑物的沉降量、承載力，因此多選擇樁基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)的運(yùn)用能夠提高建筑工程的穩(wěn)固性，然而由于城市建筑密集，沉樁作業(yè)會(huì)破壞周圍環(huán)境。樁施工可能會(huì)影響工程造價(jià)、質(zhì)量，特別是打樁操作，會(huì)帶來噪音、震動(dòng)等，造成不可挽回的損失。鑒于此，施工企業(yè)要在打樁施工前進(jìn)行全方位的分析，將危害降至最低。

2.3 地質(zhì)條件

在設(shè)計(jì)人員進(jìn)行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，要全面了解周圍環(huán)境、施工現(xiàn)場，親自到現(xiàn)場調(diào)研，做好前期資料的分析工作。同時(shí)，依托調(diào)查結(jié)果模擬施工場地，包括排污、地形地勢等。即便建筑物相同，不同的施工環(huán)境、施工方案都會(huì)給設(shè)計(jì)、施工帶來一定的影響。對(duì)此，施工人員要盡可能地選擇簡單的處理方法，切實(shí)發(fā)揮出天然地基的優(yōu)勢[2]。在民用建筑設(shè)計(jì)和施工中，除了要考慮工程質(zhì)量外，還要考慮經(jīng)濟(jì)效益。但是，民用建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中常出現(xiàn)和設(shè)計(jì)需求不符的問題，需要優(yōu)化地基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而增強(qiáng)地基基礎(chǔ)的安全性。

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

3.1 獨(dú)立基礎(chǔ)

在民用建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中，獨(dú)立基礎(chǔ)是比較常用的形式，分為柔性和剛性獨(dú)立基礎(chǔ)。獨(dú)立基礎(chǔ)具有抗震能力好、成本低等特點(diǎn)，通常設(shè)置在現(xiàn)澆混凝土柱、承重柱之下，采用澆筑混凝土的方式固定。在獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)期間，設(shè)計(jì)人員要全面考慮施工場地的土壤、地質(zhì)特征，科學(xué)地選擇基礎(chǔ)類型。在該工程中，地基土壓縮性弱，土壤黏合力小，使用柔性獨(dú)立基礎(chǔ)。具體設(shè)計(jì)中，可使用杯形、坡形基礎(chǔ)，根據(jù)施工現(xiàn)場的情況，合理地選擇設(shè)計(jì)類型，以滿足民用建筑的穩(wěn)固性要求。同時(shí)，科學(xué)規(guī)劃基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，完成單獨(dú)的優(yōu)勢設(shè)計(jì)，綜合完成相關(guān)安排，確保不會(huì)出現(xiàn)安全質(zhì)量問題。

3.2 墻下條形基礎(chǔ)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上完成相關(guān)工作，滿足建筑的使用需求。在建筑墻下設(shè)置條形基礎(chǔ)，整體建設(shè)依靠混凝土完成，混凝土耐久性強(qiáng)，可以增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的安全性。對(duì)于高度較低的建筑物，相關(guān)優(yōu)勢要通過合理造價(jià)安排；對(duì)于相關(guān)建設(shè)而言，其優(yōu)勢是造價(jià)低、操作方便。因此,對(duì)于工程整體來講，要結(jié)合具體情況因地制宜地改進(jìn)剛度。

3.3 復(fù)合基礎(chǔ)

復(fù)合基礎(chǔ)隸屬于人工基礎(chǔ)，承重能力強(qiáng)，能夠支撐上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。復(fù)合基礎(chǔ)的作用是增強(qiáng)地基的承載力、抗沉降能力，涉及內(nèi)容多，包括灌漿、強(qiáng)夯等，依托復(fù)合基礎(chǔ)對(duì)地基進(jìn)行設(shè)計(jì)，可增強(qiáng)地基的承重能力、荷載能力。在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中，使用復(fù)合基礎(chǔ)應(yīng)對(duì)和改善土層的缺陷問題。值得注意的是，復(fù)合基礎(chǔ)的承重能力由增強(qiáng)體、基體共同實(shí)現(xiàn)，因此其組成、受力結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜[3]。另一方面，由于復(fù)合基礎(chǔ)施工工藝復(fù)雜，要求在設(shè)計(jì)復(fù)合基礎(chǔ)時(shí)基于地基要求，科學(xué)地選擇復(fù)合基礎(chǔ)類型。

3.4 閥形基礎(chǔ)

