从工程造价角度对优化前后基础方案及设计参数的解析
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。
本文以某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。
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：39713m2；
总建筑面积：295675m2；
地上建筑面积：221485m2；
建筑基底总面积：11392米；
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2.1-1项目建筑效果图
图2.1-2 B塔标准层结构布置
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/m2，基本雪压0.45kN/m2，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2.3-1 天然地基工程特性指标
注：⑴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。
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2.4-1 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2.4-2 原设计筏板冲切验算结果
图2.4-3 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：
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。
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。
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。
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4.1-1 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。
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：
图4.2-1 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：
图4.2-2 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：
图4.2-3 优化后基础施工图
优化方案工程造价明细表如下：
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：
图4.3-1 优化前、后经济性数据对比
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015%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。
