01、引言

基礎(chǔ)設(shè)計是工程項目設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，目前我國高層建筑發(fā)展迅猛，高度達到150m的建筑已超過2000棟。

超高層建筑高度高、荷載大，基礎(chǔ)造價高，施工工期長、施工難度大。準確的地基參數(shù)選取，合理的基礎(chǔ)形式選擇不僅能保證結(jié)構(gòu)具有足夠的安全儲備，對整個工程的進度、造價也有著非常大的影響。

本文以我司結(jié)構(gòu)優(yōu)化工程案例為背景，對優(yōu)化前后基礎(chǔ)方案及設(shè)計參數(shù)從工程造價的角度進行解析。

02、工程案例基本情況

2.1/工程概況

某超高層寫字樓，3層地下室（局部4層），4層商業(yè)裙房，塔樓為A、B兩棟5A級辦公寫字樓（A塔、B塔）。A、B塔結(jié)構(gòu)布置及基礎(chǔ)形式相近，故本報告以B塔為例對原設(shè)計與優(yōu)化后基礎(chǔ)方案進行分析。

項目基本信息如下所示：

項目總用地面積：39713m2；

總建筑面積：295675m2；

地上建筑面積：221485m2；

建筑基底總面積：11392米；

正負零絕對標高：38.00 m;

建筑層數(shù)：A塔 47 層；B塔 50層；裙房4層；地下室3層（局部4層）；

建筑高度：塔樓A 228.0m；塔樓B 233.6m；裙房22.4m；

地下室底板標高-13.300m，局部-19.300m，

項目效果圖如下圖所示：

圖2.1-1項目建筑效果圖

圖2.1-2 B塔標準層結(jié)構(gòu)布置

2.2/結(jié)構(gòu)設(shè)計基本信息

本工程為乙類建筑，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級。

項目基本風(fēng)壓0.35kN/m2，基本雪壓0.45kN/m2，設(shè)計地震分組為一組，場地土類別為II類，場地特征周期為0.35s，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，地面粗糙類別為B類，水平地震影響系數(shù)最大值=0.05。

B塔高度233.6m，結(jié)構(gòu)體系為框-架核心筒結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防基本烈度為6度，結(jié)構(gòu)計算采用的抗震設(shè)防烈度為7度，抗震構(gòu)造措施采用的抗震設(shè)防烈度為7度，非底部加強部位框架、剪力墻抗震等級為一級，底部加強部位框架、剪力墻抗震等級為特一級。

2.3/場地概況

場地土層分布：人工填土（Qml）①、

第四系湖積（Ql）粉質(zhì)粘土②、

第四系沖積（Qal）粉質(zhì)粘土③、

第四系沖積（Qal）圓礫④、

第四系殘積（Qel）粉質(zhì)粘土⑤、

白堊系（K）礫巖、強風(fēng)化礫巖⑥、

中風(fēng)化礫巖⑦、

強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖⑥-1埋藏較淺、

中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖⑦-1。

擬建場地內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖溶、地面塌陷、古河道等不良地質(zhì)作用場地穩(wěn)定，適宜興建擬建建筑。

場地內(nèi)各地層作為天然地基時有關(guān)工程特性指標見下表：

圖2.3-1 天然地基工程特性指標

注：⑴采用天然地基時，建議進行原位載荷試驗對上表參數(shù)據(jù)進行校核。 (2)表中帶“*”者為變形模量，表中帶“#”者為彈性模量。

2.4.原設(shè)計基礎(chǔ)方案

本項目采用天然地基筏板基礎(chǔ)，持力層為中風(fēng)化礫巖7或中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂7-1，承載力特征值fak＝2000kPa，典型地勘剖面如下：

圖2.4-1 地勘剖面示意

因地勘未提供基床系數(shù)相關(guān)參數(shù)，設(shè)計師保守考慮取100000kPa/m。

原設(shè)計采用等厚度筏板方案，筏板厚度根據(jù)沖切計算并適當(dāng)加強取3.5m，配筋f28@200（頂層、底層各兩排，雙向），局部配置附加筋，沖切驗算結(jié)果及過程版施工圖如下：

圖2.4-2 原設(shè)計筏板沖切驗算結(jié)果

圖2.4-3 原設(shè)計基礎(chǔ)施工圖

考慮鋼筋、混凝土、土方、等綜合造價，原設(shè)計方案基礎(chǔ)工程量統(tǒng)計如下：

03、偏差分析  

3.1/地基設(shè)計參數(shù)不準確

地勘未提供決定地基反力分布情況的基床系數(shù)參數(shù)，設(shè)計人對于此參數(shù)取值100000kPa/m過于保守。根據(jù)我司工程經(jīng)驗，中風(fēng)化巖層基床系數(shù)一般在300000kPa/m~1000000kPa/m，此參數(shù)對筏板厚度及配筋影響很大，取值保守會造成非常大的成本浪費。

3.2/基礎(chǔ)方案不合理

設(shè)計人對結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟性缺乏經(jīng)驗。根據(jù)個人習(xí)慣確定基礎(chǔ)方案造成成本浪費。本項目為框架核心筒，框筒結(jié)構(gòu)基底反力主要集中在核心筒以及外圈框架柱附近，核心筒與框架柱、框架柱與框架柱之間的板跨中部地基反力較小，采用等厚度平板筏基非常不經(jīng)濟。

