建筑结构地基基础设计优化

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［摘要］地基基础设计作为提高工程质量的重要方式，其承载着整个建筑物所有荷载，作为导体将这些荷载全部传输到地基土中，从而确保整个建筑结构的安全性，对于整个建筑质量具有至关重要的作用。由于在整个基础设计方法选择过程中，设计人员要考虑到各方面因素，如工期、结构经济性、安全性、环境等方面因素，这些因素中有很多因素根本无法用数字进行表达，很容易导致其出现无法分辨优劣的问题。因此，如何根据工程项目要求，选择科学的地基基础设计方式是目前设计人员亟需解决的问题。基于此，本文通过分析实际工程案例，再结合现场施工不同方面的情况，如周边环境、水文地质条件、场地工程地质条件等，提出多样化设计方案，再利用对比分析的方式来优化现有方案，从而取得最有效的地基基础方案。

［关键词］基地基础；设计；KPPM；工程成本；层次分析法

近年来，随着社会经济不断发展，建筑行业获得巨大发展空间的同时，人们对于工程建筑质量提出了更高要求。建筑基础通常承载所有从上部结构传递下来的荷载，是保障整个建筑结构稳定性的重要环节，不同建筑物的外形和功能不同，导致建筑上部结构愈发复杂，给建筑地基基础设计环节提出更高要求，尤其在高层建筑地基设计中，基础环节造价在工程总造价方面占比在1/3左右，施工工期占据总施工工期的30%。同时，建筑物上部结构具有规律性强、受力明显等特征，随着我国地基施工技术和设计技术愈发成熟，基础环节设计工作成为建筑工程的关键点，特别是在高层建筑中的基坑工程中极其常见。地下环境非常复杂，很容易受到外界因素影响，导致其基础施工、基坑降水等工序难度较高，往往需要投入大量资金，才能确保基础工程的稳定性。基于此，本文通过分析实际工程案例，再结合现场施工不同方面的情况，如周边环境、水文地质条件、场地工程地质条件等，提出多样化设计方案，再利用对比分析的方式来优化现存方案，从而取得最有效的地基基础方案[1]。

1常见基础形式和选择

1.1无筋扩展基础

无筋扩展基础属于刚性基础，其主要具有毛石、块石、素混凝土、砖等材料，让整个基础具有较强的抗拉强度和抗压强度。因此，工作人员在设计无筋扩展基础过程中，要提前确定基础主要承受压应力。在正常情况下，无筋扩展基础通常是以阶梯形式出现在人们视线范围内，其台阶宽度和高度比例要满足如下要求：（1）公式（1）中：bi和Hi表示基础某阶段的宽度和高度；tanα表示基础刚性角。1.2扩展基础扩展基础是无筋扩展基础升级版本，能解决基础刚性角给基础外形造成的影响，让整个基础截面形式具有较强的经济性和灵活性。目前，扩展基础凭借自身具有较强的灵活性，被广泛应用到日常工程建设中，工作人员会结合具体情况来准确计算基础和上部结构连接处的抗剪能力，再严格遵循行业抗弯要求，来计算扩展基础底部的钢筋配置量，从而确定顶面局部所承受的压力和承载力[2]。

1.3柱下条形基础

目前，条形基础将散落在不同区域的柱子通过基础梁将其连接成一个整体，在特定环境下具有较强的实用性。同时，由于柱下条形基础具有较强的抗弯性能，能有效调整独立基础形式中基础存在不均匀沉降的问题，在软弱建筑场地地基土地上拥有良好的适用性。另外，柱下条形基础在不同方面的截面中都具有较强的剪力和弯矩力，这些力全部是让基础梁来承受，基础梁的纵向内力计算方法一般利用线性分布法和弹性地基梁法来进行，这种基础能应用在高层建筑中，但和柱下独立基础相比，其往往需要耗费更高资金，所以在正常情况下，当独立基础能满足房屋变形和承载力要求，可优先采用独立基础设计。

1.4桩基础

如果场地中复合地基和浅层地基无法满足建筑荷载要求，工作人员可通过利用具有较强物理力学性能的土层作为持力层，来优化深基础设计方案。和浅基础设计方案相比，深基础设计方案具有变形小、埋深大、承载力高等特征，被逐渐普及到我国建筑行业中，其施工和设计较为复杂。同时，桩基础通常安装在岩土中，其是由基桩和承台相互组成，承台是将大量根基桩进行相互连接，再将上部结构荷载均衡分布在不同基础上；而基桩通常埋在地基中，是利用桩四周土的摩擦作用和端承作用，将上部结构荷载全部应用到桩的四周土壤中。在实际工程施工中，基桩不止能和承台进行配合应用，还能和箱型基础相互配合，形成桩箱基础。当桩直径较宽时，工作人员可节省承台流程，构成单桩基础形式[3]。

