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【摘要】：文中主要分三个部分，分别论述了关于高层建筑基础设计过程中的三个问题。第一部分陈述了高层建筑基础选型的主要依据，并在此基础上简要归纳了高层建筑基础选型的原则；第二部分对目前采用的常规设计方法及共同作用分析方法进行了简要评述；第三部分就基础计算给出了简单的分析。
【关键词】：基础设计；基础选型；基础计算
中图分类号：TU972文献标识码：A 文章编号：
前言
随着社会的发展，高层建筑越来越多，由于建筑层数的增加，水平荷载(风荷载和地震作用)产生的内力和位移迅速增大。建筑需要一定的基础埋深，才能保证地基的稳定性，防止结构的整体倾覆和滑移，有利于减少建筑的整体倾斜，因此《高规》规定了基础的最小埋置深度要求。通常20层以内高层建筑至少设l层地下室；21～30层设l～2层地下室；30层以上设2～3层地下室。高层建筑的设备用房较多，将这些设备用房、消防水池和汽车库等设在地下室，既能发挥地下室的作用，又能满足基础的埋深要求。还可将地下停车库作为人防地下室，以满足战时的需求，所以地下室结构设计是高层建筑结构设计的一个重要组成部分。高层建筑基础费用在整个工程项目总造价中占有很大的比例，合理设计基础承台板，做到既安全可靠又经济合理，能有效降低工程造价，具有可观的经济效益。高层建筑与一般建筑一样，往往可以采用多种基础方案，箱形基础、筏形基础、以及桩箱、桩筏基础是高层建筑的几种常用形式。在我国，有关的国家规范、各地方的标准均未对高层建筑桩——筏和桩——箱基础承台板的计算方法进行详细规定，一般仅笼统地提示采用考虑地基一基础一上部结构共同作用的电算法或倒楼盖法等简化算法。显然，倒楼盖法等简化算法一般仅考虑局部弯矩，应用时有很大的局限性；而考虑地基一基础一上部结构共同作用的电算法虽然可行，但计算工作量十分大，且因各计算分析软件对上部结构刚度、节点约束等处理的不同，经常导致不同软件计算结果差异很大。因此，高层建筑承台板的计算是一个十分重要但至今仍未很好解决的问题。
1高层建筑基础选型的主要依据
在基础工程设计中，根据各地区不同的地质条件，选择合理的基础形式，是个关键问题。一般情况下应考虑以下条件：高层建筑基础首先应满足基础本身的强度要求，上部荷载分布应尽量均匀；基础应支承在较坚固或较均匀的地基上，应考虑持力层及其下卧层的整体稳定性，同一栋建筑不宜采用多种不同类型的基础形式；应满足建筑物使用上的要求，例如人防要求、设置地下车库、地下酒吧、地下商场、地下餐厅等要求；应满足构造的要求，如高层建筑箱基的埋深、高度，基底平面形心与结构竖向静荷载重心相重合，对偏心距的要求、沉降控制等；根据上部结构的不同结构形式选配合理的基础形式；高层建筑基础，一般埋置较深，因此，应考虑深基坑开挖和地下水抽排对周围建筑物的影响，以及地下水造成施工难度的增加和对工程质量的影响。
2基础选型
地基和基础是建筑物的根本，属于地下隐蔽T程。它的勘察、设计与施工质量直接关系着建筑物的安危，尤其是高层建筑，地基基础设计是整个结构设计的重要内容。基础结构的形式很多，选择哪一种应根据建筑物的性质、部结构特点及其荷载大小、工程、水文、施工条件及场地环境等因素综合考虑。在保证安全的前提下，尽量选择施工周期较短且经济的方案。由于地基—基础—上部结构是一个相互作用的整体，基础没计甜一定要考虑三者的关系。一般上部结构的刚度和整体性较差、地基软弱、不均匀时．基础刚度应适当加强；而上部结构刚度和整体性较好，地基较均匀、不特别软时，基础的刚度要求可适当放宽。