建筑基础结构设计要点分析

杨罡

关键词：高层;混凝土建筑;抗震结构;设计要点

引言

随着我国经济和科技水平的不断发展，城市建设的规模日新月异，建筑工程中新的技术新的需求不断涌现，这就给结构工程师在设计的过程中带来了新的问题和挑战。而在建筑设计中，作为建筑地基的基础结构设计，其重要性不言而喻。合理的基础设计不但能够提高整体结构的安全性，同时还能节省下大量建筑成本和施工周期。相反，不合理的基础设计轻则会在后期的施工阶段和使用阶段产生大量问题，重则会导致严重的安全生产事故，造成人员伤亡。只有确保建筑基础工程的设计质量，才能够保证建筑的整体设计质量。本文主要分析了建筑基础设计中的一些设计要点，旨在进一步提高高层建筑基础设计的合理性，从而提高建筑整体设计质量，推动我国建筑行业的长远发展。

1.建筑基础位置的选择

在实际的建筑工程设计流程中，建筑整体的布局和定位一般都是在方案阶段确定的，而在建筑方案制定的过程中，往往都是由建筑设计师进行主导，结构设计师通常较少参与其中。很多人因此忽视了结构设计师在方案阶段所应该起到的作用。合理的建筑方案，不但应该满足建筑的各项指标，同时也应该结合场地的实际情况，做到因地制宜。以笔者2018年所参与的某住宅小区建筑设计为例，该住宅小区场地东西向约为220米，南北向约为150米，地块整体呈矩形。在最初的建筑方案设计中，小区在地块东侧布置有六栋高层住宅，在西侧布置有十三栋多层住宅。建筑方案初看上去似乎一切都很合理，各项土地指标也都能够满足。但是笔者在结合项目地勘报告仔细研究后，却发现了一个问题。该住宅小区场地南侧土层分布比较均匀，持力层主要为粘性土，承载力较高，而在小区北侧存在着大面积的地下暗塘，地面以下约有四米都是淤泥质土层，承载力极低，工程性质很差，不适宜作为多层住宅的基础持力层。如果按照原方案布置，将有五栋多层住宅的基础落在暗塘范围内，这会导致这五栋多层住宅不得不采用桩基础，而这就会直接导致建筑成本的增加。在和建筑设计师经过多次协调修改后，最终方案改为在地块北侧设置高层住宅，而将所有多层住宅调整到土质相对较好的南侧地块范围内，高层住宅采用桩基础，多层住宅则全部采用天然地基上的浅基础，同时建筑方案仍能够满足各项土地指标以及建筑需求。在这个过程中，通过结合项目场地实际情况，合理地调整建筑方案，为建设单位节省下大量的工程开发成本，同时大大地缩短了施工周期，也为设计单位赢得了良好的声誉。

2.建筑基础类型的选择

建筑基础类型的选择相对简单，但是也是需要结合地勘资料认真思考，如果掉以轻心，麻痹大意，有的时候也可能会造成不可挽回的后果。笔者在早年刚刚毕业参加工作不久时，曾参与到某栋公寓建筑施工图设计中。该建筑主体为地上五层，地下一层的多层建筑。因建筑条件相对简单，笔者当时并没有仔细考虑，而是直接选择了桩筏作为该栋建筑的基础形式，并开始了后续的基础设计。当笔者满怀自信，将设计好的基础施工图打印好提交给结构总工审核时，却被当场浇了一头冷水。经过结构总工的提醒和教导，笔者才发现，根据该项目的地勘报告，建筑场地内土层分布均匀，基础持力层范围内主要为粉质粘土夹粉土，其承载力约为每平方米130KN，工程性质良好。同时由于建筑本身有着一层地下室，通过简单估算，上部五层结构所增加的荷载减去开挖地下室所减少的土重后，基本等同于天然地基承载力，因此建筑的基础形式完全可以采用天然地基上的筏板基础。而笔者所设计的桩筏基础，虽然符合国家规范，同时也没有任何结构安全方面的问题，但是却在无形中却产生了很大的浪费。笔者之后通过基础设计软件精确建模计算后知道，如果按照天然地基的筏板基础进行设计，底板整体平均反力大约在每平方米165KN左右。而天然地基承载力经过深度和宽度修正，能够达在每平方米170KN，刚好能够满足建筑上部结构所带来的荷载要求。在该项目结束后，笔者进行工作复盘时，对基础设计时结构总工所给出的指导感触很深。结构设计师在面对任何项目，任何设计时，都应该认真对待，全力以赴，尤其不能忽视项目的地质条件。如果没有认真思考，草率设计，也许下次所产生的问题会更加棘手。