在豎向構(gòu)件跨度較大、荷載分布不均勻的情況下，強行采用整體平板，筏板厚度由最不利位置的計算厚度決定，造成整個基礎(chǔ)的鋼筋、混凝土用量大大增加。

3.3/施工圖配筋不精細

根據(jù)規(guī)范，筏板基礎(chǔ)最小配筋率為0.15%，原方案3.5m厚筏板通長筋配筋率0.176%，仍無法避免配置附加筋。在滿足規(guī)范及計算的情況下，提高通長筋配筋率對基礎(chǔ)受力部位的安全儲備沒有任何提高，但增加了計算不需要部位的配筋，造成鋼筋強度利用不充分，材料浪費，成本增加。

04、方案優(yōu)化  

4.1/優(yōu)化建議

根據(jù)我司工程經(jīng)驗，中風(fēng)化巖層天然地基承載力2000kPa偏低，基床系數(shù)100000kPa/m偏小，向甲方提出以下建議：

1）補充壓板試驗，提供基床系數(shù)等更詳細、準確的地質(zhì)參數(shù)；

2）筏板通長筋配筋率偏大，根據(jù)計算僅局部范圍計算配筋超過0.15%配筋率，筏板通長筋配筋率可按0.15%，不足處局部附加。

3）建議采用筏板局部加厚的基礎(chǔ)形式，使筏板截面與內(nèi)力分布情況一致，減小受力較小部位的截面及配筋，充分利用鋼筋、混凝土材料強度。

根據(jù)以上意見，甲方補充了壓板試驗，試驗結(jié)果如下：

圖4.1-1 載荷試驗報告內(nèi)容

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）和《高層建筑巖土工程勘察規(guī)范》（JGJ72-2004）中有關(guān)規(guī)定及本次三處巖基載荷試驗的結(jié)果，該場地A#塔樓基坑中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖⑧的天然地基承載力特征值為2500kPa，基床系數(shù)建議取660000KN/m3。

4.2/優(yōu)化方案

根據(jù)補充的載荷試驗報告，持力層承載力特征值由2000kPa提高至2500kPa，基床系數(shù)取值由原設(shè)計方案100000kPa/m提高至660000kPa/m。

優(yōu)化后方案核心筒范圍筏板厚度由3.5m調(diào)整為2.5m，核心筒及外框柱墩以外的筏板厚度由3.5m調(diào)整為1m。筏板沖切驗算結(jié)果如下：

圖4.2-1 優(yōu)化后筏板沖切驗算結(jié)果

筏板通長筋嚴格按0.15%配筋率，配筋20@200（板頂、板底單層，雙向），柱墩底部附加鋼筋滿足計算及構(gòu)造要求，核心筒筏板頂部20@200、底部32@210，局部不足處附加，優(yōu)化后筏板配筋計算值示意（僅示意Y向部計算值）如下圖所示：

圖4.2-2 優(yōu)化后筏板Y向頂部計算配筋示意

優(yōu)化后基礎(chǔ)施工圖如下圖所示：

圖4.2-3 優(yōu)化后基礎(chǔ)施工圖

優(yōu)化方案工程造價明細表如下：

4.3/優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化方案較原設(shè)計方案節(jié)約鋼筋317噸、混凝土4517m3，節(jié)省總造價：1315.04-830.98=484.06萬元，節(jié)省造價達到58%！

優(yōu)化前后相關(guān)數(shù)據(jù)對比如下：

圖4.3-1 優(yōu)化前、后經(jīng)濟性數(shù)據(jù)對比

4.4/優(yōu)化結(jié)果分析

優(yōu)化前、后方案板厚均按沖切計算控制，施工圖均較計算結(jié)果保留適當(dāng)?shù)母辉６?，但造價相差60%。經(jīng)我司分析，原因如下：

1）設(shè)計過于依賴地勘數(shù)據(jù)，對地勘偏保守（如地基承載力）、未明確（如基床系數(shù)）的重要參數(shù)判斷缺乏經(jīng)驗。地基承載力、基床系數(shù)直接影響基礎(chǔ)截面及內(nèi)力，若計算與實際受力相差過大，結(jié)構(gòu)設(shè)計便失去了意義。

2）確定基礎(chǔ)方案完全根據(jù)個人習(xí)慣，不分析項目實際特點。基礎(chǔ)方案的核心是選擇更符合結(jié)構(gòu)實際受力的基礎(chǔ)形式，內(nèi)力較大的部位截面、配筋大，內(nèi)力小的部位截面、配筋小才最合理的。根據(jù)受力合理細化截面，可使結(jié)構(gòu)材料強度發(fā)揮更加充分，從而降低不必要成本浪費。

3）不區(qū)分規(guī)范適用條件，沒有根據(jù)實際情況分析就生搬硬套。根據(jù)規(guī)范筏板基礎(chǔ)通長筋可按015%配筋率，在板厚3.5m情況下仍對通長筋進行加強不合理。將受力較小的部位截面及配筋加大并不能增加結(jié)構(gòu)的安全儲備，但會大大增加了結(jié)構(gòu)成本投入，造成成本浪費。

05、結(jié)論

經(jīng)上述分析可知，地基承載力、基床系數(shù)等設(shè)計參數(shù)及基礎(chǔ)方案的合理選擇對基礎(chǔ)造價的影響非常大。在基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)、結(jié)構(gòu)方案多重保守的情況下進行設(shè)計，基礎(chǔ)造價可能增加一倍甚至更多，正如本文所述案例。

基礎(chǔ)設(shè)計不僅關(guān)乎安全，也關(guān)乎成本。一味選擇保守的設(shè)計參數(shù)、保守的基礎(chǔ)方案，只會大大增加開發(fā)商不必要的成本投入，而這部分增加的材料投入并不能充分發(fā)揮其強度，造成成本浪費。在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，盡可能選擇符實際的設(shè)計參數(shù)和基礎(chǔ)方案這才是保證基礎(chǔ)設(shè)計安全及成本的精髓所在。