建筑結(jié)構(gòu)地基基礎設計優(yōu)化
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［摘要］地基基礎設計作為提高工程質(zhì)量的重要方式，其承載著整個建筑物所有荷載，作為導體將這些荷載全部傳輸?shù)降鼗林?，從而確保整個建筑結(jié)構(gòu)的安全性，對于整個建筑質(zhì)量具有至關(guān)重要的作用。由于在整個基礎設計方法選擇過程中，設計人員要考慮到各方面因素，如工期、結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性、安全性、環(huán)境等方面因素，這些因素中有很多因素根本無法用數(shù)字進行表達，很容易導致其出現(xiàn)無法分辨優(yōu)劣的問題。因此，如何根據(jù)工程項目要求，選擇科學的地基基礎設計方式是目前設計人員亟需解決的問題。基于此，本文通過分析實際工程案例，再結(jié)合現(xiàn)場施工不同方面的情況，如周邊環(huán)境、水文地質(zhì)條件、場地工程地質(zhì)條件等，提出多樣化設計方案，再利用對比分析的方式來優(yōu)化現(xiàn)有方案，從而取得最有效的地基基礎方案。
［關(guān)鍵詞］基地基礎；設計；KPPM；工程成本；層次分析法
近年來，隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，建筑行業(yè)獲得巨大發(fā)展空間的同時，人們對于工程建筑質(zhì)量提出了更高要求。建筑基礎通常承載所有從上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的荷載，是保障整個建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)，不同建筑物的外形和功能不同，導致建筑上部結(jié)構(gòu)愈發(fā)復雜，給建筑地基基礎設計環(huán)節(jié)提出更高要求，尤其在高層建筑地基設計中，基礎環(huán)節(jié)造價在工程總造價方面占比在1/3左右，施工工期占據(jù)總施工工期的30%。同時，建筑物上部結(jié)構(gòu)具有規(guī)律性強、受力明顯等特征，隨著我國地基施工技術(shù)和設計技術(shù)愈發(fā)成熟，基礎環(huán)節(jié)設計工作成為建筑工程的關(guān)鍵點，特別是在高層建筑中的基坑工程中極其常見。地下環(huán)境非常復雜，很容易受到外界因素影響，導致其基礎施工、基坑降水等工序難度較高，往往需要投入大量資金，才能確?；A工程的穩(wěn)定性。基于此，本文通過分析實際工程案例，再結(jié)合現(xiàn)場施工不同方面的情況，如周邊環(huán)境、水文地質(zhì)條件、場地工程地質(zhì)條件等，提出多樣化設計方案，再利用對比分析的方式來優(yōu)化現(xiàn)存方案，從而取得最有效的地基基礎方案[1]。
1常見基礎形式和選擇
1.1無筋擴展基礎
無筋擴展基礎屬于剛性基礎，其主要具有毛石、塊石、素混凝土、磚等材料，讓整個基礎具有較強的抗拉強度和抗壓強度。因此，工作人員在設計無筋擴展基礎過程中，要提前確定基礎主要承受壓應力。在正常情況下，無筋擴展基礎通常是以階梯形式出現(xiàn)在人們視線范圍內(nèi)，其臺階寬度和高度比例要滿足如下要求：（1）公式（1）中：bi和Hi表示基礎某階段的寬度和高度；tanα表示基礎剛性角。1.2擴展基礎擴展基礎是無筋擴展基礎升級版本，能解決基礎剛性角給基礎外形造成的影響，讓整個基礎截面形式具有較強的經(jīng)濟性和靈活性。目前，擴展基礎憑借自身具有較強的靈活性，被廣泛應用到日常工程建設中，工作人員會結(jié)合具體情況來準確計算基礎和上部結(jié)構(gòu)連接處的抗剪能力，再嚴格遵循行業(yè)抗彎要求，來計算擴展基礎底部的鋼筋配置量，從而確定頂面局部所承受的壓力和承載力[2]。