3.建筑基础刚度的选择

建筑基础的刚度选择也是建筑基础设计中一个很重要的注意事项。基础的刚度问题并不是一味的追求基础刚度大或者是小。究竟是采用刚度较大的刚性基础来平衡地基反力，增强结构的整体性？抑或是采用刚度较小的柔性基础，通过以柔克刚，从而达到节省材料的目的？这些选择的背后往往与很多其他方面的因素有着千丝万缕的关系，而这些都需要结构工程师深思熟虑，抽丝剥茧，同时结合项目的实际情况来进行选择。这里以笔者2019年参与的某酒店综合楼基础结构优化设计项目为例。该项目中，建筑的主体为地上18层，地下1层，主体结构形式为剪力墙结构。建筑的基础采用了桩基筏板的形式，桩型为直径500mm的管桩，有效桩长为30米，单桩承载力为2000KN，基础底板采用2.2米厚的筏板，同时筏板内配有32@150双层双向受力钢筋。由于设计采用的单桩承载力不高，导致基础范围内管桩布置数量较多，且有大量的管桩被布置在筏板跨中位置。而管桩所产生的桩基反力则全部由刚性基础底板来承受，这就使得底板厚度不得不增加，以满足桩基的冲切要求。同时，建筑的竖向传力途径复杂，上部结构的荷载首先传递到底板，再通过刚性厚板分配到各个管桩，这就导致了建筑材料的严重浪费。而其基础底板刚度过大的根本原因正是其桩型选择的不合理。笔者在仔细研究项目的地勘报告后提出，如果将基础桩型调整为大直径的钻孔灌注桩，提高设计的单桩承载力，同时遵循就近消灭原则，直接在上部结构的剪力墙下布桩，让上部荷载能够就近传递到桩，再往下直接传递到各个土层，基础底板从而仅需要承受有限的地基反力和水浮力，则能够有效的减少基础底板厚度。经过笔者反复建模核算，最终的基础设计方案修改为采用直径800mm的钻孔灌注桩，有效桩长为40米，单桩承载力提高至4000KN，所有桩都直接布置在剪力墙下，基础底板厚度由原来的2.2米大幅度降低到1.2米，底板受力钢筋也降低到25@150双层双向。

结语

本文结合了笔者的实际工作经验，提出了建筑的基础结构设计中几个主要设计要点。而在实际的工程结构设计中，除了文中所提以外，还有其他很多值得注意的地方，比如不同地区有着不同的地方规范要求，不同地区的人工成本和材料成本也不尽相同，或者虽是相同地区但却有着不同的周边环境，等等。这些都应该是结构工程师在基础设计过程中应该要考虑的内容。只有全面调查，统筹思考，因地制宜，才能在建筑基础结构设计中事半功倍。

参考文献

[1]建筑地基基础设计规范（GB 50007-2011）.中国建筑工业出版社，2012.

[2] 朱炳寅，娄宇，杨琦.建筑地基基础设计方法及实例分析[M].中国建筑工业出版社，2020.

[3]朱炳寅.建筑结构设计问答及分析[M].中国建筑工业出版社，2020.