2地基基础设计的基本原则

在地基基础设计过程中，设计人员要严格遵循因地制宜的原则，地基基础设计前要分析地基各方面情况，如功能特征、建筑规模、复杂程度等要素，将地基使用程度分为甲、已、丙三个级别。在地基基础设计时，要根据长期荷载作用和地基基础设计等级来判断地基变形对上部结构带来的影响，且地基基础设计要满足如下规定：（1）不同等级的基础设计全部要符合承载力要求；（2）在面对设计等级是乙和甲级别的基础，要严格遵循行业要求来设置变形值；（3）对丙级建筑物设计，要提前利用专业设备来分析地基承载力，如果发现其承载力低于130kpa，很容易造成地基出现不均匀沉降、倾斜、自重固结不足等问题，工作人员要及时做变形计算。（4）当遇到地面坡度较高的建筑物时，要验算其稳定性；（5）基坑工程稳定性计算；（6）在设计建筑物地下环节时，工作人员应结合现场实际情况来判断是否需要做抗浮验算。

3郑州鞋业生产中心地基基础设计

3.1工程概况

郑州鞋业生产中心工程场地坐落在长江路和京广路的连接点，郑州市第六人民医院的北面。拟建工程主要是由地上连体建筑和地下室相互组件而成，其中有两个东西均匀分布的主塔和裙房，主塔环节在地上具有26层，地下三层属于地下室，裙楼环节地上有九层，地下三层为地下室，东西长度和宽度分别为153.30m、80.70m，整个框架采用剪力墙结构，单柱荷载在32000kN，柱网间距规格为8.4×8.1m。

3.2基础形式初选

通过分析建筑地基和上部荷载基本情况，发现可利用天然地基和筏形基础设计方式，将基础埋深控制在10.80m，将粉砂作为持力层，将粉质黏土全部挖掘出来，再利用级配砂石分层压实到基层设计标高，然后利用专业手段进行深宽修正，发现地基承载力为387kpa，该强度仍然无法满足上部荷载要求。因此，本工程可采用桩基础设计方式，对于上部荷载较小，且处理后复合地基承载力低于500kpa，工作人员可结合现场实际情况利用石灰桩法、水泥土搅拌桩法来进行地基处理；当上部荷载超过标准规定时，传统地基处理方法已无法满足实际要求，工作人员只能选择高压旋喷桩复合地基、CFG桩复合地基处理方式，CFG桩作为一种新型桩体，和传统桩体相比，由于CFG桩桩体能纳入不配筋、工业废料粉煤灰，可有效发挥桩间土的承载能力。在正常情况下，工程造价一般在桩基的1/3以内。而CFG桩复合地基具备施工工艺简单特点，可加强桩阻力，桩越长其承载力越高，并具备较高端阻效应和施工周期短作用，按两台设备进行计算，一般两周就能完成，检测只需要一周就能完成。

