【摘要】高層建筑設計中地基處理設計的協(xié)同優(yōu)化是建筑設計領域重要內容。通過探討如何實現(xiàn)高層建筑設計中地基處理設計的協(xié)同優(yōu)化，以降低成本、提高結構安全性并減少對環(huán)境的不良影響。文中揭示了協(xié)同優(yōu)化原則的關鍵重要性，包括地基勘察的詳細性、結構的強化和可持續(xù)性原則的應用。分析實際應用案例，展示協(xié)同優(yōu)化方法在高層建筑項目中的成功應用。結果表明，協(xié)同優(yōu)化可以顯著提高建筑的使用性能，降低成本，并減少對環(huán)境的不良影響。這些原則和方法為未來的建筑設計提供重要指導，滿足不斷增長的城市化需求。

【關鍵詞】高層建筑設計；地基處理；地基勘察

【中圖分類號】TU472.31" " " "【文獻標志碼】A" " " "【文章編號】1673-6028（2024）04-0050-03

0" 引言

隨著城市化進程的不斷加速，高層建筑不斷增加。然而高層建筑的設計和施工過程常常面臨一系列挑戰(zhàn)，包括土地有限、地質條件復雜、環(huán)境保護等。因此，高層建筑設計中地基處理設計的協(xié)同優(yōu)化變得至關重要。通過優(yōu)化建筑設計中地基處理設計的過程，可以實現(xiàn)更高的建筑效率，減少成本，提高結構安全性，降低對環(huán)境的負面影響。

1" 高層建筑設計中地基處理設計的協(xié)同優(yōu)化原則

1.1" 綜合考慮地基條件

在高層建筑設計的初期，綜合考慮地基條件是至關重要的環(huán)節(jié)。地基條件直接影響到建筑的安全性和穩(wěn)定性，因此必須詳細了解地下環(huán)境的特點。這包括土壤類型、地下水位、地震風險以及其他地質和氣象因素。不同地區(qū)的地基條件差異巨大，因此在設計過程中必須充分考慮這些因素，以確保建筑在各種環(huán)境條件下都能夠安全運行[1]。

土壤類型是地基條件中的一個關鍵因素。不同類型的土壤具有不同的承載能力和沉陷特性。設計師必須了解土壤的工程特性，以選擇適當?shù)幕A類型，如樁基、板基或基礎懸掛式結構等新式基礎結構。在某些情況下，可能需要進行土壤改良或加固工程，以提高土壤的承載能力。綜合考慮土壤類型有助于減少建筑結構的風險，確保其在土壤變化的影響下保持穩(wěn)定。

地下水位是另一個需要綜合考慮的關鍵因素。高地下水位可能會導致基礎受水的影響，甚至影響建筑的穩(wěn)定性。因此在設計初期，必須確定地下水位的深度和變化情況，以采取適當?shù)姆浪胧４送獾卣痫L險是在某些地區(qū)必須考慮的因素。地震可能會對建筑結構造成巨大的挑戰(zhàn)，因此必須采取相應的抗震設計措施，如使用彈性材料和增強結構連接，以確保建筑在地震發(fā)生時仍然能夠安全運行。在綜合考慮地基條件時，這些因素的綜合分析對于確保高層建筑的安全性和可靠性至關重要。

1.2" 采用現(xiàn)代技術

在目前的建筑設計和地基處理設計中，現(xiàn)代技術發(fā)揮著至關重要的作用。采用現(xiàn)代建筑設計和地基處理技術，如計算機輔助設計（CAD）和數(shù)值模擬，有助于建筑師和工程師更全面、更精確地預測和分析建筑結構的性能。CAD工具允許設計師在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建和修改建筑設計，從而更好地滿足功能需求和審美要求。此外，數(shù)值模擬技術可以模擬不同條件下的建筑結構行為，包括承載能力、振動響應和抗震性能，從而提供更多的設計靈活性和安全性。

CAD軟件的應用使建筑設計變得更加直觀和精確。設計師可以通過CAD工具創(chuàng)建三維模型，輕松地進行設計修改和優(yōu)化[2]。這不僅提高了設計效率，還減少了設計錯誤的可能性。此外，數(shù)值模擬技術允許工程師通過數(shù)學建模和仿真來分析建筑結構的性能。他們可以模擬各種外部荷載，如風荷載、地震荷載，以評估建筑的響應。這種分析有助于確定最佳結構設計，提高建筑的抗震能力，并確保其滿足安全標準。

1.3" 可持續(xù)發(fā)展

在高層建筑設計和地基處理中，考慮可持續(xù)性原則對環(huán)境、經(jīng)濟和社會都具有重要意義。首先能源效率是一個關鍵方面。高層建筑通常需要大量能源來維持運營，包括供暖、制冷、照明和電力等。通過采用節(jié)能技術和高效能源系統(tǒng)，可以降低能源消耗，減少溫室氣體排放，從而有助于應對氣候變化。

