民用建筑结构设计中的基础设计方法探讨

文／徐立刚、李贤琳 浙江新中环建筑设计有限公司 浙江杭州 310000

引言：

民用建筑是当前建筑工程施工中常见的建筑类型，在民用建筑结构设计中保证建筑设计的稳定可靠需要注意基础设计的科学性。基础设计是提升民用建筑结构稳定性的关键条件，其在实际应用中会受到一定因素的影响，因此设计者往往需要结合民用建筑的上部结构、地质条件、周边环境等进行科学分析，更加合理的完成基础设计活动。而在民用建筑结构设计当中，基础设计方法种类较多，在实际应用中不同类别的设计方法所适用的条件和范围也各不相同，为此应该格外关注常见的基础设计内容以及设计中应该关注的要点，做好相关设计方法的分析，更好的提升基础设计的质量水平[1]。

1、民用建筑基础设计影响因素

1.1 上部结构

民用建筑的上部结构是影响其基础设计的重要因素之一。民用建筑通常由地基基础与上部结构两部分组成，地基的基础设计是用以承担载重作用，维持上部结构的稳定性与可靠性，而上部结构会对地基基础施加压力和重力，因此在进行民用建筑基础设计时，要考虑基础设计的稳定与可靠，往往需要对上部结构情况进行分析。上部结构的稳定性与安全性需要地基基础有良好的承载，而上部结构的总体面积、施工高度以及构件复杂程度等，都会对地基造成相应的力学影响，在基础设计中上部结构所表现得具体特征都会对地基基础造成一定的影响，故而设计人员想要更好的完成基础设计，还需要对上部结构的特点进行分析[2]。上部结构的影响中结构刚度特征是对基础设计影响比较大，也是在地基设计中必须考虑的建筑上部结构因素，相关设计人员应该重视基础设计时的建筑上部结构刚度特征分析，从而更好的完成地基基础的设计。

1.2 地质条件

地质条件也是民用建筑基础设计中的重要影响因素。建筑结构的基础设计中多数设计内容和施工条件都是在土层上进行的，因此了解施工现场的地质条件是基础设计中必须要考虑的因素。地质条件对于整个民用建筑工程来说都具有重要的影响，而基础设计作为民用建筑中发挥着主要承载和稳定作用的结构，在进行设计时更需要考虑到地质条件可能对其造成的影响。地质条件中的很多要素会增加建筑工程地基基础的不稳定性，比如淤泥、软土等地质条件，其本身的压缩性较高、抗剪强度较低、透水性低，这都为建筑工程基础设计与后续施工增加了难度，此外地质条件中的地形地势特点也会对基础施工造成影响，比如地形崎岖、地势较高的施工现场，在进行基础设计时往往需要考虑在不平整的地形地貌上进行基础结构的设计[3]。地质条件会对地基工程产生一系列影响，而进行基础设计时也要求相关工作人员能够更好地分析地质条件中地形地势、土层结构、地下水分布、土壤性质等各项地质条件的特点，为基础设计提供更加可靠的帮助。

1.3 施工环境

施工环境对民用建筑基础设计来说具有比较重要的影响。民用建筑的施工环境主要是指施工现场以及周边的自然环境和人文环境，建筑基础设计施工时往往需要动用相应的机械设备进行大规模施工，在这一过程中可能对自然生态环境、地质水文环境等造成破坏，而施工地点周围的居民区、商业区、交通路径等也可能受到地基施工的影响，受到噪声、浮尘、振动等影响。施工环境会对建筑的基础设计提出相应的要求，比如要求建筑基础施工设计更加科学合理，减少地基处理时可能对周边环境的影响，再比如根据现场环境的实际要求来进行建筑的基础设计，让基础设计能够更好地与环境条件相适应等。施工环境是基础设计中应该重点关注的影响因素，其对民用建筑基础设计的施工进度、施工造价、施工质量等都有一定影响，应该加强分析[4]。

