这样设计造价省一半！超高层基础优化案例解析

引言

基础设计是工程项目设计的重要环节，目前我国高层建筑发展迅猛，高度达到150m的建筑已超过2000栋。

超高层建筑高度高、荷载大，基础造价高，施工工期长、施工难度大。准确的地基参数选取，合理的基础形式选择不仅能保证结构具有足够的安全储备，对整个工程的进度、造价也有着非常大的影响。

本文以我司结构优化工程案例为背景，对优化前后基础方案及设计参数从工程造价的角度进行解析。

工程案例基本情况

工程概况：

某超高层写字楼，3层地下室（局部4层），4层商业裙房，塔楼为A、B两栋5A级办公写字楼（A塔、B塔）。A、B塔结构布置及基础形式相近，故本报告以B塔为例对原设计与优化后基础方案进行分析。

项目基本信息如下所示：

项目总用地面积：39713㎡；

总建筑面积：295675㎡；

地上建筑面积：221485㎡；

建筑基底总面积：11392㎡；

正负零绝对标高：38.00 m;

建筑层数：A塔47层；B塔50层；裙房4层；地下室3层（局部4层）；

建筑高度：塔楼A 228.0m；塔楼B 233.6m；裙房22.4m；

地下室底板标高-13.300m，局部-19.300m，

项目效果图如下图所示：

图-1 项目建筑效果图

图-2 B塔标准层结构布置

结构设计基本信息：

本工程为乙类建筑，主体结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级。

项目基本风压0.35kN/㎡，基本雪压0.45kN/㎡，设计地震分组为一组，场地土类别为II类，场地特征周期为0.35s，设计基本地震加速度值为0.05g，地面粗糙类别为B类，水平地震影响系数最大值

=0.05。

B塔高度233.6m，结构体系为框-架核心筒结构，抗震设防基本烈度为6度，结构计算采用的抗震设防烈度为7度，抗震构造措施采用的抗震设防烈度为7度，非底部加强部位框架、剪力墙抗震等级为一级，底部加强部位框架、剪力墙抗震等级为特一级。

场地概况：

场地土层分布：

人工填土（Qml）①

第四系湖积（Ql）粉质粘土②

第四系冲积（Qal）粉质粘土③

第四系冲积（Qal）圆砾④

第四系残积（Qel）粉质粘土⑤

白垩系（K）砾岩、强风化砾岩⑥

中风化砾岩⑦

强风化泥质粉砂岩⑥-1埋藏较浅

中风化泥质粉砂岩⑦-1

拟建场地内未发现岩溶、地面塌陷、古河道等不良地质作用场地稳定，适宜兴建拟建建筑。

场地内各地层作为天然地基时有关工程特性指标见下表：

图-3 天然地基工程特性指标

注：1）采用天然地基时，建议进行原位载荷试验对上表参数据进行校核。

2）表中带“*”者为变形模量，表中带“#”者为弹性模量。

原设计基础方案：

本项目采用天然地基筏板基础，持力层为中风化砾岩7或中风化泥质粉砂7-1，承载力特征值fak＝2000kPa，典型地勘剖面如下：

图-4 地勘剖面示意

因地勘未提供基床系数相关参数，设计师保守考虑取100000kPa/m。

原设计采用等厚度筏板方案，筏板厚度根据冲切计算并适当加强取3.5m，配筋f28@200（顶层、底层各两排，双向），局部配置附加筋，冲切验算结果及过程版施工图如下：

图-5 原设计筏板冲切验算结果

图-6 原设计基础施工图

考虑钢筋、混凝土、土方、等综合造价，原设计方案基础工程量统计如下：

偏差分析

地基设计参数不准确：

地勘未提供决定地基反力分布情况的基床系数参数，设计人对于此参数取值100000kPa/m过于保守。根据我司工程经验，中风化岩层基床系数一般在300000kPa/m~1000000kPa/m，此参数对筏板厚度及配筋影响很大，取值保守会造成非常大的成本浪费。

基础方案不合理：

设计人对结构方案的经济性缺乏经验。根据个人习惯确定基础方案造成成本浪费。本项目为框架核心筒，框筒结构基底反力主要集中在核心筒以及外圈框架柱附近，核心筒与框架柱、框架柱与框架柱之间的板跨中部地基反力较小，采用等厚度平板筏基非常不经济。

在竖向构件跨度较大、荷载分布不均匀的情况下，强行采用整体平板，筏板厚度由最不利位置的计算厚度决定，造成整个基础的钢筋、混凝土用量大大增加。

施工图配筋不精细：

根据规范，筏板基础最小配筋率为0.15%，原方案3.5m厚筏板通长筋配筋率0.176%，仍无法避免配置附加筋。在满足规范及计算的情况下，提高通长筋配筋率对基础受力部位的安全储备没有任何提高，但增加了计算不需要部位的配筋，造成钢筋强度利用不充分，材料浪费，成本增加。

方案优化

优化建议：

根据我司工程经验，中风化岩层天然地基承载力2000kPa偏低，基床系数100000kPa/m偏小，向甲方提出以下建议：

1）补充压板试验，提供基床系数等更详细、准确的地质参数；

2）筏板通长筋配筋率偏大，根据计算仅局部范围计算配筋超过0.15%配筋率，筏板通长筋配筋率可按0.15%，不足处局部附加。

3）建议采用筏板局部加厚的基础形式，使筏板截面与内力分布情况一致，减小受力较小部位的截面及配筋，充分利用钢筋、混凝土材料强度。

根据以上意见，甲方补充了压板试验，试验结果如下：

图-7 载荷试验报告内容

根据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）、《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）和《高层建筑岩土工程勘察规范》（JGJ72-2004）中有关规定及本次三处岩基载荷试验的结果，该场地A#塔楼基坑中风化泥质粉砂岩⑧的天然地基承载力特征值为2500kPa，基床系数建议取660000KN/m³。

优化方案：

根据补充的载荷试验报告，持力层承载力特征值由2000kPa提高至2500kPa，基床系数取值由原设计方案100000kPa/m提高至660000kPa/m。

优化后方案核心筒范围筏板厚度由3.5m调整为2.5m，核心筒及外框柱墩以外的筏板厚度由3.5m调整为1m。筏板冲切验算结果如下：