1.3柱下條形基礎
目前，條形基礎將散落在不同區(qū)域的柱子通過基礎梁將其連接成一個整體，在特定環(huán)境下具有較強的實用性。同時，由于柱下條形基礎具有較強的抗彎性能，能有效調(diào)整獨立基礎形式中基礎存在不均勻沉降的問題，在軟弱建筑場地地基土地上擁有良好的適用性。另外，柱下條形基礎在不同方面的截面中都具有較強的剪力和彎矩力，這些力全部是讓基礎梁來承受，基礎梁的縱向內(nèi)力計算方法一般利用線性分布法和彈性地基梁法來進行，這種基礎能應用在高層建筑中，但和柱下獨立基礎相比，其往往需要耗費更高資金，所以在正常情況下，當獨立基礎能滿足房屋變形和承載力要求，可優(yōu)先采用獨立基礎設計。
1.4樁基礎
如果場地中復合地基和淺層地基無法滿足建筑荷載要求，工作人員可通過利用具有較強物理力學性能的土層作為持力層，來優(yōu)化深基礎設計方案。和淺基礎設計方案相比，深基礎設計方案具有變形小、埋深大、承載力高等特征，被逐漸普及到我國建筑行業(yè)中，其施工和設計較為復雜。同時，樁基礎通常安裝在巖土中，其是由基樁和承臺相互組成，承臺是將大量根基樁進行相互連接，再將上部結(jié)構(gòu)荷載均衡分布在不同基礎上；而基樁通常埋在地基中，是利用樁四周土的摩擦作用和端承作用，將上部結(jié)構(gòu)荷載全部應用到樁的四周土壤中。在實際工程施工中，基樁不止能和承臺進行配合應用，還能和箱型基礎相互配合，形成樁箱基礎。當樁直徑較寬時，工作人員可節(jié)省承臺流程，構(gòu)成單樁基礎形式[3]。
2地基基礎設計的基本原則
在地基基礎設計過程中，設計人員要嚴格遵循因地制宜的原則，地基基礎設計前要分析地基各方面情況，如功能特征、建筑規(guī)模、復雜程度等要素，將地基使用程度分為甲、已、丙三個級別。在地基基礎設計時，要根據(jù)長期荷載作用和地基基礎設計等級來判斷地基變形對上部結(jié)構(gòu)帶來的影響，且地基基礎設計要滿足如下規(guī)定：（1）不同等級的基礎設計全部要符合承載力要求；（2）在面對設計等級是乙和甲級別的基礎，要嚴格遵循行業(yè)要求來設置變形值；（3）對丙級建筑物設計，要提前利用專業(yè)設備來分析地基承載力，如果發(fā)現(xiàn)其承載力低于130kpa，很容易造成地基出現(xiàn)不均勻沉降、傾斜、自重固結(jié)不足等問題，工作人員要及時做變形計算。（4）當遇到地面坡度較高的建筑物時，要驗算其穩(wěn)定性；（5）基坑工程穩(wěn)定性計算；（6）在設計建筑物地下環(huán)節(jié)時，工作人員應結(jié)合現(xiàn)場實際情況來判斷是否需要做抗浮驗算。
3鄭州鞋業(yè)生產(chǎn)中心地基基礎設計
3.1工程概況
鄭州鞋業(yè)生產(chǎn)中心工程場地坐落在長江路和京廣路的連接點，鄭州市第六人民醫(yī)院的北面。擬建工程主要是由地上連體建筑和地下室相互組件而成，其中有兩個東西均勻分布的主塔和裙房，主塔環(huán)節(jié)在地上具有26層，地下三層屬于地下室，裙樓環(huán)節(jié)地上有九層，地下三層為地下室，東西長度和寬度分別為153.30m、80.70m，整個框架采用剪力墻結(jié)構(gòu)，單柱荷載在32000kN，柱網(wǎng)間距規(guī)格為8.4×8.1m。
3.2基礎形式初選
