房屋基礎(chǔ)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及概念設(shè)計問題研究

許若翊中國平煤神馬建工集團（467000）

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房屋基礎(chǔ)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及概念設(shè)計問題研究

許若翊
中國平煤神馬建工集團（467000）

摘要:建筑工程項目之中，建筑結(jié)構(gòu)的成本所占份額相對較高。這里主要以某地房屋基礎(chǔ)設(shè)施工程實例為研究內(nèi)容,研究了其結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計及概念設(shè)計，希望能夠在實踐中充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的作用，提高經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞:建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計；優(yōu)化設(shè)計；概念設(shè)計

1建筑工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本思路

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，即從建筑圖紙中提煉出的結(jié)構(gòu)元素，利用它們來構(gòu)成建筑物的結(jié)構(gòu)體系，然后將各種荷載向基礎(chǔ)傳遞。經(jīng)濟、適用、安全是設(shè)計的基本原則。在房屋結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)主要涉及到兩方面:總體設(shè)計與部分設(shè)計。在充分滿足使用要求與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)項目現(xiàn)狀，以綜合經(jīng)濟效益為核心來進行設(shè)計。現(xiàn)階段，樓房高度在日益增加，這樣對地基的要求也就愈發(fā)嚴(yán)格。這種形勢下，天然地基根本不能較好地符合項目需求，于是業(yè)界推出了越來越多的地基處理方案[1]。實質(zhì)而言，不同方案的造價存在不小的差異，選用適用、低價的方案，可以適當(dāng)減小項目造價。

1.1項目概況

某住宅為高層，主要包括10棟樓，1~8號是32層，96.8 m高；9~10號是18層，52.2 m高；地下室埋深為4 m,地下部分都是1層。小區(qū)占地122 013 m2。地上是商品房，地下是人防地下室、車庫與設(shè)備用房。二級安全，該住宅抗震級別是7度，設(shè)計地震as是0.1 g。地震分組：第二組；場地為III類,特征周期Tg=0.55 s，建筑主體都是剪力墻結(jié)構(gòu)。

1.2地質(zhì)狀況

按照鉆孔揭露結(jié)果，根據(jù)巖土性質(zhì)，該地地層主要包括13個地質(zhì)層。素填土①、雜填土①、粉質(zhì)黏土②、淤泥③、粉質(zhì)黏土④、淤泥質(zhì)土⑤、粉土⑥、含泥中砂⑦、粉質(zhì)黏土⑧、淤泥質(zhì)土⑨、含泥中砂⑨-1、含泥角礫⑩-1、殘積砂質(zhì)黏性土⑩、全風(fēng)化花崗巖⑾、強風(fēng)化花崗巖⑿、強風(fēng)化輝綠巖⑿-1、中風(fēng)化花崗巖⒀的厚度分別為0.19～4.29 m、0.99～5.09 m、0.99～2.39 m、4.39～21.90 m、0.39～11.99 m、0.49～13.90 m、1.09～3.88 m、0.99～13.49 m、0.69～6.79 m、 0.59～6.85 m、1.19～7.92 m、0.39～3.79 m、0.79～12.19 m、0.79～7.39 m、14～29.00 m、2.90～3.49 m、1.09～2.29 m。

1.3基礎(chǔ)方案

原基礎(chǔ)設(shè)計使用錘擊式預(yù)應(yīng)力高強管樁直徑R為500 mm，持力層是強風(fēng)化花崗巖，樁尖進入持力層超過1 m,單樁承載力特征值S為2 500 kN/m。

1）本來沒有進行優(yōu)化的基礎(chǔ)方案，返工損失。先施工18層的9號樓。施工錘擊管樁時造成非常嚴(yán)重的震動與噪聲，附近群眾對此進行投訴。于是，對基礎(chǔ)設(shè)計進行優(yōu)化，選擇使用靜壓式預(yù)應(yīng)力高強管樁。然而，該住宅地質(zhì)表層具有很厚的淤泥，在施工過程，先將磚渣（厚度為1.5 m）鋪于地表，然后將其壓實，確保靜壓樁機可以順利走機施工。等到9號、10號樓樁基結(jié)束以后，通過對樁基實施動測檢驗，發(fā)現(xiàn)錘擊與靜壓施工的9號與10號樓的一、二、三、四類樁分別是62%、16%、16%、6%與50%、20%、20%、10%。

究其根源，由于表層淤泥較厚，開挖基坑的過程中，根本無法分層進行，一次性開挖深度相對較大,相關(guān)機械設(shè)備運行過程中將會側(cè)向擠壓管樁，導(dǎo)致淤泥和粉質(zhì)黏土相鄰部位管樁被破壞。同時，靜壓樁機重量相對較高，走機施工過程中能夠?qū)δ切┮呀?jīng)施工的管樁形成嚴(yán)重的破壞，所以，形成相對較多的三、四類樁。這樣導(dǎo)致補樁成本提高了72萬元，而工期延長了近60 d。

2）分析樁基方案。關(guān)于1~8號樓的基礎(chǔ)，有關(guān)單位展開探討，最初達(dá)成共識是把樁基變成C35沖孔灌注樁，直徑800 mm。持力層與原設(shè)計相同，樁尖到持力層超過8 m，S取4 000 kN/m。首先試樁2根，然后進行靜載，1號和2號試樁分別進入持力層8 m與10 m。在此基礎(chǔ)上，實施樁底高壓注漿，達(dá)到混凝土齡期28 d后，接著開展靜載試驗，兩者的S數(shù)值分別為3 000 kN/m與3 200 kN/m。可以看出，通過沖（鉆）孔灌注樁，S相對較小，同時所需要的工期相對偏長，成本偏高，對該項目不合適。

