高层建筑地基基础设计方案的经济合理性探讨

文/卢标 上海之景市政建设规划设计有限公司 上海 201399

在当前的经济和社会效益下，结构优化设计的概念贯穿整个结构设计，而高层建筑的基础成本通常会占土建总成本的较大部分，故而在满足高层建筑总体要求的前提下，一定要充分考虑高层建筑地基基础方案的经济合理性。

1、地基基础及地勘资料的重要性

地基基础和高层建筑之间的关系主要是地基基础决定高层建筑的稳定性。地基和基础是建筑物的根基，地基的选择或处理是否正确，基础的设计与施工质量的好坏直接影响到建筑物的安全性、经济性和合理性。

对于地基而言一旦相应的承载力不足，就可以判断为软弱地基，那么就应该对软弱地基进行相应的处理。这里的软弱地基主要指由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其它高压缩性土层构成的地基。对建在软弱地基上的建筑物，在工程设计和地基处理方案确定前，应进行工程地质和水文地质勘察，查明软弱土层的组成、地质成因、分布范围、均匀性、软弱土层厚度、持力层位置及状况以及地基土的物理和化学性质等。建筑物基础下面的地基情况千差万别，特别是对于人民生命财产影响巨大的高层建筑，作为一个合格负责任的结构工程师，在基础设计前一定要拿到符合本项目实际情况的地勘资料，切不可盲目进行设计。

2、选择高层建筑地基基础方案考虑因素

2.1 工程地质情况

全国各地的地质情况大相径庭，同样是高层建筑，在不同的地区会采用完全不同的基础形式，像上海地区由于地基承载力较弱，多采用桩筏基础，很少采用桩箱基础，桩也多采用钻孔灌注桩；而像浙江台州地区虽也会采用桩筏基础，但岩石持力层埋深很浅，桩型就多采用大直径人工挖孔桩；北京地区因土层较硬，地基承载力普遍较高，所以多采用筏基。

2.2 规范对基础埋置深度的要求以及如何为设计所用

JGJ3-2010规定高层建筑基础的埋深可取建筑高度的1/15～1/18。这是考虑场地土层对高层建筑的嵌固作用，增强高层建筑结构的稳定性、抗倾覆和抗滑移的能力。上海地区原并不要求高层一定要设地下室，莲花河畔倒楼事件后，在地标地基规范中已明确要求十层及十层以上（或高度超过28m）建筑物必须设置地下室。以上规范对地下埋深的硬性要求又如何为设计所用呢？随着人民生活水平的不断提高，进而汽车数量的不断增加必然会带来停车难的问题，而解决这一问题最合理最经济的办法就是将汽车停在地下，这就需要地下室有足够空间，需要在地基基础设计中结合岩土工程地质的实际情况、地下室和人防的设置、地基基础的选型等因素综合考虑，以充分利用地下室空间。

2.3 增强建筑的强度

从建筑稳定的角度来看，地基基础的作用是非常重要的。所以设计师在设计高层建筑时一定要考虑地基的承载力问题，合理有效地分析地基数据，以达到控制成本的目的。影响建筑稳定性的因素，需要对各个环节进行合理分析，最终筛选出一个比较科学的方案。

2.4 掌握科学合理的结构计算方法

高层建筑一般体量都比较大，而为了项目基础设计的经济性又经常需要多方案经济性比较，这时计算机辅助设计的高效性就体现了出来，但要提醒我们结构工程师的是千万不要迷信计算程序有限元的计算结果，有限元计算在地基基础学科中计算精度较差、误差较大，比如目前不同设计单位、不同设计人在地下室的抗拔桩设计方面比较混乱，不同单位和个人的设计结果差异可达数倍，因此想成为一个优秀的结构设计师一定要提高自己的概念设计能力，在设计时可以多用几种方法计算，从而在满足规范的前提下做到基础设计的经济性。

3、高层建筑地基基础设计的基本要求

高层建筑地基基础设计要求是非常系统的，每一条都关系到建筑结构的安全性，其中包括地基的稳定性设计，结构的整体稳定性，地基的抗震性能，地基的承载力，地基与高层建筑基础之间的搭配，地基的抗变形能力以及地基的抗压及抗剪切能力等等。在对高层建筑地基基础方案设计优化过程中既要保证方案的可行性以及保证建筑总体的稳定性，又要进行精密严谨的计算。