通過分析建筑地基和上部荷載基本情況，發(fā)現(xiàn)可利用天然地基和筏形基礎設計方式，將基礎埋深控制在10.80m，將粉砂作為持力層，將粉質(zhì)黏土全部挖掘出來，再利用級配砂石分層壓實到基層設計標高，然后利用專業(yè)手段進行深寬修正，發(fā)現(xiàn)地基承載力為387kpa，該強度仍然無法滿足上部荷載要求。因此，本工程可采用樁基礎設計方式，對于上部荷載較小，且處理后復合地基承載力低于500kpa，工作人員可結(jié)合現(xiàn)場實際情況利用石灰樁法、水泥土攪拌樁法來進行地基處理；當上部荷載超過標準規(guī)定時，傳統(tǒng)地基處理方法已無法滿足實際要求，工作人員只能選擇高壓旋噴樁復合地基、CFG樁復合地基處理方式，CFG樁作為一種新型樁體，和傳統(tǒng)樁體相比，由于CFG樁樁體能納入不配筋、工業(yè)廢料粉煤灰，可有效發(fā)揮樁間土的承載能力。在正常情況下，工程造價一般在樁基的1/3以內(nèi)。而CFG樁復合地基具備施工工藝簡單特點，可加強樁阻力，樁越長其承載力越高，并具備較高端阻效應和施工周期短作用，按兩臺設備進行計算，一般兩周就能完成，檢測只需要一周就能完成。
3.3CFG樁復合地基+筏形基礎設計
3.3.1CFG樁復合地基設計參數(shù)城市在建造高層建筑物是，往往需要對地基進行特殊處理，所以CFG樁復合地基技術(shù)受到建筑行業(yè)高度重視。CFG樁復合地基技術(shù)是在20世界末期我國建筑科學研究院研究所得，是一種新型天然地基加固方式，在1994被作為建筑部的全國重點發(fā)展項目，將其作為國家級工法，并制定了中國建筑科學研究院企業(yè)標準，從而確保CFG樁復合地基技術(shù)的順利實施。CFG樁作為一種高粘結(jié)性的剛性樁，其樁體本身強度一般在C15~C30之間。通過樁等、砂石褥墊層等作用，形成復合地基，用置換作用來作為加固理論。在實施復合地基方案設計過程當中，要提前預測地基沉降、驗算承載力、樁身強度等方面的數(shù)據(jù)。在設定CFG樁時，可利用滿堂鋪設的方式，將樁之間的距離確定為1.35m，入土深度在28.0m，直徑可在40cm。單樁承載力、樁端端阻力、樁間土承載力分別為0.85、1.0、0.9。在CFG樁進入到12層粉質(zhì)黏土深度要超過0.5m。而單樁豎向承載力特征值可通過公式（2）獲得[4]。（2）3.3.2主樓部分基礎設計在設計本工程地基基礎時，工作人們可利用地基基礎計算機輔助設計系統(tǒng)來進行設計，嚴格按照建模、計算、調(diào)整等步驟，在確保結(jié)構(gòu)安全性的前提下，加強設計經(jīng)濟的科學性。根據(jù)巖土工程檢測數(shù)據(jù)，工作人員可將地基土不同位置的土質(zhì)情況全部輸入建筑平面圖中，如狀態(tài)參數(shù)、壓縮模量、土層標高等數(shù)據(jù)。而在人機交互輸入模塊中，工作人員要結(jié)合現(xiàn)場實際情況，來確定標高系統(tǒng)、地基承載力、基礎設計等方面數(shù)據(jù)，準確確定筏板實際尺寸，取得上部結(jié)構(gòu)基本荷載，在滿足各種受力性能情況下，來計算出筏板平面尺寸和合理厚度。在滿足上述條件后，會自動進到樁筏筏板有限元計算單元，根據(jù)設計要求輸入筏板計算參數(shù)，構(gòu)建筏形基礎有限元計算模型，從而實施主樓筏板有限元計算。在JCCAD菜單下，工作人員能利用單元網(wǎng)格來計算筏形基礎準確性，其先將墻柱構(gòu)件、基礎德辰網(wǎng)格線為基礎，從而構(gòu)成多個房間，再根據(jù)房間不同類型分為不同單元，進而確保整個上部結(jié)構(gòu)荷載位置的準確性，還能讓墻體、梁、板等構(gòu)件全部安裝在單元變線上，保證不同單元節(jié)能形狀的協(xié)調(diào)性。