民用建筑结构设计中的基础设计研究*

王庆晓

(太原市建筑设计研究院 太原 030002)

1 民用建筑结构设计中的基础设计原则

1.1 功能性原则

民用建筑作为人们日常生活和工作主要载体,是人们生存和发展的重要保障。现代社会,人们生活物质、精神文化需求不断改变,对建筑物的需求不再局限于居住、学习、工作等,提出了更多功能性需求,对建筑外观、建筑舒适度、生态性和智能化程度等也有了一定的要求。因此,建筑结构基础设计应充分考虑这一需求及未来发展方向,注重功能性设计原则,确保地基基础能够满足新型民用建筑地基承载力的需求。

1.2 经济性原则

建筑结构的基础设计要贯彻经济性原则,在强化基础设计的科学性、合理性,确保防水、承重、等级等均达到国家行业标准的基础上,要重视设计原材料和生产成本的投入,确保工程造价在合理范围内。同时,要综合考虑诸多因素,设计多个基础设计方案,综合比对建材用量、施工难度、人力成本、工期等,选择最能控制成本,扩大企业经济效益的基础设计方案[1]。

1.3 协调性原则

民用建筑结构的基础设计方案直接影响建筑物的安全。在进行基础设计时,基于建筑整体,协调建筑结构的刚度和延性设计,满足建筑低承载力和高延性的设计思想,避免遭遇突发自然灾害时,建筑结构刚度过强,承载力骤增引发的建筑损坏或倒塌,或结构刚度过小时导致的建筑物变形[2]。同时,注重多个结构构件的有效协调,形成多道防线,构成统一的结构整体,有效分解和消除外力,保持建筑物的完整性。

2 民用建筑结构设计中基础设计的影响因素

2.1 建筑上部结构

上部结构是民用建筑重要组成,其结构刚度直接影响建筑物的基础受力情况,主要原因为建筑上部结构高度与墙体厚度不同,建筑物上部荷载的差异,对其基础受力情况产生关联性的影响。倘若上部结构刚度相对较大时,地基基础随之会发生相应的变形,各竖向构件会出现均匀性的沉降现象。倘若上部结构刚度相对较小时,上部结构会缺乏基础的约束,一旦基础构件出现弯曲,建筑物整体也会出现弯曲的现象。

因此,在进行建筑上部结构的基础设计时,要基于建筑结构的整体情况,科学分析和计算基础的沉降量、稳定性及抗变形能力,选择适宜的基础设计类型、埋深等,确保满足上部结构荷载的需求[3]。

2.2 地质条件

民用建筑的基础设计方案与地质条件紧密相关,且地质条件涉及范围广、牵扯因素复杂,会影响基础设计的各个环节。因此,在对民用建筑进行基础设计时,需要做好施工前期的地质勘察工作,掌握必要资料,一般可通过勘测工作掌握拟建场地的相关地形地貌、周围建筑物、附近交通、给排水等情况。同时,同一建筑物采用的地基方案和基础构造不同,施工难度、工程造价等也存在较大差异,需要尽可能遵循设计原则选择适宜方案。

另外,部分建筑物建设地形较为复杂,存在地基强度稳定性不足、压缩性大,无法满足设计需求的情况。例如,部分土层内部存在潜在倾斜滑动面,或者滑动面抗剪强度差,一旦遭遇外部荷载或地震,地基就有可能沿软弱面水平位移,出现滑坡现象,必须采取针对措施进行处理,减轻地基变形,加强地基的稳定性和强度。

2.3 施工环境

建筑施工环境主要包含自然环境和人工环境,自然环境的影响因素为环境温度、抗震等级,该影响因素主要针对钢筋混凝土这一施工建材,倘若施工环境温度过低,容易出现地基基础开裂情况;或者存在地震影响,需要设置抗震缝,确定抗震缝数量及分布等。人工环境影响因素为建筑施工振动、建筑施工打桩,桩基进土阶段会挤压周围土壤,产生一定应力,继而对基础结构及附近地下管线产生影响,因此在基础设计时,要尽可能避免该影响。例如,在对某项目进行抗震等级设计时,需要综合考量区域基本风压、风荷载整体计算的结构阻尼比、舒适度验算结构阻尼比、基本雪压以及地质情况等因素,计算该塔楼结构构件在多遇地震、设防地震、罕遇地震等不同地震烈度下结构整体情况,确定对应建筑结构的基础设计要点及方案,确保建筑抗震性能达标。

3 民用建筑结构设计中的基础设计常见类型

3.1 桩基础常见设计类型

桩基础常见设计类型有混凝土灌注桩及预应力管桩两种,是保障建筑结构稳定性的主要影响因素。其中,混凝土灌注桩设计时,要以基础设计的功能满足和结构稳定性为首要目的,要重点考虑成桩位置、桩体大小等因素,考虑该设计形式是否会对建筑后续施工产生影响,保障建筑施工质量。预应力管桩是目前较为普遍的一种设计类型,具有施工噪音小,速度快等优势,设计关注的重点为桩基的选择与检验,倘若地基基础承载力不足,要以实际承载力为基础,使用适量的桩基数量和排列方式。同时,还要重视桩基的检验,在实际施工项目中,桩身会受到外界因素影响,出现断桩、缩径、扩径等缺陷,继而导致桩基性能不佳,对建筑的整体稳定性造成影响。对此,可采用静荷载实验法、高应变动测法对桩身完整性和桩基承载力等进行检验,以满足建筑结构基础设计的承载力要求。