另外，上部结构荷载大小也与基础选型有关，例如高层建筑层数高、荷载大，要求整体性好、刚度强、承载力大和沉降小的基础形式。目前国内高层建筑常用的基础形式有筏板基础、箱形基础和桩基础。对无地下室、地基较差、荷载较大又不宜采用桩基或其他人工地基时，可采用筏基；对有地下室、结构不均匀、沉降要求较严、防水要求较高时，可采用箱基；针对广东省相关部门的调查．低于15层的高层建筑常用筏基，超过15层主要用箱基和桩基。此外，地下水位高低也是影响基础方案的一个因索，当地下水位过高时常用桩基。不允许有过大沉降和不均匀沉降的高层建筑；重工业厂房和荷载过大的建筑；烟囱等高耸结构物；软弱地基或某些特殊土上的永久性建筑；在七部地基软弱，下部不深处有坚实地层的场地上的建筑等情况均可考虑选用桩基。
3对高层建筑基础设计方法的简要评述
目前，最理想的分析方法是上部结构与地基、基础共同作用的分析方法，这种方法中地基、基础、上部结构之间同时满足接触点的静力平衡以及接触点的变形协调两个条件，即将上部结构、基础和地基三者看成是一个彼此协调的整体。这种从整体上进行相互作用的分析方法难度较大，计算量庞大，对计算机的性能及存储量要求较高，只在较复杂或大型基础设计时，按目前可行的方法考虑地基基础上部的相互作用。然而，这种考虑上部结构与地基基础共同作用的分析方法也不是完美无缺的。它同样需要采用种种假定，也不能避免各种地基模型的固有误差；并且上部结构的刚度形成存在滞后，因为上部结构的刚度在建造过程中是逐层形也会对分析结果的准确性产生影响。共同作用分析方法的进步之处仅在于它考虑了上部结构的刚度而已。目前，对于一般基础的设计，采用的仍然基于经典結构力学和弹性力学的常规设计方法。这种方法简便快捷，对于单层排架结构一类的上部柔性结构以及地基较好的独立基础，能够得到较满意的结果；对于高层剪力墙结构下箱形基础置于一般土质天然地基这种情况，简化计算结果也能满足要求。但是，对于钢筋混凝土框架这类对地基沉降较敏感的结构，计算结果与实际不同；对于软弱地基上的条形基础，按这种方法计算与实际差别也较大。
4地基基础的计算
高层基础采用桩筏或筏板基础时，基础计算可采用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部开发的JCCAD程序。程序对筏板基础按中厚板有限元计算各荷载工况下的内力、桩土反力、位移及沉降，根据内力包络求算筏板配筋。就计算过程中的问题，谈一点自己的看法。
1)上部结构影响的选则时，考虑上下结构共同作用计算比较准确反映实际受力情况，可以减少内力节省钢筋。因平铺在地基上的大面积筏板基础在其平面外的刚度是很弱的。在上部结构不均匀荷载作用下容易产生较大的变形差，导致筏板内力和配筋的增加。考虑基础与上部结构工作的原理是把上部结构的刚度叠加到基础筏板上，使其基础平面外刚度大大增加，从而大大增加抵抗上部结构传来的不均匀荷载的能力，减少变形差，减少内力与配筋，达到设计的经济合理性。
2)在计算模型的选择时，1模型(弹性地基梁
板模型)是工程设计常用模型，虽然简单，但受力明确，当考虑上部结构刚度时将比较符合实际情况。3模型(单向压缩分层总和法)的计算方法，参见地基规范GB50007—2002第5．3．5条一5．3．9条的规定，注意在地质资料输入时要根据地质勘察报告输入相应的土层参数，并要对地基计算深度按照地基规范第5．3．6条一5．3．7条进行复核。此模型计算结果会发现一些问题，如筏板边角处反力过大，个别部位筏板弯距过大并出现配筋过大或无法配筋等。大多数情况下选用以上两种模型进行计算，其余两种模型可以根据实际工程参考使用。