3）根據(jù)具體狀況優(yōu)化樁基方案。使用靜壓式預(yù)應(yīng)力高強管樁，輔助以水泥攪拌樁，以此來加固基礎(chǔ)表層，合理設(shè)計消壓孔的方式。水泥攪拌樁與樁間土一起對結(jié)構(gòu)負(fù)載進行承擔(dān)，構(gòu)建起復(fù)合地基。優(yōu)化的樁基方案具有加固地基的功能，充分確保靜壓樁機工作過程中不會發(fā)生沉陷、不會對那些已經(jīng)布設(shè)好的管樁形成側(cè)向擠壓破壞。同時表層變?yōu)橛矊樱_挖基坑過程中，相關(guān)機械工作的時候?qū)軜缎纬上鄬^小的側(cè)向擠壓。因樓層為32層，安排的管樁密度較大，留設(shè)消壓孔主要是為了降低管樁施工過程中的擠土效應(yīng)[2]。

4）優(yōu)化后的樁基方案具有明顯的效益。水泥攪拌樁，樁徑500 mm，樁長接近10 m。施工樁基的時候，水灰比0.5，水泥摻量20%，42.5R硅酸鹽水泥，梅花樁結(jié)構(gòu)布局；消壓孔孔徑300 mm，設(shè)置于樁基原位，取土長度15 m，其數(shù)目是管樁數(shù)目的四分之一。施工水泥攪拌樁結(jié)束22 d以后著手布設(shè)靜壓樁，接著開挖基坑，按照該方式1號樓的樁基一、二類樁分別是80%、20%，都合格。可以看出，在該類地質(zhì)條件下，選擇該方法十分適用,便于操作、經(jīng)濟、快速、沒有污染等，對城建項目十分適用。

5）優(yōu)化技術(shù)的實現(xiàn)，能夠全面發(fā)揮出材料的性能，充分協(xié)調(diào)樓房結(jié)構(gòu)內(nèi)部各單元，在很大程度上提升了地基的安全水平，還能夠為方案設(shè)計做出科學(xué)決策。

2概念設(shè)計的作用

對同一個建筑方案，存在若干個結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)構(gòu)明確的樓房，就算是荷載相同，同樣具有若干分析方法，相關(guān)材料、參數(shù)等也不是唯一的。需注意的問題是，樓房內(nèi)部的布設(shè)，同樣存在差異。上述一切是電腦技術(shù)不能徹底應(yīng)對的，離不開設(shè)計工作者的自主判斷。判斷必須遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)律，按照項目經(jīng)驗來做，此即為概念設(shè)計。

2.1對結(jié)構(gòu)設(shè)計全程具有統(tǒng)領(lǐng)作用

一般情況下，結(jié)構(gòu)工程師的結(jié)構(gòu)概念隨著自己的工作經(jīng)驗的增加而愈發(fā)豐富，設(shè)計成果同樣不斷改進。但是，伴隨社會分工不斷細(xì)化，他們中多數(shù)人僅僅單純依靠設(shè)計手冊、規(guī)范、電腦程序來進行一些傳統(tǒng)的設(shè)計，根本不會積極創(chuàng)新。

2.2能夠處理諸多設(shè)計問題

毋庸置疑的概念設(shè)計可以確保樓房結(jié)構(gòu)在許多外界影響下降低破壞程度。剛度對稱、均勻，是降低地震作用對于結(jié)構(gòu)形成破壞的行之有效的方法；延性設(shè)計，可以降低結(jié)構(gòu)由于受到地震影響而造成的脆性破壞;當(dāng)發(fā)生特大地震的時候，多道設(shè)防可以確保樓房的次要構(gòu)件先破壞，通過這種方式將一定比例的地震能量消耗[3]。

2.3能夠有效彌補計算理論的不足

概念設(shè)計之所以具有關(guān)鍵的作用，是由于當(dāng)前計算理論仍然具有一些不足。比如，對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要以彈性理論為基礎(chǔ)來求解內(nèi)力；對于截面設(shè)計，是基于塑性理論的極限狀態(tài)設(shè)計方法。上述沖突，導(dǎo)致求解結(jié)果和結(jié)構(gòu)的具體受力大小存在很大的差距。為有效解決計算理論上述不足，離不開良好的結(jié)構(gòu)措施和概念設(shè)計，以符合結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要。概念設(shè)計非常關(guān)鍵，因為在方案設(shè)計環(huán)節(jié)，初步設(shè)計的時候無法利用電腦來進行。因此，結(jié)構(gòu)工程師必須充分利用自己了解的結(jié)構(gòu)概念，確定相對合理的結(jié)構(gòu)方案。

3結(jié)語

建筑項目中，設(shè)計人員必須堅持科學(xué)、適用、經(jīng)濟的基本指導(dǎo)思想，周密分析、精心設(shè)計，使用各種高新技術(shù)方法，確定科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。住宅樓房的基礎(chǔ)方案，通過相關(guān)設(shè)計工作者應(yīng)用概念設(shè)計的理念，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，如期竣工，減小了項目成本，提高了項目經(jīng)濟效益。

參考文獻(xiàn):

[1]姜偉.巧借結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化,奠定房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)[J].中國建材科技,2015,01:115- 116.

[2]王鵬.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的實際應(yīng)用分析[J].中國建材科技,2014,04:162- 163.

[3]王也.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].中華民居(下旬刊),2013,03:81- 82.