另一個關鍵的可持續(xù)性原則是采用可再生能源和綠色建筑材料?？稍偕茉?，如太陽能和風能，不僅可以減少高層建筑的依賴傳統(tǒng)化石燃料，還可以在建筑運營中降低能源成本。此外綠色建筑材料，如可回收材料、低碳水泥和環(huán)保漆料，可以減少建筑過程中對自然資源的侵蝕，并降低有害物質的排放。這些材料有助于提高建筑的室內空氣質量，減少建筑對生態(tài)系統(tǒng)的負面影響，并增加建筑的壽命。

2" 高層建筑設計中地基處理設計的協(xié)同優(yōu)化方法

2.1" 地基勘察

地基條件對建筑的安全和穩(wěn)定至關重要，因此在設計之前進行詳盡的地基勘察。其目的是了解地下土壤和地質條件，包括土壤類型、地下水位、地下巖石、地震風險等。這些信息提供設計師所需的關鍵數(shù)據(jù)，幫助他們選擇合適的基礎類型，以適應不同地基條件。地基勘察還有助于識別潛在的地質風險，為后續(xù)的地基處理工程提供基礎數(shù)據(jù)。

根據(jù)地基勘察結果，設計師可以明智地選擇適當?shù)幕A類型來支撐高層建筑。不同地基條件需要不同類型的基礎結構[3]。例如，在松軟的土壤上，可能需要采用樁基或懸掛基礎結構，以分散建筑荷載并提供足夠的承載能力。相比之下，在堅硬的巖石地質下，板基可能更為適用。正確選擇基礎類型不僅有助于確保建筑的穩(wěn)定性和安全性，還可以節(jié)約成本。根據(jù)地基勘察的數(shù)據(jù)和建筑設計的需要，可以完成更可靠、高效和經(jīng)濟的基礎設計，從而確保高層建筑在其使用壽命內保持安全和穩(wěn)定。

2.2" 結構優(yōu)化

在高層建筑的設計中結構的強度和穩(wěn)定性是至關重要的因素，直接關系到建筑的安全和耐久。為了確保建筑的結構在各種荷載條件下表現(xiàn)出色，采用結構優(yōu)化技術是必不可少的。有限元分析通過數(shù)學建模和數(shù)值模擬來分析結構的應力、應變、振動特性等。通過這種分析，設計師可以深入了解建筑的性能，并識別潛在的問題和薄弱環(huán)節(jié)，從而進行有針對性的改進。

結構優(yōu)化技術的應用不僅有助于確保建筑的安全性，還可以實現(xiàn)材料的有效利用和性能的提高。通過優(yōu)化結構設計，可以減少不必要的材料浪費，降低成本，并減輕對資源的壓力。同時，優(yōu)化的結構設計還可以提高建筑的性能，包括抗震性、抗風性和振動控制等方面。這有助于延長建筑的使用壽命，提高其價值，并提供更好的居住和工作環(huán)境。

3" 地基處理設計協(xié)同優(yōu)化

3.1" 工程簡介

某高層住宅建筑，共計24層，包括一層地下室，采用了剪力墻結構作為其主要結構形式。最初的設計方案采用了CFG（水泥灌注樁）復合地基系統(tǒng)，其中復合地基樁間的土層為粉質黏土。在原始設計中，復合地基的承載力特征值fak為180 kPa，復合地基樁的直徑為400 mm，而樁端承載力主要由粉細砂層提供，其承載力特征值為qpk=1 600 kPa。有效樁長約為16.5 m，而樁之間的間距為1.5 m。此外，建筑的基礎形式是筏板基礎。然而，在施工過程中，施工單位在CFG樁之間的地方設置了降水井，并且降水井封底工作未能充分完成。這導致降水井周圍的一些粉細砂被抽取，且在這一情況被發(fā)現(xiàn)時，建筑的上部結構已經(jīng)施工至地上3層。隨后，對降水井周圍的土體進行了勘探，結果顯示降水井周圍范圍內的粉細砂層受到不同程度的干擾，最深處距離地基底部大約12 m。

3.2" 高層建筑設計與地基處理的協(xié)同處理方案

3.2.1" 降水井對復合地基的影響

（1）降水井的設置。在原設計中，復合地基采用CFG（水泥灌注樁）作為地基處理方案。然而，在施工過程中，施工單位做出了決策，決定在CFG樁之間設置降水井，以降低地下水位。通過抽水降低地下水位，這樣可以減少涌水問題，提高工程進展速度。然而這一決策在后續(xù)的工程中產(chǎn)生了一系列問題[4]。

盡管降水井的設置可能對地下施工有一定好處，但其未妥善處理封底工程，導致降水井周圍粉細砂土層的被抽取。這一問題對復合地基的承載能力和穩(wěn)定性產(chǎn)生了負面影響。由于復合地基的承載能力主要依賴于CFG樁和樁間土的協(xié)同作用，因此擾動的發(fā)生可能導致復合地基在某些區(qū)域受到不均勻的負荷分布，從而影響了建筑結構的安全性和穩(wěn)定性。因此，解決降水井帶來的問題，尤其是封底工程的不足，成為建筑項目的緊急需求。