4、高层建筑地基基础的多方案优选

4.1 制定合理的设计方案

建筑设计本身首先必须满足建筑的特定地方环境，其次，要根据各地区的各种环境条件，严格选址进行开发建设，否则会对生态环境、人民生命财产等造成严重的危害，违反了生态保护的基本设计原则。

考虑到建筑结构的特点，结合高层建筑的岩土性质，建筑基础常见形式分析如下：

⑴人工挖孔桩基础：人工挖孔桩一般都是大直径灌注桩，单桩承载力很高，是一种非挤土桩。可适用于持力层在地下水位以上的各种地层，成桩质量比较容易控制和保证。缺点主要是挖孔过程中有一定的危险，一旦塌孔往往造成严重后果。

⑵预应力管桩基础：这种桩基形式在江浙沪一带应用较为广泛，造价低，施工速度快，可以节约施工周期，加快项目的建设；但其有显著的挤土效应，如果周边有建筑或者敏感的市政管线，就限制其使用，不然容易导致周边建筑开裂，一般退让距离为20-30米。该桩基形式多适用于60米以下以及城市郊区的高层建筑。

⑶天然地基筏板基础：天然地基基础施工方便，周期短，成本低，筏板基础作为高层建筑的基础，整体性好，强度高，刚性好。虽然高层建筑的竖向荷载一般较大，但基坑底部基础持力层整体岩土较好时是可以考虑这种基础形式的，不过多适用于北方地区。

⑷复合地基筏板基础：复合地基要充分发挥天然地基的承载力，在桩身竖向加固的基础上，提高基础下地基的综合强度，减少基础整体沉降和不均匀沉降，通过调节竖向增强体的长度、截面大小、布置形式以及间距使复合地基能够承受上部结构荷载。复合地基还需要在桩体顶部设置垫层，充分利用地基的承载力，协调桩基与周围岩土的搭配。复合地基具有较大的灵活性，也有经济和时间的保证。对筏板基础设计而言，与天然地基筏板基础相同。

4.2 敢于采用新工艺、新技术

对于特定地区的场地，我们应该根据地勘报告提供的岩土地质特点考虑最合理的基础方案，不要因为某种基础形式当地使用的少就回避。不同地区有当地常用的基础类型，甲方一般对新工艺在当地的可行性、经济性缺乏信心，施工单位往往也会对不熟悉的工艺加以抵触，这时对结构工程师就要敢于拿出以数据来说话的勇气，包括工程技术和经济性分析数据，以证实拟采取的基础方案是否真正合理，也能够说服项目参与各方。一个合理、经济的基础方案可以节约大量的人力物力，作为一个优秀且勇于担当的结构工程师，每做一个项目都要集思广益，思路要开阔，千万不要局限于常规做法，这对于推广新工艺、新技术、节约造价是非常有利的。

4.3 要注重建筑的经济高效性

新型建筑材料的研发和先进施工技术发展速度非常快，对建筑业的效率和经济也有很高的要求。因此，作为建筑行业的前期工作--设计工作亦须经济高效地进行。传统的设计理念已经开始过时了，一味地采用老一套很可能会降低社会竞争能力。因此，需要采用一些更先进的创新理念，使用更为先进的建筑技术和优质建材，提高建材的使用效率降低生产成本，确保建筑设计的经济高效。

4.4 要充分利用节能低碳理念

利用节能低碳建筑材料，并实现最高的利用率，所以选择建筑材料时要结合低碳环保的理念，应该是最大程度的选择低碳绿色建材为指导。现在设计成果中都已经要求有绿色建筑设计专篇，具体到地基基础方面主要有对地基基础优化设计、采用预拌混凝土、合理采用400MPa级受力钢筋、合理采用高耐久性建筑结构材料等几个方面。在选用混凝土和钢结构等建筑材料时，要以低消耗，高效率，循环利用等特点来衡量。

结语：

在进行高层建筑地基基础方案的优化设计时，要充分调查高层建筑的相关数据，尤其要注意现场岩土数据的可靠性，比如岩土勘察数据，地基、桩基承载力的确定至关重要。高层建筑基础方案的优化是极为复杂的，所以，设计方案要有清晰地目标，合理的结构措施和准确的计算。

参考文献：

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[3]韩玉栋，蒋莹，李海元，管桦，王云燕，曲江泉.某超高层建筑地基基础方案优化[J].施工技术，2013，09：32-35.

[4]《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011.

[5]《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012.

[6]《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008.