同時，在樁筏基礎設計過程中，可選擇利用網(wǎng)格線的方式來科學劃分網(wǎng)格，但值得注意的是，工作人員要考慮到樁的正確位置，從而提高計算精準度[5]。3.3.3裙房部分基礎設計裙房基礎設計和主樓基礎設計相比，裙房上部往往只產(chǎn)生較小的荷載，如果利用和主樓相同的筏形基礎設計，很容易造成資金浪費的問題。因此，工作人員可利用柱下獨立基礎設計方式，其具有施工便捷、造價低、受力明確等特征，獨立基礎下的地基能利用CFG樁進行處理，基礎則能使用現(xiàn)澆倒錐形獨立基礎，布樁參數(shù)和主樓環(huán)節(jié)相同。首先，計算不同柱間所傳遞的荷載標準值，在滿足地基承載力基礎上，準確計算出滿足不同情況下荷載所需的獨立基礎尺寸；其次，要以荷載組合為基礎，來獨立計算基礎抗沖切性能，計算出基礎截面最低值，再將其中的最高值作為獨立基礎高度。同時，在設計錐形基礎時，兩方向坡度要滿足不超過整體高度的1/3的規(guī)定，再準確計算基礎底板不同方向的配筋面積。
4建筑結(jié)構(gòu)地基基礎設計優(yōu)化方向
4.1從安全角度考慮安全性是整個建筑結(jié)構(gòu)地基基礎設計優(yōu)化的重要元素，建筑結(jié)構(gòu)地基基礎安全性和建筑物安全性有直接聯(lián)系，而建筑和人們?nèi)粘９ぷ?、生活相互融合，安全性要求遠超過其他性能，一旦建筑物安全性出現(xiàn)問題，會給相關(guān)人員生命安全帶來嚴重威脅。同時，隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，人們對建筑功能性、結(jié)構(gòu)、形態(tài)等方面提出更高要求，為進一步滿足人們對建筑物的日常要求，工作人員要對建筑結(jié)構(gòu)地基基礎設計進行優(yōu)化，從而讓建筑物地基基礎安全性能滿足日常使用要求。但從目前情況來看，很多建筑設計師對地基基礎設計重視程度嚴重不足，將自身注意力全部放在建筑物上部結(jié)構(gòu)方面，從不同方面優(yōu)化建筑物外觀、戶型等，忽略優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)地基基礎設計，很容易給建筑物整體安全性帶來嚴重影響，一旦建筑結(jié)構(gòu)安全性無法達到行業(yè)標準，會給周圍居民的生命、財產(chǎn)構(gòu)成威脅，建筑結(jié)構(gòu)地基基礎設計要注重加強其安全性優(yōu)化[6]。
4.2從經(jīng)濟角度考慮
在信息化時代背景下，企業(yè)愈發(fā)重視經(jīng)濟效益，建設單位同樣如此。因此，在開展實際建筑設計時，為進一步提高經(jīng)濟效益，施工單位往往會利用科學方式控制地基基礎建設成本，從而將建設成本控制在最低程度，從而滿足施工單位對經(jīng)濟效益的需求。同時，為提升自身核心競爭力，讓其能在激烈競爭市場中占據(jù)一席之地，設計單位要不斷引進先進的設計理念，合理優(yōu)化資源配置，將所有新材料價值充分發(fā)揮出來，在不影響建筑結(jié)構(gòu)地基基礎安全性情況下有效解決建設成本，從而達到提高建筑工程項目整體經(jīng)濟性的目的。
4.3從功能角度考慮
人們在日常生活中和建筑物有密不可分的聯(lián)系，建筑物作為人們賴以生存的基礎，給人類未來實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供保障。同時，隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，給人們?nèi)粘Ｉ顜碣|(zhì)的改變，不再滿足于學習、工作等方面需求，對現(xiàn)代化建筑功能性提出更高要求，如舒適度、智能化程度、外觀等方面。因此，在優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)地基基礎設計方面，要向建筑物功能性要求方面發(fā)展，讓優(yōu)化后的地基基礎能滿足新型建筑物對地基承載力所提出的要求[7]。