2、民用建筑结构设计常见基础设计

2.1 独立基础设计

独立基础是民用建筑结构设计中常见的基础设计类型。独立基础是受力比较明确，施工相对简单的一种基础设计方式，选择独立基础设计的建筑结构通常为框架、单层排架的上层结构，而独立基础的常见类型包括阶梯基础、坡形基础、杯口基础等。独立基础主要适用于单柱型或高耸自成一体的建筑结构，在为此类建筑结构提供基础设计时，可以根据材料性能的特点和受力状态情况进行独立基础构造，独立基础的平面形式多为圆形、多边形，如方形或矩形等，能够为各个方向提供大致相同的抗倾覆稳定条件，从而保证建筑结构的稳定性[5]。应用独立基础的建筑结构通常重心比较高，基础在建设中必须保证足够的稳定，有效的控制其倾斜程度，若在软土地基上进行独立基础设计，需要注意其倾斜至超过限值后需要采用桩基础进行稳固，保证工程的建设稳定性。独立基础是最常用、施工简便、成本较低的一种基础类型，施工材料通常根据柱的材料与荷载大小决定，砖石、混凝土、钢筋混凝土等都是比较常用的材料类型，在施工时无需埋置过深，使用的施工设备也不复杂，工期较短、造价较低。对于排架、框架结构的民用建筑来说，独立基础设计是比较优质的基础设计类型，比如比较常用的墙下单基础设计，其基础的经济跨度为3-5m，能够为地基提供良好的承载力条件，同时节约基础施工材料，减少开挖土方量[6]。由上可知，独立基础设计作为一种民用建筑结构设计常用的基础设计，能够为建筑结构提供稳固的保障，施工较为便捷、成本相对低廉，应用价值较高。

2.2 条形基础设计

条形基础设计是民用建筑结构设计中比较常见的一类基础设计，通常适用于柱距较小的框架结构、排架结构建筑当中，在实际应用中出现频率较独立基础设计较少，但具有良好的荷载能力，可以为民用建筑提供所需的基础条件。条形基础设计是一种基础长度大于宽度的地基基础类型，根据条形基础的上部结构不同可分为墙下条形基础和柱下条形基础两种类别，在实际应用中，条形基础的长度通常多于宽度10 倍以上。在进行条形基础设计和布置时，需要注意同一条轴线上与两条轴线相交，也可以与独立基础相连构造，但需要注意条形基础的截面尺寸和配筋特点，其横向配筋为主要受力钢筋，而纵向配筋为次要受力钢筋，故而在进行配筋选择时要格外重视其钢筋性能与种类的固化[7]。在民用建筑结构设计中，墙下条形基础和独立基础统称为扩展基础，其主要作用及时将上层结构的荷载从侧向扩展到土中，从而满足地基承载与变形要求，在实际应用中根据其有无钢筋条件可分为无筋扩展基础和钢筋混凝土扩展基础，两种扩展形式不仅在材料上有一定区别，在具体性能上也存在差异。通常来说无筋扩展基础具有比较好的抗压能力，但抗拉与抗剪强度不高，故而在设计时需要注意其基础的高度设计，尽可能保证其刚性，同时无筋扩展基础也是当前多层民用建筑中比较常用的条形基础类型，在控制好拉应力和剪应力的条件下，能为民用建筑提供更加稳定的基础设计条件。但在实际应用中，无筋扩展基础的高度较大，但不应大于基础埋深，如果想要应用加大基础埋深的基础类型，则需要考虑钢筋混凝土扩展基础，更好满足其设计要求[8]。