3.3CFG桩复合地基+筏形基础设计

3.3.1CFG桩复合地基设计参数城市在建造高层建筑物是，往往需要对地基进行特殊处理，所以CFG桩复合地基技术受到建筑行业高度重视。CFG桩复合地基技术是在20世界末期我国建筑科学研究院研究所得，是一种新型天然地基加固方式，在1994被作为建筑部的全国重点发展项目，将其作为国家级工法，并制定了中国建筑科学研究院企业标准，从而确保CFG桩复合地基技术的顺利实施。CFG桩作为一种高粘结性的刚性桩，其桩体本身强度一般在C15~C30之间。通过桩等、砂石褥垫层等作用，形成复合地基，用置换作用来作为加固理论。在实施复合地基方案设计过程当中，要提前预测地基沉降、验算承载力、桩身强度等方面的数据。在设定CFG桩时，可利用满堂铺设的方式，将桩之间的距离确定为1.35m，入土深度在28.0m，直径可在40cm。单桩承载力、桩端端阻力、桩间土承载力分别为0.85、1.0、0.9。在CFG桩进入到12层粉质黏土深度要超过0.5m。而单桩竖向承载力特征值可通过公式（2）获得[4]。（2）3.3.2主楼部分基础设计在设计本工程地基基础时，工作人们可利用地基基础计算机辅助设计系统来进行设计，严格按照建模、计算、调整等步骤，在确保结构安全性的前提下，加强设计经济的科学性。根据岩土工程检测数据，工作人员可将地基土不同位置的土质情况全部输入建筑平面图中，如状态参数、压缩模量、土层标高等数据。而在人机交互输入模块中，工作人员要结合现场实际情况，来确定标高系统、地基承载力、基础设计等方面数据，准确确定筏板实际尺寸，取得上部结构基本荷载，在满足各种受力性能情况下，来计算出筏板平面尺寸和合理厚度。在满足上述条件后，会自动进到桩筏筏板有限元计算单元，根据设计要求输入筏板计算参数，构建筏形基础有限元计算模型，从而实施主楼筏板有限元计算。在JCCAD菜单下，工作人员能利用单元网格来计算筏形基础准确性，其先将墙柱构件、基础德辰网格线为基础，从而构成多个房间，再根据房间不同类型分为不同单元，进而确保整个上部结构荷载位置的准确性，还能让墙体、梁、板等构件全部安装在单元变线上，保证不同单元节能形状的协调性。同时，在桩筏基础设计过程中，可选择利用网格线的方式来科学划分网格，但值得注意的是，工作人员要考虑到桩的正确位置，从而提高计算精准度[5]。3.3.3裙房部分基础设计裙房基础设计和主楼基础设计相比，裙房上部往往只产生较小的荷载，如果利用和主楼相同的筏形基础设计，很容易造成资金浪费的问题。因此，工作人员可利用柱下独立基础设计方式，其具有施工便捷、造价低、受力明确等特征，独立基础下的地基能利用CFG桩进行处理，基础则能使用现浇倒锥形独立基础，布桩参数和主楼环节相同。首先，计算不同柱间所传递的荷载标准值，在满足地基承载力基础上，准确计算出满足不同情况下荷载所需的独立基础尺寸；其次，要以荷载组合为基础，来独立计算基础抗冲切性能，计算出基础截面最低值，再将其中的最高值作为独立基础高度。同时，在设计锥形基础时，两方向坡度要满足不超过整体高度的1/3的规定，再准确计算基础底板不同方向的配筋面积。

4建筑结构地基基础设计优化方向

4.1从安全角度考虑安全性是整个建筑结构地基基础设计优化的重要元素，建筑结构地基基础安全性和建筑物安全性有直接联系，而建筑和人们日常工作、生活相互融合，安全性要求远超过其他性能，一旦建筑物安全性出现问题，会给相关人员生命安全带来严重威胁。同时，随着社会经济不断发展，人们对建筑功能性、结构、形态等方面提出更高要求，为进一步满足人们对建筑物的日常要求，工作人员要对建筑结构地基基础设计进行优化，从而让建筑物地基基础安全性能满足日常使用要求。但从目前情况来看，很多建筑设计师对地基基础设计重视程度严重不足，将自身注意力全部放在建筑物上部结构方面，从不同方面优化建筑物外观、户型等，忽略优化建筑结构地基基础设计，很容易给建筑物整体安全性带来严重影响，一旦建筑结构安全性无法达到行业标准，会给周围居民的生命、财产构成威胁，建筑结构地基基础设计要注重加强其安全性优化[6]。

4.2从经济角度考虑

在信息化时代背景下，企业愈发重视经济效益，建设单位同样如此。因此，在开展实际建筑设计时，为进一步提高经济效益，施工单位往往会利用科学方式控制地基基础建设成本，从而将建设成本控制在最低程度，从而满足施工单位对经济效益的需求。同时，为提升自身核心竞争力，让其能在激烈竞争市场中占据一席之地，设计单位要不断引进先进的设计理念，合理优化资源配置，将所有新材料价值充分发挥出来，在不影响建筑结构地基基础安全性情况下有效解决建设成本，从而达到提高建筑工程项目整体经济性的目的。

4.3从功能角度考虑

人们在日常生活中和建筑物有密不可分的联系，建筑物作为人们赖以生存的基础，给人类未来实现可持续发展提供保障。同时，随着社会经济不断发展，给人们日常生活带来质的改变，不再满足于学习、工作等方面需求，对现代化建筑功能性提出更高要求，如舒适度、智能化程度、外观等方面。因此，在优化建筑结构地基基础设计方面，要向建筑物功能性要求方面发展，让优化后的地基基础能满足新型建筑物对地基承载力所提出的要求[7]。