3.2 扩展基础常见设计类型

扩展基础是指上部结构通过墙、柱等承重构件传递的荷载,在其底部横截面上引起的压强通常远大于地基承载力。故需要在墙、柱下设置水平截面向下扩大的基础等,以便将墙或柱荷载扩散分布于基础底面,使之满足地基承载力和变形要求。常见设计类型主要有三种,如独立基础设计、条形基础设计、筏形基础设计。其中,独立基础设计是低层民用建筑结构设计中常见的基础设计类型,要求的地基承载力较大。条形基础的设计类型,是一种建筑上部结构应用较小的一种框架结构,主要作用是提升建筑结构的上部承载力。

在设计过程中,需要依据民用建筑结构形式、上部结构刚度等资料,利用倒梁法计算相关结构数据,为条形基础设计提供数据参考。筏形基础设计类型主要特点为底板连接成片,有平板式和梁板式两种。在应用该设计类型时,首要考虑因素为基础结构的不均匀沉降,其次,从筏板抗剪切力、抗冲切力等方面着手,确定筏板基础厚度,最后,利用简化计算法计算筏板基础结构的具体数值,有效解决不均匀沉降问题,保障民用建筑结构的基础稳定性。

4 民用建筑结构设计中的基础设计

4.1 确定地基埋深

近年来,民用建筑多为高层建筑,高层建筑箱型和筏型基础的埋置深度应满足地基承载力、变形和稳定性的要求。在抗震设防区,除岩石地基外,天然地基上的箱型和筏型基础埋深不宜小于建筑物高度的1/15;桩箱或桩筏基础埋深不宜小于建筑高度的1/18。位于岩石地基上的高层建筑,其基础埋深应满足抗滑要求。同时很多高层建筑都会设置地下室部分,其优势在于丰富建筑结构功能性,扩大建筑物空间,提高土地资源利用率,解决埋设深度问题,但也相应增加了建筑施工难度,在确定地基埋深时,还需要综合考虑建筑物的使用价值。

民用建筑场地的地理空间位置也会对地基埋深产生影响,例如,某项目建筑为大型商业综合体建筑,属于区块核心位置,临近城市主干道,周围建筑多为商业办公楼、住宅小区,地下管线埋设复杂。在确定地基埋深时,为避免对临近建筑物产生干扰,要进行全面细致的测量工作,收集相关资料,尽可能将影响降至最低,保障建筑正常使用和安全。

4.2 考虑地基承载力

地基基础应按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计。如对采用天然地基和独立基础的结构,承载力要满足的条件是:上部结构竖向荷载传递到独立基础,独立基础产生的基底压力不能超过地基的承载力。如对采用桩基础和承台的结构,承载力计算要满足的条件是:上部结构竖向荷载传递到承台,再传递到桩基中,此时桩基承担的竖向力不应超过桩基的承载力特征值。正常使用状态下满足的条件主要指基础沉降,桩基沉降变形,桩基抗裂,裂缝宽度验算等。如主裙楼一体化设计时,在考虑地基承重能力时,需要根据实际情况进行基础设计,确定基础设计方案,对主体结构地基进行深度修正,充分考虑基础底面范围内荷载,依照基础两侧超载情况,确定基础埋深。

通常情况下,当基础两侧超载不等时,建筑结构地基承载力以最小值为基准,当基础两侧超载比基础宽度大2倍时,以土层厚度为参考。同时,岩石地基相比土质地基,其地基承重能力更高,可取样完整、较完整、破碎岩体进行地基荷载试验,依据饱和单轴抗压强度标准值计算地基承载力特征值。

4.3 独立基础设计

民用建筑结构基础设计中,合理选型是保障基础设计方案合理性的重要前提,主要有独立基础设计、复合基础设计两类,需要根据工程进步提要求选择对应类型。独立基础设计具有较好的经济性、抗震性、适应性等特点,能有效应对地基变形情况,但倘若地基基础均匀性不足,则不适用独立基础设计。独立基础设计形式较为多样,有柱下独立基础、墙下独立基础两种形式,最常见类型为钢筋混凝土板筏结构,可同时作为地下室底板结构和结构板筏,承载力强,施工流程便捷。

4.4 复合基础设计

复合基础设计与独立基础设计不同,其设计内容主要为人工基础作业范围,具有较强抗振动、抗沉降能力,且建筑物地基基础承载力较高,能够充分支撑建筑物上部结构。

复合基础类型较为广泛,包含深层搅拌柱、强夯、灌浆等类型,在设计过程中,主要针对基地土层状况不佳、液化、湿陷等问题的改善,通过基体和增强体的共同作用,支撑建筑物荷载承重能力,因此,其结构设计、施工工艺等较为复杂,需要设计人员依照地基实际情况,选择适宜符合地基类型。例如,某民用建筑项目地下室基底较深,其抗浮水头达到19m 高度,建筑物上部结构重量难以满足抗浮要求,需要对其进行抗浮设计,保障建筑物的稳定性。具体措施为:岩石锚杆抗浮,依据整体抗浮需求,计算出单根锚杆承担浮力作用值(Nwk):

Nwk=Fk-γGGk

式中,Fk为单根锚杆承担的底水浮力标准值;γG为荷载分项系数(取值0.9);Gk为单根锚杆范围内底板自重标准值,最终计算出锚杆长度、直径及间距。

5 结语

综上所述,民用建筑结构的基础结构为地基基础,发挥着支撑建筑物整体稳定性和安全性的重要作用。现阶段,社会发展对民用建筑提供了许多新要求,包括环保性、功能性、经济性、协调性等,设计人员在设计之前,必须做好地质勘察和基础选型,编制合理地基基础设计方案,合理计算各项参数,如地基埋深、地基承重力等,选择适宜独立基础或复合基础设计方法。在满足建筑需求和设计标准的基础上,尽可能优化基础设计,提升基础设计质量,从而提升民用建筑整体建设效果。