这样设计造价省一半!超高层基础优化案例解析

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。
 
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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。
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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:
 
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图-1 项目建筑效果图
这样设计造价省一半!超高层基础优化案例解析图-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这样设计造价省一半!超高层基础优化案例解析=0.05。
 
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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。
 
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场地内各地层作为天然地基时有关工程特性指标见下表:
 
这样设计造价省一半!超高层基础优化案例解析图-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:
 
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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:
 
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图-5 原设计筏板冲切验算结果
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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:
 
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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。
 
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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。
 
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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:
 
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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:
 
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图-8 优化后筏板冲切验算结果
筏板通长筋严格按0.15%配筋率,配筋20@200(板顶、板底单层,双向),柱墩底部附加钢筋满足计算及构造要求,核心筒筏板顶部20@200、底部32@210,局部不足处附加,优化后筏板配筋计算值示意(仅示意Y向部计算值)如下图所示:
 
这样设计造价省一半!超高层基础优化案例解析图-9 优化后筏板Y向顶部计算配筋示意
优化后基础施工图如下图所示:
 
这样设计造价省一半!超高层基础优化案例解析10 优化后基础施工图
优化方案工程造价明细表如下:
 
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优化结果:
优化方案较原设计方案节约钢筋317吨、混凝土4517m³,节省总造价:1315.04-830.98=484.06万元,节省造价达到58%。
优化前后相关数据对比如下:
 
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图-11 优化前、后经济性数据对比
优化结果分析:
优化前、后方案板厚均按冲切计算控制,施工图均较计算结果保留适当的富裕度,但造价相差60%。经我司分析,原因如下:
1)设计过于依赖地勘数据,对地勘偏保守(如地基承载力)、未明确(如基床系数)的重要参数判断缺乏经验。地基承载力、基床系数直接影响基础截面及内力,若计算与实际受力相差过大,结构设计便失去了意义。
2)确定基础方案完全根据个人习惯,不分析项目实际特点。基础方案的核心是选择更符合结构实际受力的基础形式,内力较大的部位截面、配筋大,内力小的部位截面、配筋小才最合理的。根据受力合理细化截面,可使结构材料强度发挥更加充分,从而降低不必要成本浪费。
3)不区分规范适用条件,没有根据实际情况分析就生搬硬套。根据规范筏板基础通长筋可按0.15%配筋率,在板厚3.5m情况下仍对通长筋进行加强不合理。将受力较小的部位截面及配筋加大并不能增加结构的安全储备,但会大大增加了结构成本投入,造成成本浪费。
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结论

这样设计造价省一半!超高层基础优化案例解析
经上述分析可知,地基承载力、基床系数等设计参数及基础方案的合理选择对基础造价的影响非常大。在基础设计参数、结构方案多重保守的情况下进行设计,基础造价可能增加一倍甚至更多,正如本文所述案例。
基础设计不仅关乎安全,也关乎成本。一味选择保守的设计参数、保守的基础方案,只会大大增加开发商不必要的成本投入,而这部分增加的材料投入并不能充分发挥其强度,造成成本浪费。在保证结构安全的前提下,尽可能选择符合实际的设计参数和基础方案,这才是保证基础设计安全及成本的精髓所在。
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