5建筑结构地基基础设计的优化措施

5.1科学选择建筑结构地基基础设计方案

选择建筑结构地基基础设计方案和建筑结构安全性有直接关联。因此，工作人员要结合建筑工程实际情况，选择科学的建筑地基基础造型和布局，再利用建筑工程总造价、施工难度系数等因素来选择地基基础。首先，要针对建筑工程进行全方面调研工作，详细调查现场地质工程具体情况，如地基承载力、地形条件、地质情况等数据，再和建筑结构相互结合，来分析不同方面的数据，这样才能从不同方面来考虑到具体因素，从而制定健全的地基基础设计方案，加强方案的合理性和科学性；其次，要合科学考虑到上部结构和地基的动力情况，按照不同结构的优缺点，再利用专业工具计算出实际动力值和预估值的差异性，然后通过分析两者间的关系来制定安全施工措施，也可根据开裂数据或者次应力数据来采用合理预防措施，从而确保整个方案能顺利进行[8]。

5.2建筑地基基础结构计算设计优化

随着科学技术不断发展，给人们日常生活方式和生产方式带来质的改变，如果将计算机技术应用到建筑基础结构设计计算工作中，能有效加强结构设计质量和效率，进一步提高结构设计准确性。同时，计算机技术虽然能给建筑地基基础结构计算带来极大便利性，但设计师具有较强的警觉性，不能将计算机作为计算地基基础结构的唯一工具，一旦计算机编程出现问题，很容易给整个计算结构带来严重偏差，从而给建筑地基基础设计结果带来不同程度的影响。因此，建筑设计师要结合现场实际情况应用计算机技术来开展结构计算工作，再检查整个计算结构，从而确保结构设计数据的准确性。另外，利用计算机技术所得到的结构计算结果会由于计算参数不同出现不同程度的变化，且适用范围不同，设计师要将计算结果进行对比，结合建筑物对地基基础结构设计要求，选择最合理的计算结果。但值得注意的是，计算机技术在建筑地基基础结构设计方面同样具有较强局限性，虽然计算机能真实模拟建筑形态、结构等特征，设计时能假设理想状态作为编程基础，但在实际建筑工程施工中会遇到很多方面的影响因素，如材料、施工水平、现场环境等因素影响，最终无法达到预期效果。因此，利用计算机技术在预期状态下计算出来的结果，很容易和建筑工程实际需求存在差异性，所以建筑设计师在利用计算机技术计算结构时，要从不同方面考虑各种影响因素，并将设计模型和实际施工情况进行对比，不断调整建筑地基基础结构计算结果，直到取得令自己满足的结果[9]。

5.3实现建筑材料利用率最大化

在建筑结构地基基础设计优化过程中，要以地基基础经济性、安全性、稳定性为基础，进一步加强建筑材料利用率。工作人员要根据建筑物对使用功能所提出的要求，选择对应的优化措施，面对钢筋混凝土桩基础结构，可利用具有较强抗压性能的混凝土材料，这样不仅能满足设计承载力要求，还能缩短结构构件截面尺寸，从而增加建筑结构利用空间。在针对地下连续梁地基基础结构时，工作人员要在保证建筑预算造价基础上，采用高强度钢筋，来降低建筑地基基础结构的钢筋总数量；在设计建筑结构地基基础时，工作人员要根据混凝土强度和钢筋强度来进行科学配备，确保混凝土和钢筋强度基本相同，将建筑材料优势全部发挥出来，从而降低建筑结构所耗资金，给建筑企业实现可持续发展打下坚实基础。

5.4认真学习建筑结构地基基础设计规范

设计规范作为建筑地基基础设计的重要环节，建筑结构地基基础设计优化中必须要满足设计规范要求。因此，设计师要学习丰富的设计规范，对规范中条款、格式等内容有深度认知，进一步体会规范核心内容，将设计规范和建筑结构地基基础设计优化相结合，让设计规范成为整个建筑结构地基基础的主体，一旦需要分析具体设计工作中存在的问题，工作人员可借鉴设计规范来进行分析，能有效调整建筑结构设计方案，从而降低地基基础整体造价。同时，设计师要注重观察设计环境，将设计结果作为主要参考依据，再根据不同环境来调整计算数据，如果遇到无法利用计算结果来解决的情况，如抗震计算，设计师要充分考虑到总结构基础情况、地震造成的损耗、抗震结构措施等[10]。

6总结

综上所述，地基基础在整个建筑工程中占据至关重要的作用，现代新型建筑对地基基础安全性、稳定性提出更高要求，设计师的设计思维同样要向这些方向发展，根据建筑单位对建筑物造价、形态等方面要求，选择合理的建筑结构类型，在确保地基基础竖向承载力基础上优先选择绿色环保的材料，从而提高地基基础设计的经济效益。基于此，文通过分析实际工程案例，再结合现场施工不同方面的情况，如周边环境、水文地质条件、场地工程地质条件等，提出多样化设计方案，再利用对比分析的方式来优化现存方案，从而取得最有效的地基基础方案。

作者:曹世兴 单位:北京首发公路养护工程有限公司