閥形基礎(chǔ)是指將底板連成片作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)這種結(jié)構(gòu)時(shí)，基于情況不同分為平板式、梁板式兩種形式，由于閥板剛度大，設(shè)計(jì)過程中要避免不均勻沉降，保證建筑結(jié)構(gòu)的牢固性。在確定閥板厚度時(shí)，從抗剪切力、抗沖切等方面著手，采用簡化計(jì)算法計(jì)算閥板的具體數(shù)值。

4 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的優(yōu)化措施

4.1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的優(yōu)化措施

4.1.1合理選型

為了保證民用建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的合理性，工作人員要基于工程要求合理選擇基礎(chǔ)類型。目前，獨(dú)立基礎(chǔ)的抗震性、經(jīng)濟(jì)性都比較好，在地基變形適應(yīng)方面效果理想。但是，部分地基不夠均勻，和地基承載力的需求嚴(yán)重不符。如果獨(dú)立基礎(chǔ)選擇盲目，可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的問題。在民用建筑施工中，常見結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土閥板，其可以同時(shí)作為地下室底板、閥板，承載力強(qiáng)，施工簡便。在具體設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員要嚴(yán)格把控相關(guān)參數(shù)，比如配筋率(最小)、高度等。基礎(chǔ)施工通常會(huì)涉及體積較大的結(jié)構(gòu)，需要使用混凝土技術(shù)(大體積)，如果未合理管控施工工藝，可能會(huì)出現(xiàn)施工裂縫。因此，施工人員要科學(xué)設(shè)置后澆帶，有效處理裂縫問題，一般為800～1 000mm。

另外，有些高層建筑建在天然基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)施工時(shí)要嚴(yán)格控制埋深，提高抗滑性能。在我國城市建設(shè)進(jìn)程加快的背景下，高層建筑可以很好地解決城市用地緊張的問題，合理的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)可以保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性，改善軟土地基的性能。多數(shù)情況下，城市建筑的選址距離舊建筑比較近，如果新建筑埋深多于原建筑，將會(huì)影響原建筑的穩(wěn)定性；如果未采用有效的保護(hù)措施，會(huì)引發(fā)坍塌、變形等問題[4]。為了避免這些問題的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員要嚴(yán)格設(shè)置新舊建筑的安全距離，依托相關(guān)指標(biāo)和要求明確安全距離，從多個(gè)方面綜合考量。

4.1.2科學(xué)設(shè)置基礎(chǔ)埋深

在天然的地基上，建筑箱形、閥形基礎(chǔ)埋深要符合要求，盡可能地確保其抗滑移性和抗傾覆性，避免發(fā)生意外。隨著經(jīng)濟(jì)水平的提升以及城市進(jìn)程的加快，城市建筑的占地面積受到一定限制，造成高層建筑越來越密集。現(xiàn)階段，高層建筑都配有地下室，建筑難度增加，不僅要考慮埋深問題，還要滿足使用價(jià)值。由于建筑使用的基礎(chǔ)形式不同，其埋深也有所差異，需要從工程地質(zhì)、建筑高度等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。本工程使用閥形基礎(chǔ)，埋深10m，寬度15m，基底壓力400kPa，地基土層見表1。

表1 地基土層參數(shù)分析

4.1.3合理選擇施工材料

混凝土、配筋等是民用建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的重要部分，和建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性、安全性有直接關(guān)系。因此，要合理選擇配筋、混凝土等材料，適當(dāng)提高施工標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的耐久性，確保其符合施工標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員在選擇配筋材料時(shí)，要確保其和最小配筋相匹配，結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙科學(xué)設(shè)置，并對(duì)基礎(chǔ)寬度進(jìn)行調(diào)整，精準(zhǔn)定位構(gòu)造柱，提高基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的可靠性。

4.1.4加強(qiáng)性能計(jì)算

(1)穩(wěn)定性計(jì)算。目前，大多數(shù)工程都存在抗浮穩(wěn)定性差的問題。對(duì)此，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)工程情況和要求科學(xué)設(shè)置構(gòu)件，或采用增壓的方式解決。如果局部抗浮未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人員可采用增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度的措施，比如使用抗拔樁，在抗拔樁位置變動(dòng)時(shí)，其抗拔力也隨之增加。為了防止結(jié)構(gòu)位移較大，設(shè)計(jì)人員要科學(xué)設(shè)置抗拔力值。如果建筑物在變形方面的要求比較高，設(shè)計(jì)人員可通過變形計(jì)算明確抗拔樁的承載力[5]。