（2）土壤受擾動。在降水井周圍的區(qū)域，勘探報告顯示粉細砂土層遭受了不同程度的擾動，最深處距離地基底部達到12 m。這種土壤擾動可能是由于施工單位在設置降水井時引起的，包括挖掘和抽水操作。土壤擾動通常導致土壤結構的破壞和密實度的降低，從而影響土壤的工程性質。這種土壤擾動可能對復合地基的承載能力和穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。復合地基的承載能力主要依賴于CFG樁和樁間土的協(xié)同作用。由于樁間土受到擾動，它的工程性質可能會發(fā)生變化，包括承載力特征值的降低和土壤的密實度下降。這可能導致復合地基在受擾動區(qū)域的承載能力不如預期，從而對高層建筑的結構安全性產(chǎn)生潛在威脅。因此必須采取措施來解決土壤擾動問題，以確保復合地基的性能和穩(wěn)定性。

3.2.2" 協(xié)同處理方案

（1）修復降水井及周圍區(qū)域。修復降水井及其周圍區(qū)域有助于減少進一步的土壤擾動以及復合地基的不穩(wěn)定性。降水井周圍的土壤擾動已經(jīng)導致了復合地基的承載能力和穩(wěn)定性受到威脅，因此需要迅速采取行動以恢復這些地區(qū)的土壤穩(wěn)定。

為了修復降水井及周圍區(qū)域，必須完成封底工程，確保降水井四周的土壤不再流失。這可能涉及土壤加固、填土和地質材料的使用，以恢復土壤的穩(wěn)定性和承載能力。土壤加固措施可以包括地基灌漿、壓實和攪拌樁等工程方法，以加強土壤的承載能力，減少地下水位對土壤的不利影響。這些修復措施將有助于維護復合地基的性能，確保建筑的結構安全性和可持續(xù)性。同時，需要建立定期的監(jiān)測系統(tǒng)，以跟蹤修復效果，并在必要時進行調整，以確保土壤和地基的穩(wěn)定性。

（2）針對土壤擾動的處理。針對受擾動的土壤，應進行詳細的地質勘探和工程地質分析，以了解擾動的具體影響。根據(jù)擾動程度，可能需要采用地基加固措施，如灌漿、壓實或攪拌樁，以提高土壤的承載能力。這些措施可以在復合地基的樁間土中實施，以彌補受擾動區(qū)域的不足。

（3）監(jiān)測和調整。在協(xié)同處理方案實施后，建立定期的監(jiān)測系統(tǒng)是確保建筑安全和復合地基性能穩(wěn)定的重要步驟。監(jiān)測系統(tǒng)應包括地下水位、土壤變位、復合地基的承載能力、建筑結構的振動和變形等多方面的參數(shù)。這些參數(shù)的監(jiān)測將提供關于土壤和地基行為的關鍵信息，有助于及早識別潛在問題。監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析將為決策提供有力的支持，如果監(jiān)測結果表明存在問題或不穩(wěn)定的趨勢，必要時應迅速采取進一步的調整和加固措施。這些措施可能包括進一步的地基加固、土壤穩(wěn)定處理，或者甚至需要改變建筑結構的荷載分布。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行調整和加固工作將確保建筑的結構安全和性能穩(wěn)定，從而滿足高層建筑的可持續(xù)使用要求。因此，監(jiān)測系統(tǒng)的建立和數(shù)據(jù)分析對于協(xié)同處理方案的成功實施至關重要。

4" 結語

高層建筑設計與地基處理設計的協(xié)同優(yōu)化是建筑工程中的關鍵環(huán)節(jié)，可以實現(xiàn)更高的效率、更低的成本和更可持續(xù)的城市發(fā)展。通過綜合考慮地基條件、采用現(xiàn)代技術和遵循可持續(xù)發(fā)展原則，未來，可以進一步研究和發(fā)展更多的協(xié)同優(yōu)化方法，以滿足不斷增長的高層建筑需求，同時降低對環(huán)境的不利影響。

參考文獻

[1] 王荃，鄭直.某高層建筑地基加固設計與探討[J].價值工程，2023，42（18）：62-64.

[2] 孫康才.軟土地區(qū)某高層建筑地基加固現(xiàn)場實測及有限元分析[J].蘭州理工大學學報，2022，48（3）：133-139.

[3] 李彪奇.基于高層建筑地基加固處理施工技術的研究[J]新型工業(yè)化，2021，11（4）：89-91.

[4] 許家傳.高層建筑地基加固處理施工探討[J].建材與裝飾，2020（21）：35.

[作者簡介]張磊（1987—），男，河北樂亭人，工程師，研究方向：建筑工程、市政基建工程。