临安市建筑设计院有限公司 浙江临安 311300
摘要：受到我国土地资源的限制，高层建筑正逐渐成为城市建筑的主体成分。高层建筑地基是稳定高层建筑，保证建筑安全的重要部分，设计时要充分考虑如何保障地基自身的强度和刚度，并考虑如何保障上部建筑的稳定性、周边环境的适应性等。本文介绍了在高层建筑地基基础的概念设计理念。
关键词：结构设计；高层建筑；基础设计；概念设计
概念设计是指由用户需求开始，到概念产品生成的一系列设计活动。在这个过程中，设计者对最终产品的认知逐渐清晰明确，能够清楚的了解在产品的各部分需要具有哪些功能。概念设计中对数值、参数并没有严格的要求，只需要根据以往经验和相关的力学、结构学、地震学和试验的知识，根据设计的基本理念和原则，确定建筑的总体结构布置和宏观控制。在高层建筑地基基础的概念设计中，更多的使用到的是定性的设计方法，它要求在设计过程中始终贯穿和应用结构概念，以整体的观念规划设计过程，保障建筑安全可靠、经济适用。本文论述了概念设计在高层建筑基础设计中的应用。
1、筏型基础的设计理论
筏型基础又可分为梁板式筏基和平板式筏基。计算筏板基础时，常用的方法有“倒楼盖”法、静定法（截面法）、弹性地基梁板方法和有限元分析方法。“倒楼盖”法和静定法都是一种简化计算方法。“倒楼盖”法适合用在土质均匀、筏板刚度大的地方，而用“倒楼盖”法作为地基建设的建筑上部结构要具有较大的刚度，柱轴力及柱距相差不大，荷载分布均匀。静定法在计算参数要求上与“倒楼盖”差不多，不过静定法建成的地基基础上部的建筑结构刚度较小，柱轴力及柱距相差较大。而上述两种方法都具有一个缺点，就是无法保证基础的整体作用，不能进行挠曲变形计算。此外，利用“倒楼盖”法进行地基基础计算容易出现高估上部结构刚度的问题，而静定法在计算中完全没有考虑上部建筑的刚度。这就导致使用这些方法进行计算时，一定要符合相应的基础要求，否则就要按弹性地基梁板计算。近年来，随着计算软件的进步，上部结构、基础和地基共同作用分析法在筏板基础内力计算中得到广泛运用，该分析法基础按弹性地基上板考虑，地基模型一般采用文克尔地基、弹性半空间地基和压缩层地基等地基模型，常用数值分析方法为有限元法、有限差分法等，其中有限元法较为常用。
2、桩筏复合基础的设计理论
2.1假定整个建筑物的重量都会经由桩传输到地基，由地基承担，而承台板只起连接桩顶和传递上部荷载的构造作用。要保证建筑的稳定，就需要让群桩中各个桩体均匀受力，桩群的中心和上部建筑的下压荷载中心重合。如果桩群范围较大、桩体数量多，应该使用“外密内疏”的方式，即控制群桩的桩体分布情况，适当加大外围的桩体密度，而减少中心部分的桩体密度。这种方法主要以桩受力为主，这种情况下，没有考虑承台板基础的支承力，将会增加桩的数量，造成浪费。
2.2桩土同样具有承载能力。其天然存在的承载力，可以在经过沉降处理后，和地基中的桩和筏板共同承担起上部建筑带来的荷载，进而减少桩的数量和筏板厚度。控制建筑物沉降主要控制的沉降量和沉降差。减沉设计是控制沉降而设置桩基的方法。就是在设计时，根据地基基础所有的沉降控制值，来决定要使用多少桩和桩的规格。一般来说，减沉设计在软土地基上使用的较多，且更适用于多层或小高层的建筑。在地基基础中，桩除了要承担上部荷载外，还会对沉降起到一定的控制作用。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
2.3减沉设计的内容
2.3.1桩长及桩身断面选择。桩的长度要根据土层厚度决定，桩的下端安置在持力层的土层中。如果承台出现沉降，依靠桩体仍然能继续提供承载力。桩身断面的选择：应使桩身结构强度确定的单桩容许承载力与地基土对桩的极限承载力二者匹配，以充分发挥桩身材料的承载能力。
