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這樣設(shè)計(jì)造價(jià)省一半!超高層基礎(chǔ)優(yōu)化案例解析

  • 時(shí)間:2020-08-17
  • 作者:同辰建筑
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01、引言


基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié),目前我國(guó)高層建筑發(fā)展迅猛,高度達(dá)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(jià)高,施工工期長(zhǎng)、施工難度大。準(zhǔn)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(chǔ)備,對(duì)整個(gè)工程的進(jìn)度、造價(jià)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(duì)優(yōu)化前后基礎(chǔ)方案及設(shè)計(jì)參數(shù)從工程造價(jià)的角度進(jìn)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(jí)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(bào)告以B塔為例對(duì)原設(shè)計(jì)與優(yōu)化后基礎(chǔ)方案進(jìn)行分析。


項(xiàng)目基本信息如下所示:


項(xiàng)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(fù)零絕對(duì)標(biāo)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(biāo)高-13.300m,局部-19.300m,


項(xiàng)目效果圖如下圖所示:


圖2.1-1項(xiàng)目建筑效果圖



圖2.1-2 B塔標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置



2.2/結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本信息


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


項(xiàng)目基本風(fēng)壓0.35kN/m2,基本雪壓0.45kN/m2,設(shè)計(jì)地震分組為一組,場(chǎng)地土類別為II類,場(chǎng)地特征周期為0.35s,設(shè)計(jì)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(jì)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(qiáng)部位框架、剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí),底部加強(qiáng)部位框架、剪力墻抗震等級(jí)為特一級(jí)。



2.3/場(chǎng)地概況


場(chǎng)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(qiáng)風(fēng)化礫巖⑥、

中風(fēng)化礫巖⑦、

強(qiáng)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(chǎng)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(chǎng)地穩(wěn)定,適宜興建擬建建筑。





場(chǎng)地內(nèi)各地層作為天然地基時(shí)有關(guān)工程特性指標(biāo)見下表:


圖2.3-1 天然地基工程特性指標(biāo)

注:⑴采用天然地基時(shí),建議進(jìn)行原位載荷試驗(yàn)對(duì)上表參數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)基礎(chǔ)方案


本項(xiàng)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(jì)師保守考慮取100000kPa/m。


原設(shè)計(jì)采用等厚度筏板方案,筏板厚度根據(jù)沖切計(jì)算并適當(dāng)加強(qiáng)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(yàn)算結(jié)果及過程版施工圖如下:



圖2.4-2 原設(shè)計(jì)筏板沖切驗(yàn)算結(jié)果



圖2.4-3 原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)施工圖



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




03、偏差分析  


3.1/地基設(shè)計(jì)參數(shù)不準(zhǔn)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(jì)人對(duì)于此參數(shù)取值100000kPa/m過于保守。根據(jù)我司工程經(jīng)驗(yàn),中風(fēng)化巖層基床系數(shù)一般在300000kPa/m~1000000kPa/m,此參數(shù)對(duì)筏板厚度及配筋影響很大,取值保守會(huì)造成非常大的成本浪費(fèi)。



3.2/基礎(chǔ)方案不合理


設(shè)計(jì)人對(duì)結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟(jì)性缺乏經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)個(gè)人習(xí)慣確定基礎(chǔ)方案造成成本浪費(fèi)。本項(xiàng)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(jì)。





在豎向構(gòu)件跨度較大、荷載分布不均勻的情況下,強(qiáng)行采用整體平板,筏板厚度由最不利位置的計(jì)算厚度決定,造成整個(gè)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(xì)


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(zhǎng)筋配筋率0.176%,仍無法避免配置附加筋。在滿足規(guī)范及計(jì)算的情況下,提高通長(zhǎng)筋配筋率對(duì)基礎(chǔ)受力部位的安全儲(chǔ)備沒有任何提高,但增加了計(jì)算不需要部位的配筋,造成鋼筋強(qiáng)度利用不充分,材料浪費(fèi),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(yàn),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(bǔ)充壓板試驗(yàn),提供基床系數(shù)等更詳細(xì)、準(zhǔn)確的地質(zhì)參數(shù);


2)筏板通長(zhǎng)筋配筋率偏大,根據(jù)計(jì)算僅局部范圍計(jì)算配筋超過0.15%配筋率,筏板通長(zhǎng)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(qiáng)度。


根據(jù)以上意見,甲方補(bǔ)充了壓板試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如下:


圖4.1-1 載荷試驗(yàn)報(bào)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(jì)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(yàn)的結(jié)果,該場(chǎng)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(bǔ)充的載荷試驗(yàn)報(bào)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(jì)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(yàn)算結(jié)果如下:


圖4.2-1 優(yōu)化后筏板沖切驗(yàn)算結(jié)果



筏板通長(zhǎng)筋嚴(yán)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(jì)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(jì)算值示意(僅示意Y向部計(jì)算值)如下圖所示:


圖4.2-2 優(yōu)化后筏板Y向頂部計(jì)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(jià)明細(xì)表如下:




4.3/優(yōu)化結(jié)果


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


優(yōu)化前后相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比如下:



圖4.3-1 優(yōu)化前、后經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)對(duì)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(jì)算控制,施工圖均較計(jì)算結(jié)果保留適當(dāng)?shù)母辉6?,但造價(jià)相差60%。經(jīng)我司分析,原因如下:


1)設(shè)計(jì)過于依賴地勘數(shù)據(jù),對(duì)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(yàn)。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(jì)算與實(shí)際受力相差過大,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便失去了意義。


2)確定基礎(chǔ)方案完全根據(jù)個(gè)人習(xí)慣,不分析項(xiàng)目實(shí)際特點(diǎn)?;A(chǔ)方案的核心是選擇更符合結(jié)構(gòu)實(shí)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(xì)化截面,可使結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度發(fā)揮更加充分,從而降低不必要成本浪費(fèi)。


3)不區(qū)分規(guī)范適用條件,沒有根據(jù)實(shí)際情況分析就生搬硬套。根據(jù)規(guī)范筏板基礎(chǔ)通長(zhǎng)筋可按015%配筋率,在板厚3.5m情況下仍對(duì)通長(zhǎng)筋進(jìn)行加強(qiáng)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(chǔ)備,但會(huì)大大增加了結(jié)構(gòu)成本投入,造成成本浪費(fèi)。



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(jì)參數(shù)及基礎(chǔ)方案的合理選擇對(duì)基礎(chǔ)造價(jià)的影響非常大。在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)方案多重保守的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì),基礎(chǔ)造價(jià)可能增加一倍甚至更多,正如本文所述案例。



基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不僅關(guān)乎安全,也關(guān)乎成本。一味選擇保守的設(shè)計(jì)參數(shù)、保守的基礎(chǔ)方案,只會(huì)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(qiáng)度,造成成本浪費(fèi)。在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下,盡可能選擇符實(shí)際的設(shè)計(jì)參數(shù)和基礎(chǔ)方案這才是保證基礎(chǔ)設(shè)計(jì)安全及成本的精髓所在。