5建筑結(jié)構(gòu)地基基礎設計的優(yōu)化措施
5.1科學選擇建筑結(jié)構(gòu)地基基礎設計方案
選擇建筑結(jié)構(gòu)地基基礎設計方案和建筑結(jié)構(gòu)安全性有直接關(guān)聯(lián)。因此，工作人員要結(jié)合建筑工程實際情況，選擇科學的建筑地基基礎造型和布局，再利用建筑工程總造價、施工難度系數(shù)等因素來選擇地基基礎。首先，要針對建筑工程進行全方面調(diào)研工作，詳細調(diào)查現(xiàn)場地質(zhì)工程具體情況，如地基承載力、地形條件、地質(zhì)情況等數(shù)據(jù)，再和建筑結(jié)構(gòu)相互結(jié)合，來分析不同方面的數(shù)據(jù)，這樣才能從不同方面來考慮到具體因素，從而制定健全的地基基礎設計方案，加強方案的合理性和科學性；其次，要合科學考慮到上部結(jié)構(gòu)和地基的動力情況，按照不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，再利用專業(yè)工具計算出實際動力值和預估值的差異性，然后通過分析兩者間的關(guān)系來制定安全施工措施，也可根據(jù)開裂數(shù)據(jù)或者次應力數(shù)據(jù)來采用合理預防措施，從而確保整個方案能順利進行[8]。
5.2建筑地基基礎結(jié)構(gòu)計算設計優(yōu)化
隨著科學技術(shù)不斷發(fā)展，給人們?nèi)粘Ｉ罘绞胶蜕a(chǎn)方式帶來質(zhì)的改變，如果將計算機技術(shù)應用到建筑基礎結(jié)構(gòu)設計計算工作中，能有效加強結(jié)構(gòu)設計質(zhì)量和效率，進一步提高結(jié)構(gòu)設計準確性。同時，計算機技術(shù)雖然能給建筑地基基礎結(jié)構(gòu)計算帶來極大便利性，但設計師具有較強的警覺性，不能將計算機作為計算地基基礎結(jié)構(gòu)的唯一工具，一旦計算機編程出現(xiàn)問題，很容易給整個計算結(jié)構(gòu)帶來嚴重偏差，從而給建筑地基基礎設計結(jié)果帶來不同程度的影響。因此，建筑設計師要結(jié)合現(xiàn)場實際情況應用計算機技術(shù)來開展結(jié)構(gòu)計算工作，再檢查整個計算結(jié)構(gòu)，從而確保結(jié)構(gòu)設計數(shù)據(jù)的準確性。另外，利用計算機技術(shù)所得到的結(jié)構(gòu)計算結(jié)果會由于計算參數(shù)不同出現(xiàn)不同程度的變化，且適用范圍不同，設計師要將計算結(jié)果進行對比，結(jié)合建筑物對地基基礎結(jié)構(gòu)設計要求，選擇最合理的計算結(jié)果。但值得注意的是，計算機技術(shù)在建筑地基基礎結(jié)構(gòu)設計方面同樣具有較強局限性，雖然計算機能真實模擬建筑形態(tài)、結(jié)構(gòu)等特征，設計時能假設理想狀態(tài)作為編程基礎，但在實際建筑工程施工中會遇到很多方面的影響因素，如材料、施工水平、現(xiàn)場環(huán)境等因素影響，最終無法達到預期效果。因此，利用計算機技術(shù)在預期狀態(tài)下計算出來的結(jié)果，很容易和建筑工程實際需求存在差異性，所以建筑設計師在利用計算機技術(shù)計算結(jié)構(gòu)時，要從不同方面考慮各種影響因素，并將設計模型和實際施工情況進行對比，不斷調(diào)整建筑地基基礎結(jié)構(gòu)計算結(jié)果，直到取得令自己滿足的結(jié)果[9]。