3)基础计算的关键是基础的沉降问题。沉降试算的目的是对给定的参数进行合理性校核，其主要指标是基础的沉降值，对于桩筏桩筏基础同时给出建筑桩基技术规范JGJ94—2008及上海地基基础规范DGJ08—11—1999的沉降计算值。对于筏基基础同时给出建筑地基基础设计规范及上海地基基础规范的沉降计算值。合理的沉降量是筏板内力及配筋计算的前提，在沉降量合理性的判断过程中，工程经验起着重要的作用，具体计算时应先根据上部结构的荷载及地质情况确定一个合理的沉降量，再通过调整平均沉降计算调整系数进行沉降计算。
结束语
高层建筑的地基基础是高层建筑结构最主要的组成部分，地基基础的设计也是一个复杂的过程，高层建筑上部荷载大，基础埋深较深，地下室与基础设计的合理与否，直接影响到高层建筑的正常使用与造价。所以，设计时既要满足功能要求、安全可靠、经济合理，又要满足地下室结构抗渗这一特殊要求，以保证正常使用。运用现代计算结构力学的方法和数学规划论，借助于现代计算机应用技术，可以对高层建筑地基基础方案进行优化选择，既根据规范要求的地基基础的安全性，依据优化的变量(多项设计依据)，对地基基础的类型和基础结构构件的截面尺寸进行优化。其目标函数一般是基础造价最低。按照目前的条件，主要靠人的参与、CAD技术、专家系统和人工智能等辅助，需进行多次反复的计算和调整，最终达到，筏板上部结构传来的荷载与桩土反力不仅整体平衡，甚至实现局部平衡，从而最大限度地减小筏板内力，合其厚度减薄变为柔性薄板。地基基础方案的优选，其经济效益和社会效益都将是相当显著的。
参考文献
[1]华南工学院等四院枝舍蝙．地基基础．中国建筑工业出版社．1998．
[2]工业与民用建筑灌注桩基础设计与施工规程．1GJ4—8m2007
[3]建筑桩基础技术规范．JGJ94 94．
[4]砼高层建筑结构设计与施工规程．1G13—91．
【关键词】：基础设计；基础选型；基础计算
中图分类号：TU972文献标识码：A 文章编号：
前言
随着社会的发展，高层建筑越来越多，由于建筑层数的增加，水平荷载(风荷载和地震作用)产生的内力和位移迅速增大。建筑需要一定的基础埋深，才能保证地基的稳定性，防止结构的整体倾覆和滑移，有利于减少建筑的整体倾斜，因此《高规》规定了基础的最小埋置深度要求。通常20层以内高层建筑至少设l层地下室；21～30层设l～2层地下室；30层以上设2～3层地下室。高层建筑的设备用房较多，将这些设备用房、消防水池和汽车库等设在地下室，既能发挥地下室的作用，又能满足基础的埋深要求。还可将地下停车库作为人防地下室，以满足战时的需求，所以地下室结构设计是高层建筑结构设计的一个重要组成部分。高层建筑基础费用在整个工程项目总造价中占有很大的比例，合理设计基础承台板，做到既安全可靠又经济合理，能有效降低工程造价，具有可观的经济效益。高层建筑与一般建筑一样，往往可以采用多种基础方案，箱形基础、筏形基础、以及桩箱、桩筏基础是高层建筑的几种常用形式。在我国，有关的国家规范、各地方的标准均未对高层建筑桩——筏和桩——箱基础承台板的计算方法进行详细规定，一般仅笼统地提示采用考虑地基一基础一上部结构共同作用的电算法或倒楼盖法等简化算法。显然，倒楼盖法等简化算法一般仅考虑局部弯矩，应用时有很大的局限性；而考虑地基一基础一上部结构共同作用的电算法虽然可行，但计算工作量十分大，且因各计算分析软件对上部结构刚度、节点约束等处理的不同，经常导致不同软件计算结果差异很大。因此，高层建筑承台板的计算是一个十分重要但至今仍未很好解决的问题。