2.3.2承台埋深及其地面尺寸的初步确定。首先，根据外部带来的荷载压力，根据承台承载的安全储备原则，初步确定要埋设承台的深度和地面尺寸，再计算减沉设计中使用了多少桩，结合承台尺寸，不断调整得到最终结果。
2.3.3不同用桩数量时桩基沉降计算。根据初定的承台埋深及其底面尺寸，原定若干种不同的用桩数量方案，分别计算相应的沉降量，从而得到沉降s与桩数n的关系曲线图，减少沉降桩基础的桩距一般应大于6d，桩的分布与建筑物竖向荷载相对应。
3、变刚度调平设计
3.1变刚度调平设计的内容。对无限大地基上的局部区域，地区需承载的荷载越大，沉降越大，相对的刚度就越小。事实上，在地基的局部区域会出现较大的沉降，就是因为外界承载压力较大，但地基刚度较小。此时为了减小沉降，可以适当减少外部的荷载，或将该地区的刚度提升。
一般来说高层建筑桩筏基础的荷载是由上部建筑决定的，而上部建筑根据功能的要求，在决定后很难做出调整，所以只能用调整地基基础刚度的方式。桩筏基础改变了板厚、适当设置肋梁、减少墙距后，刚度就会发生改变。但这些操作往往要消耗大量成本，所以更多时候，采用的是筏底布桩和桩基土的方式来减少沉降。利用调整地基桩土的方法来调平不仅经济性强，且效果非常好，在调平设计中由广泛的应用。变刚度调平设计总体思路：以调整桩土支承刚度分布为主线，根据荷载、地质特征和上部结构布局，考虑相互作用效应，采取增强与弱化结合，减沉与増沉结合，刚柔并济，局部平衡，整体协调，实现差异沉降、承台（基础）内力和资源消耗最小化。
3.2变刚度调平设计的步骤
3.2.1根据设计资料，按上部结构的性质、荷载分布情况、地质条件、基础埋置深度等进行初始布桩并确定板厚。
3.2.2分析上部建筑、桩筏基础和地基，从整体的角度出发解析共同效应，绘制基础沉降图形。
3.2.3进行共同工作迭代计算，直至沉降差减到最小。在这个过程中，根据沉降发生的具体情况，可以判断出是否要在主裙楼间设置浇带或沉降缝，是否需要调整地基基础中的板厚和构造。这也说明了，调平设计最关键处的操作就是处理好桩筏基础中的沉降分布和沉降差情况。
3.3变刚度调平设计的优点。减小核心筒冲切力，降低承台整体弯矩；优化承台设计，降低造价；减小地基差异变形，降低上部结构刚度次应力，提高耐久性；合理发挥桩、土、承台共同作用。
4、上部结构、地下室、地基基础的相互作用
无论在承担水平还是竖向的荷载，上部结构、地下室、地基基础中都会存在整体结合呈现的共同作用，三者共同协调。目前阶段如何规划好这三方的共同作用，目前还没有完整的理论，在设计中大多数还是分别进行设计的，而这样的设计时很难实现整体效果的要求。现在结构设计人员所用的一体化计算机结构设计程序仍是沿袭着不具体充分考虑相互作用的常规计算方法，得到的最终设计结果和工程实际建设得到的结果往往存在或大或小的差异。从以往的工程案例中可以看出，高层建筑基础底板在建成后，最终需要承载的实际弯曲内力远远比设计值小，还有很大余力。同时，设计中应充分挖掘地下室的潜在功能，利用它的有利作用。
5、结语
高层建筑地基基础概念设计比起具体的数值如何计算，更急注重理论化的研究和理念落实。优秀的概念设计或许无法帮助建筑设计通过某一个难以实现的难关，但却可以保证建筑最终能够满足业主的需求。目前概念设计中还有许多缺陷，在理论研究中还有一些漏洞，需要不断完善。
参考文献：
[1]国家标准.建筑地基基础设计规范[S].GB50007-2011.北京：中国建筑 工业出版社，2014.
[2]国家标准.建筑桩基技术规范[S].JGJ94-2008.北京：中国建筑工业出版社，2014.
论文作者:楼忠良
论文发表刊物:《基层建设》2016年8期
论文发表时间:2016/7/5
标签：地基论文; 刚度论文; 荷载论文; 基础论文; 建筑论文; 结构论文; 楼盖论文; 《基层建设》2016年8期论文;