5.3實現(xiàn)建筑材料利用率最大化
在建筑結(jié)構(gòu)地基基礎設計優(yōu)化過程中，要以地基基礎經(jīng)濟性、安全性、穩(wěn)定性為基礎，進一步加強建筑材料利用率。工作人員要根據(jù)建筑物對使用功能所提出的要求，選擇對應的優(yōu)化措施，面對鋼筋混凝土樁基礎結(jié)構(gòu)，可利用具有較強抗壓性能的混凝土材料，這樣不僅能滿足設計承載力要求，還能縮短結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸，從而增加建筑結(jié)構(gòu)利用空間。在針對地下連續(xù)梁地基基礎結(jié)構(gòu)時，工作人員要在保證建筑預算造價基礎上，采用高強度鋼筋，來降低建筑地基基礎結(jié)構(gòu)的鋼筋總數(shù)量；在設計建筑結(jié)構(gòu)地基基礎時，工作人員要根據(jù)混凝土強度和鋼筋強度來進行科學配備，確保混凝土和鋼筋強度基本相同，將建筑材料優(yōu)勢全部發(fā)揮出來，從而降低建筑結(jié)構(gòu)所耗資金，給建筑企業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展打下堅實基礎。
5.4認真學習建筑結(jié)構(gòu)地基基礎設計規(guī)范
設計規(guī)范作為建筑地基基礎設計的重要環(huán)節(jié)，建筑結(jié)構(gòu)地基基礎設計優(yōu)化中必須要滿足設計規(guī)范要求。因此，設計師要學習豐富的設計規(guī)范，對規(guī)范中條款、格式等內(nèi)容有深度認知，進一步體會規(guī)范核心內(nèi)容，將設計規(guī)范和建筑結(jié)構(gòu)地基基礎設計優(yōu)化相結(jié)合，讓設計規(guī)范成為整個建筑結(jié)構(gòu)地基基礎的主體，一旦需要分析具體設計工作中存在的問題，工作人員可借鑒設計規(guī)范來進行分析，能有效調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)設計方案，從而降低地基基礎整體造價。同時，設計師要注重觀察設計環(huán)境，將設計結(jié)果作為主要參考依據(jù)，再根據(jù)不同環(huán)境來調(diào)整計算數(shù)據(jù)，如果遇到無法利用計算結(jié)果來解決的情況，如抗震計算，設計師要充分考慮到總結(jié)構(gòu)基礎情況、地震造成的損耗、抗震結(jié)構(gòu)措施等[10]。
6總結(jié)
綜上所述，地基基礎在整個建筑工程中占據(jù)至關(guān)重要的作用，現(xiàn)代新型建筑對地基基礎安全性、穩(wěn)定性提出更高要求，設計師的設計思維同樣要向這些方向發(fā)展，根據(jù)建筑單位對建筑物造價、形態(tài)等方面要求，選擇合理的建筑結(jié)構(gòu)類型，在確保地基基礎豎向承載力基礎上優(yōu)先選擇綠色環(huán)保的材料，從而提高地基基礎設計的經(jīng)濟效益?；诖?，文通過分析實際工程案例，再結(jié)合現(xiàn)場施工不同方面的情況，如周邊環(huán)境、水文地質(zhì)條件、場地工程地質(zhì)條件等，提出多樣化設計方案，再利用對比分析的方式來優(yōu)化現(xiàn)存方案，從而取得最有效的地基基礎方案。
作者:曹世興 單位:北京首發(fā)公路養(yǎng)護工程有限公司