1高层建筑基础选型的主要依据
在基础工程设计中，根据各地区不同的地质条件，选择合理的基础形式，是个关键问题。一般情况下应考虑以下条件：高层建筑基础首先应满足基础本身的强度要求，上部荷载分布应尽量均匀；基础应支承在较坚固或较均匀的地基上，应考虑持力层及其下卧层的整体稳定性，同一栋建筑不宜采用多种不同类型的基础形式；应满足建筑物使用上的要求，例如人防要求、设置地下车库、地下酒吧、地下商场、地下餐厅等要求；应满足构造的要求，如高层建筑箱基的埋深、高度，基底平面形心与结构竖向静荷载重心相重合，对偏心距的要求、沉降控制等；根据上部结构的不同结构形式选配合理的基础形式；高层建筑基础，一般埋置较深，因此，应考虑深基坑开挖和地下水抽排对周围建筑物的影响，以及地下水造成施工难度的增加和对工程质量的影响。
2基础选型
地基和基础是建筑物的根本，属于地下隐蔽T程。它的勘察、设计与施工质量直接关系着建筑物的安危，尤其是高层建筑，地基基础设计是整个结构设计的重要内容。基础结构的形式很多，选择哪一种应根据建筑物的性质、部结构特点及其荷载大小、工程、水文、施工条件及场地环境等因素综合考虑。在保证安全的前提下，尽量选择施工周期较短且经济的方案。由于地基—基础—上部结构是一个相互作用的整体，基础没计甜一定要考虑三者的关系。一般上部结构的刚度和整体性较差、地基软弱、不均匀时．基础刚度应适当加强；而上部结构刚度和整体性较好，地基较均匀、不特别软时，基础的刚度要求可适当放宽。另外，上部结构荷载大小也与基础选型有关，例如高层建筑层数高、荷载大，要求整体性好、刚度强、承载力大和沉降小的基础形式。目前国内高层建筑常用的基础形式有筏板基础、箱形基础和桩基础。对无地下室、地基较差、荷载较大又不宜采用桩基或其他人工地基时，可采用筏基；对有地下室、结构不均匀、沉降要求较严、防水要求较高时，可采用箱基；针对广东省相关部门的调查．低于15层的高层建筑常用筏基，超过15层主要用箱基和桩基。此外，地下水位高低也是影响基础方案的一个因索，当地下水位过高时常用桩基。不允许有过大沉降和不均匀沉降的高层建筑；重工业厂房和荷载过大的建筑；烟囱等高耸结构物；软弱地基或某些特殊土上的永久性建筑；在七部地基软弱，下部不深处有坚实地层的场地上的建筑等情况均可考虑选用桩基。
3对高层建筑基础设计方法的简要评述
目前，最理想的分析方法是上部结构与地基、基础共同作用的分析方法，这种方法中地基、基础、上部结构之间同时满足接触点的静力平衡以及接触点的变形协调两个条件，即将上部结构、基础和地基三者看成是一个彼此协调的整体。这种从整体上进行相互作用的分析方法难度较大，计算量庞大，对计算机的性能及存储量要求较高，只在较复杂或大型基础设计时，按目前可行的方法考虑地基基础上部的相互作用。然而，这种考虑上部结构与地基基础共同作用的分析方法也不是完美无缺的。它同样需要采用种种假定，也不能避免各种地基模型的固有误差；并且上部结构的刚度形成存在滞后，因为上部结构的刚度在建造过程中是逐层形也会对分析结果的准确性产生影响。共同作用分析方法的进步之处仅在于它考虑了上部结构的刚度而已。目前，对于一般基础的设计，采用的仍然基于经典結构力学和弹性力学的常规设计方法。这种方法简便快捷，对于单层排架结构一类的上部柔性结构以及地基较好的独立基础，能够得到较满意的结果；对于高层剪力墙结构下箱形基础置于一般土质天然地基这种情况，简化计算结果也能满足要求。但是，对于钢筋混凝土框架这类对地基沉降较敏感的结构，计算结果与实际不同；对于软弱地基上的条形基础，按这种方法计算与实际差别也较大。
