01、引言

基礎設計是工程項目設計的重要環(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，基礎造價高，施工工期長、施工難度大。準確的地基參數選取，合理的基礎形式選擇不僅能保證結構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。

本文以我司結構優(yōu)化工程案例為背景，對優(yōu)化前后基礎方案及設計參數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塔結構布置及基礎形式相近，故本報告以B塔為例對原設計與優(yōu)化后基礎方案進行分析。

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：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塔標準層結構布置

2.2/結構設計基本信息

本工程為乙類建筑，主體結構設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級，地基基礎設計等級為甲級。

項目基本風壓0.35kN/m2，基本雪壓0.45kN/m2，設計地震分組為一組，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，水平地震影響系數最大值=0.05。

B塔高度233.6m，結構體系為框-架核心筒結構，抗震設防基本烈度為6度，結構計算采用的抗震設防烈度為7度，抗震構造措施采用的抗震設防烈度為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）粉質粘土②、

第四系沖積（Qal）粉質粘土③、

第四系沖積（Qal）圓礫④、

第四系殘積（Qel）粉質粘土⑤、

白堊系（K）礫巖、強風化礫巖⑥、

中風化礫巖⑦、

強風化泥質粉砂巖⑥-1埋藏較淺、

中風化泥質粉砂巖⑦-1。

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

場地內各地層作為天然地基時有關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據進行校核。 (2)表中帶“*”者為變形模量，表中帶“#”者為彈性模量。

2.4.原設計基礎方案

本項目采用天然地基筏板基礎，持力層為中風化礫巖7或中風化泥質粉砂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相關參數，設計師保守考慮取100000kPa/m。

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

圖2.4-2 原設計筏板沖切驗算結果

圖2.4-3 原設計基礎施工圖

考慮鋼筋、混凝土、土方、等綜合造價，原設計方案基礎工程量統計如下：

03、偏差分析  

3.1/地基設計參數不準確

地勘未提供決定地基反力分布情況的基床系數參數，設計人對于此參數取值100000kPa/m過于保守。根據我司工程經驗，中風化巖層基床系數一般在300000kPa/m~1000000kPa/m，此參數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/基礎方案不合理

設計人對結構方案的經濟性缺乏經驗。根據個人習慣確定基礎方案造成成本浪費。本項目為框架核心筒，框筒結構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濟。

在豎向構件跨度較大、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，造成整個基礎的鋼筋、混凝土用量大大增加。

3.3/施工圖配筋不精細

根據規(guī)范，筏板基礎最小配筋率為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

根據我司工程經驗，中風化巖層天然地基承載力2000kPa偏低，基床系數100000kPa/m偏小，向甲方提出以下建議：

1）補充壓板試驗，提供基床系數等更詳細、準確的地質參數；

2）筏板通長筋配筋率偏大，根據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形式，使筏板截面與內力分布情況一致，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。

根據以上意見，甲方補充了壓板試驗，試驗結果如下：

圖4.1-1 載荷試驗報告內容

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

4.2/優(yōu)化方案

根據補充的載荷試驗報告，持力層承載力特征值由2000kPa提高至2500kPa，基床系數取值由原設計方案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調整為2.5m，核心筒及外框柱墩以外的筏板厚度由3.5m調整為1m。筏板沖切驗算結果如下：

圖4.2-1 優(yōu)化后筏板沖切驗算結果

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)化后基礎施工圖如下圖所示：

圖4.2-3 優(yōu)化后基礎施工圖

優(yōu)化方案工程造價明細表如下：

4.3/優(yōu)化結果

優(yōu)化方案較原設計方案節(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)化前后相關數據對比如下：

圖4.3-1 優(yōu)化前、后經濟性數據對比

4.4/優(yōu)化結果分析

優(yōu)化前、后方案板厚均按沖切計算控制，施工圖均較計算結果保留適當的富裕度，但造價相差60%。經我司分析，原因如下：

1）設計過于依賴地勘數據，對地勘偏保守（如地基承載力）、未明確（如基床系數）的重要參數判斷缺乏經驗。地基承載力、基床系數直接影響基礎截面及內力，若計算與實際受力相差過大，結構設計便失去了意義。

2）確定基礎方案完全根據個人習慣，不分析項目實際特點?；A方案的核心是選擇更符合結構實際受力的基礎形式，內力較大的部位截面、配筋大，內力小的部位截面、配筋小才最合理的。根據受力合理細化截面，可使結構材料強度發(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，沒有根據實際情況分析就生搬硬套。根據規(guī)范筏板基礎通長筋可按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構的安全儲備，但會大大增加了結構成本投入，造成成本浪費。

05、結論

經上述分析可知，地基承載力、基床系數等設計參數及基礎方案的合理選擇對基礎造價的影響非常大。在基礎設計參數、結構方案多重保守的情況下進行設計，基礎造價可能增加一倍甚至更多，正如本文所述案例。

基礎設計不僅關乎安全，也關乎成本。一味選擇保守的設計參數、保守的基礎方案，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。在保證結構安全的前提下，盡可能選擇符實際的設計參數和基礎方案這才是保證基礎設計安全及成本的精髓所在。