2.3 筏形基础设计

筏形基础设计在民用建筑结构基础设计中同样比较常见，通常指底板连接成整片的基础类型，可分为梁板式基础、平板式基础。筏形基础是一种适用于建筑物上部荷载比较大但地基承载力较弱的基础设计类型，部分独立基础或条形基础无法适应的地基变形需要，可以考虑应用筏形基础设计来满足。筏形基础设计有平板式和肋梁式两种类型，也就是平板式基础和梁板式基础，应用筏形基础能够将墙下或柱下的基础连成一片，使整个建筑物荷载于一块整版上，形成筏形，应用筏形基础较大的底面积有效减少基底压强，提高地基的承载力，从而有效控制建筑工程的不均匀沉降问题。筏形基础中平板式基础和梁板式基础的选择往往需要结合具体的地基土质、上部结构以柱距、荷载等各方面条件进行分析。比如，平板式基础是底板厚度相等的混凝土平板基础结构，其板厚通常在0.5-2.5m 范围，由于平板式基础的特点，在实际应用中往往适用于柱的荷载不大、柱距较小且等柱距的情况，能够为其提供良好的抗冲切作用，适应地基变形需求，平板式基础的建造难度较低、施工速度较快，但在施工中需要消耗大量的混凝土材料，通常6 层民用建筑的平板式基础板厚度就要在300mm 以上[9]。梁板式基础主要适用于柱网间距较大的建筑结构，根据其肋梁的设置可分为单向肋、双向肋，两种肋梁形式在实际建设中也各自存在一定的特点，单向肋的基础结构通常将两根或两根以上的柱下条形结构通过底板连接为一个整体，以此扩大基础底面积进而增加基础的整体刚度；双向肋则通过在横纵两个方向的柱下布置肋梁，或者在柱网间布置次肋梁，从而减少底的厚度，达到良好的提升地基荷载能力的作用。筏形基础可以对独立基础与条形基础无法满足的地基条件进行有效处理，部分软土地基、柱距较小但荷载较大或者建筑物有地下室、大型储液结构等，都可以通过筏形基础来提供稳定的支撑，此外部分多高层建筑结构对基础的刚度和稳定性要求较高时，也可以考虑筏形基础来为其提供可靠的基础保障，是一种应用价值较高的民用建筑基础设计类型[10]。

2.4 钻孔灌注桩设计

钻孔灌注桩设计是民用建筑结构桩基础中常见的基础设计，对于保证建筑结构稳定性具有良好的作用。钻孔灌注桩在施工中利用机械、钢管或人力挖掘等方式在地基中钻孔形成孔桩，并在其中灌注混凝土或放置钢筋笼形成灌注桩。钻孔灌注桩具有施工噪声与振动小、适用范围广等优点，应用钻孔灌注桩进行建筑结构基础施工，能够建造比预制桩直径大的桩基础，具有良好的承载力，适用于各种性质的地基类型。但钻孔灌注桩中大多灌注混凝土，因此成孔速度相对较慢，在灌注时也需要考虑其泥渣对周围环境的影响等。在进行钻孔灌注桩施工时，应注意其成孔过程中的施工要求，做好塌孔、缩径、桩孔偏斜等问题的有效预防，在安装钢筋笼时要注意其安装位置是否得当，关注混凝土灌注中桩身砼夹泥或断桩等问题，做好施工中的管理控制[11]。钻孔灌注桩的加固需注意，在施工时沿桩钢筋笼外壁进行钢管埋设进行加固，加固时注意将水泥浆液借由钢管压力压入碎石孔隙当中，从而促使原本松散的碎石、土粒等形成高强度结合体，达到良好的加固作用。钻孔灌注桩加固在持力层为碎石层，且随时含量在50%以上的地质条件中具有更好的效果，应注意保证填充土与碎石之间无明显胶结。钻孔灌注桩根据其成孔方式不同可分为沉管灌注桩、钻孔灌注桩、挖孔灌注桩等类别，不同类型的钻孔灌注类型适应范围不完全相同，在施工中需要结合实际情况进行选择[12]。