(2)承載力計(jì)算。很多建筑都采用裙房、主樓一體化的方案，要求設(shè)計(jì)人員在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)兩側(cè)超載情況對(duì)基礎(chǔ)底部的荷載進(jìn)行計(jì)算，以基礎(chǔ)寬度的2倍計(jì)算超載寬度，提高計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)性。如果工程處于巖石地基，設(shè)計(jì)人員可通過荷載試驗(yàn)明確承載力，依托承載力優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

4.2 裝配式結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

和以往的建筑結(jié)構(gòu)相比，裝配式結(jié)構(gòu)具有顯著優(yōu)勢：其一，可以提高生產(chǎn)效率，加強(qiáng)設(shè)計(jì)和施工之間的聯(lián)系；其二，加快施工效率。裝配式構(gòu)件由三維模型、數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)，因此構(gòu)件精度高，有效地縮短了施工周期。在民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，裝配式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在細(xì)部構(gòu)造上，包括接縫、防滲透等設(shè)計(jì)，特別是上下側(cè)接縫、相鄰墻板拼接等相關(guān)內(nèi)容。

4.2.1建筑平面設(shè)計(jì)

在民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，平面設(shè)計(jì)顯得至關(guān)重要，包括預(yù)制構(gòu)件規(guī)格與平面尺寸、合理設(shè)計(jì)門窗、位置要求等。在平面設(shè)計(jì)中，門窗多采用上下對(duì)齊或成列分布的方式，對(duì)提高建筑工程的美觀性、降低施工成本等具有重要意義。

4.2.2相關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、受力結(jié)構(gòu)等有著直接影響，一般涉及門窗安裝、外墻尺寸等相關(guān)內(nèi)容。對(duì)于裝配式結(jié)構(gòu)中的門窗設(shè)計(jì)來講，可以采用無門窗副框安裝的形式，來提高門窗、預(yù)制板墻的連接性能，避免外墻洞口、外墻接縫出現(xiàn)滲漏問題。同時(shí)，相關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)還要做好防滲漏、防水處理，從而提高外墻節(jié)點(diǎn)的密實(shí)度。

4.2.3外墻立面設(shè)計(jì)

裝配式結(jié)構(gòu)在外墻立面的設(shè)計(jì)，實(shí)際上是對(duì)單元立面的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)過程，通過對(duì)相關(guān)元素的組合、拆分，生產(chǎn)出符合標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件進(jìn)行安裝。在外墻立面設(shè)計(jì)過程中，要格外注意以下幾點(diǎn)：其一，保證立面的功能性，由于民用建筑內(nèi)部功能會(huì)影響建筑造型、立面效果等，因此多使用平面組合的方式設(shè)計(jì)。其二，滿足外墻立面的設(shè)計(jì)需求，比如將立面拆分為預(yù)制陽臺(tái)、外墻等，基于不同的組合形式，對(duì)立面造型進(jìn)行豐富[6]。值得注意的是，在外墻立面設(shè)計(jì)期間，要選擇環(huán)保型的石材、涂料等材料。

4.2.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝配式結(jié)構(gòu)基于民用建筑的用途、功能等，主要分為主體結(jié)構(gòu)、附加結(jié)構(gòu)。前者是裝配式結(jié)構(gòu)的重要部分，包括剛節(jié)點(diǎn)、鋼梁等；后者由加勁肋、連接板等構(gòu)件組成。裝配式結(jié)構(gòu)不同，附加和主體結(jié)構(gòu)不同，其作用也存在一定的差異。因此，在設(shè)計(jì)裝配式結(jié)構(gòu)的過程中，特別是制作、安裝等環(huán)節(jié)，要科學(xué)計(jì)算預(yù)制構(gòu)件的相關(guān)參數(shù)，確保工廠所制作的構(gòu)件符合實(shí)際需要。實(shí)際設(shè)計(jì)中，要盡量避免固定連接件的預(yù)埋吊件、臨時(shí)支撐件的設(shè)計(jì)。對(duì)于有特殊要求的構(gòu)件，要根據(jù)要求設(shè)計(jì)。若某構(gòu)件對(duì)地震抵抗力的要求較高，在設(shè)計(jì)中要綜合考慮構(gòu)件變形、承載力等性能。

5 結(jié)語

綜上所述，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)質(zhì)量關(guān)乎著建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和質(zhì)量水平。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員要從工程實(shí)際著手，提高對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)注度，全面考慮各因素對(duì)設(shè)計(jì)方案和結(jié)果帶來的影響，并提出針對(duì)性的解決措施，從而提高基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全性，提升民用建筑的施工質(zhì)量。