4地基基础的计算
高层基础采用桩筏或筏板基础时，基础计算可采用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部开发的JCCAD程序。程序对筏板基础按中厚板有限元计算各荷载工况下的内力、桩土反力、位移及沉降，根据内力包络求算筏板配筋。就计算过程中的问题，谈一点自己的看法。
1)上部结构影响的选则时，考虑上下结构共同作用计算比较准确反映实际受力情况，可以减少内力节省钢筋。因平铺在地基上的大面积筏板基础在其平面外的刚度是很弱的。在上部结构不均匀荷载作用下容易产生较大的变形差，导致筏板内力和配筋的增加。考虑基础与上部结构工作的原理是把上部结构的刚度叠加到基础筏板上，使其基础平面外刚度大大增加，从而大大增加抵抗上部结构传来的不均匀荷载的能力，减少变形差，减少内力与配筋，达到设计的经济合理性。
2)在计算模型的选择时，1模型(弹性地基梁
板模型)是工程设计常用模型，虽然简单，但受力明确，当考虑上部结构刚度时将比较符合实际情况。3模型(单向压缩分层总和法)的计算方法，参见地基规范GB50007—2002第5．3．5条一5．3．9条的规定，注意在地质资料输入时要根据地质勘察报告输入相应的土层参数，并要对地基计算深度按照地基规范第5．3．6条一5．3．7条进行复核。此模型计算结果会发现一些问题，如筏板边角处反力过大，个别部位筏板弯距过大并出现配筋过大或无法配筋等。大多数情况下选用以上两种模型进行计算，其余两种模型可以根据实际工程参考使用。
3)基础计算的关键是基础的沉降问题。沉降试算的目的是对给定的参数进行合理性校核，其主要指标是基础的沉降值，对于桩筏桩筏基础同时给出建筑桩基技术规范JGJ94—2008及上海地基基础规范DGJ08—11—1999的沉降计算值。对于筏基基础同时给出建筑地基基础设计规范及上海地基基础规范的沉降计算值。合理的沉降量是筏板内力及配筋计算的前提，在沉降量合理性的判断过程中，工程经验起着重要的作用，具体计算时应先根据上部结构的荷载及地质情况确定一个合理的沉降量，再通过调整平均沉降计算调整系数进行沉降计算。
结束语
高层建筑的地基基础是高层建筑结构最主要的组成部分，地基基础的设计也是一个复杂的过程，高层建筑上部荷载大，基础埋深较深，地下室与基础设计的合理与否，直接影响到高层建筑的正常使用与造价。所以，设计时既要满足功能要求、安全可靠、经济合理，又要满足地下室结构抗渗这一特殊要求，以保证正常使用。运用现代计算结构力学的方法和数学规划论，借助于现代计算机应用技术，可以对高层建筑地基基础方案进行优化选择，既根据规范要求的地基基础的安全性，依据优化的变量(多项设计依据)，对地基基础的类型和基础结构构件的截面尺寸进行优化。其目标函数一般是基础造价最低。按照目前的条件，主要靠人的参与、CAD技术、专家系统和人工智能等辅助，需进行多次反复的计算和调整，最终达到，筏板上部结构传来的荷载与桩土反力不仅整体平衡，甚至实现局部平衡，从而最大限度地减小筏板内力，合其厚度减薄变为柔性薄板。地基基础方案的优选，其经济效益和社会效益都将是相当显著的。
参考文献
[1]华南工学院等四院枝舍蝙．地基基础．中国建筑工业出版社．1998．
[2]工业与民用建筑灌注桩基础设计与施工规程．1GJ4—8m2007
[3]建筑桩基础技术规范．JGJ94 94．
[4]砼高层建筑结构设计与施工规程．1G13—91．