2.5 预应力管桩设计

预应力管桩设计是利用预应力进行民用建筑结构基础设计的一种方式，通过构建预应力混凝土管桩提升桩基础的质量。预应力管桩主要包括先张法预应力管桩和后张法预应力管桩两种形式。先张法预应力管桩是采用先张法预应力工艺以及离心成型技术打造的细长混凝土预制构件，可用作桩基础施工；后张法预应力管桩则是在其构造中应用了后张法预应力的技术条件，其主要结构包括圆柱形桩身、钢套箍以及端头版。桩基础施工适用于地基承载力较小、地质条件较差的施工条件，在施工时通过打入地下的桩基达到将建筑物重量合理传输至承载力较高土层上的一种基础方式。而预应力管桩多采用预应力混凝土管桩的方式进行桩基础施工，在管桩构成中对构建施加了预应力，避免结构受到力的影响出现裂纹，能够更好地提升其稳定性与刚度，管桩耐久度也得到了良好的保障，能够为地基提供更好的稳固作用；预应力管桩是一种强度较高的结构，在构造中由于预应力的应用能够在保证较强刚度的同时，减少钢筋用量、缩小构件截面尺寸，因此在节约材料，减少结构自重方面具有良好的表现，能够对大跨度、重荷载的建筑结构起到良好的基础稳固作用；预应力管桩也是一种可以减小混凝土梁竖向剪力与主拉应力的桩基础结构，能够通过预应力梁混凝体的应用，减小其梁支座附近的剪力，利用混凝土截面的预应力，减少荷载作用下产生的主拉应力，能够更好地发挥桩基础的作用为民用建筑结构的稳定性提供良好的帮助[13]。

3、民用建筑结构中基础设计注意事项

3.1 地质条件与基础设计的关联

在民用建筑结构中基础设计需要关注地质条件与基础设计之间的关联，做好地质条件分析工作，保证基础设计的科学合理。地质条件是影响基础设计的重要因素之一，设计人员在进行基础设计时必须优先对施工现场的地质环境进行调研和分析，通过实际调查了解该地区的地层分布情况，对土壤的性质进行分析，尤其注意软土地基等特殊地基类型的分析与处理，以便在后续基础设计中选择更加合适的加固等地基处理方式构建稳固的基础设计类型。

3.2 温度环境对建筑结构的影响

民用建筑结构的基础设计还需要考虑到温度环境对建筑结构的影响，尤其在进行混凝土相关施工，一定要关注气候温度等条件限制，做好相关技术的管控。在基础设计当中，多数桩基础以及扩展基础都会用到混凝土材料，而高温、低温等条件都会对混凝土的凝固、混凝土养护等造成影响，为此在进行基础设计时需要关注施工时的气候条件，对混凝土结构的伸缩缝等进行科学计算，保证其基础设计的合理性。

3.3 建筑结构基础设计选取原则

建筑结构基础设计需要遵循一定的选取原则。首先应该对影响基础设计的各项因素进行综合考虑，包括建筑上部结构特点、地质条件、施工环境等，保证基础设计的合理性。其次基础设计需要遵循国家及行业规定，严格遵循规范和标准完成设计，加强审核与检测，保证其可靠性；此外基础设计中应该包含民用建筑结构基础的各方面内容，做到全面、系统的安排，保证设计方案的可行性；最后在建筑结构基础设计中需要注意计算方式的合理选择与应用，通过对建筑结构承载力、变形以及稳定性方面的准确计算，保证基础设计的科学性。

结语：

基础设计在民用建筑结构设计中具有重要意义，能够对建筑工程整体稳定性与可靠性进行保障，提升工程建设质量水平，为了民用建筑结构基础设计的科学合理，一方面应该重视基础设计的影响因素分析，另一方面应该对常见的扩展基础类型与桩基础类型设计进行研究，更好的完成基础设计。在民用建筑结构设计当中想要更好的提升基础设计的质量，不仅要对基础设计内容有明确认知，还需要注重分析其设计中的注意事项，做好地质条件、温度环境的分析，了解其设计选取原则以及计算方式的合理应用等，打造更加优质可靠的基础设计类型。