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高层建筑的发展离不开地基基础设计的创新
——访中国建筑科学研究院地基基础研究所副所长宫剑飞研究员
2016-01-07 09:19:19  作者:  来源:中国日报  
  • 我国高层建筑的起源要追溯到20世纪30年代的上海。起始的高层是10层左右,当时,全上海共建成了30-40栋这样的高层建筑。
    关键字: 建筑
  
宫剑飞

 

  我国高层建筑的起源要追溯到20世纪30年代的上海。起始的高层是10层左右,当时,全上海共建成了30-40栋这样的高层建筑。

  50年代起,北京、广州等地的大型公共建筑上开始兴建高层。到了70年代,全国各地开始陆续兴建高层建筑,并开始了高层建筑基础设计方法的讨论及实际工程的原位测试,重点解决箱基的设计问题。80年代起,随着改革开放的深化发展,全国各大城市和一批中等城市普遍兴建了高层建筑。

  高层建筑的热潮真正崛起于90年代,正值青春年华的宫剑飞也恰好赶上了那个年代,从此开启了他的建筑人生。

  高层建筑领域展露身手

  宫剑飞生于1970年2月,现任中国建筑科学研究院地基所副所长,建研地基基础工程有限责任公司副总经理。

  对于高层建筑的发展历程,宫剑飞既是亲历者又是实践者。

  他说,上世纪80年代以前,高层建筑基础形式主要为箱基,建筑形式简单,很少有主、裙楼一体结构,对于有裙楼的高层建筑,则通过在高、低层间设置永久沉降缝予以解决。

  随着经济的迅速发展和大城市人口密度的提高,高层建筑的地下空间利用率得到大幅度提升。然而,传统的箱形基础已经不能满足因停车和地下商业设施对地下大空间的需求。筏形基础在发挥地基承载力、调整地基不均匀沉降、抗震性、基础造价经济性、施工周期、地下空间的开发利用等方面有很多的优越性,因此,具有很大刚度的箱形基础正在被空间较大的框架厚筏基础所代替。

  再后来,地下空间的利用使高层建筑基础的型式和功能有了较大的变化,地下建筑面积极大地超过了高层建筑投影面积。很多建筑已经在厚筏构成的大面积地下建筑上建造一个或多个层数不等的塔楼和低层裙房组成的建筑群。这时,为保证地下结构的整体性,各单个建筑之间不设沉降缝,因此,在设计上提出了塔楼与裙房之间的变形协调可能性、多个高层建筑之间的相互影响及合理距离的问题。

  这些都是宫剑飞研究的课题。

  据宫剑飞称,这类建筑具有以下特点:

  首先,基础埋深大。由于充分利用地下空间资源,目前建筑基础通常具有3~5层地下室,因此建筑埋深通常在15~25米。

  其次,占地面积大。由于高层建筑与低层裙房及地下车库整体连接,建筑占地面积通常达数万平米,个别工程达到十几万平米。

  再次,荷载及刚度差异大。由于在同一个大底盘上建造一个或多个层数不等的塔楼和低层裙房,因此造成大底盘上荷载分布极不均匀,结构刚度差异极大,同时也会引起基础偏心使基础出现轻微整体倾斜。

  最后,基础整体连接。由于使用功能的要求以及加强地下结构的整体性,这类建筑一般在地面下高低层相连处不采用双墙双柱及永久性沉降缝,甚至投资方要求施工时不设沉降后浇带,基础筏板采用整体连接。

  宫剑飞指出,这类高层建筑涉及到土力学中沉降计算问题以及不同类型的上部结构承受变形的能力,最终归结到按变形控制地基设计理论问题。由于现有的许多设计方法无法精确解决筏板整体范围内的反力和沉降问题,因此,当前解决高低层沉降差的问题多用的施工方案为在主楼与其扩大部分的筏板部位设置宽1m的后浇带。

  需要说明的是,筏板钢筋在后浇带部位是连续的,施工期间主楼可以自由沉降,待主楼结构施工完毕后再浇注微膨胀混凝土,使主楼与其扩大部分连成整体。在结构方面,裙房与主楼间的连接梁端头有按柔性连接设计的。

  而在当前的高层建筑上,采用施工后浇带方法解决主楼与裙房连接的建筑已有许多。

  创新整体厚筏基础设计技术

  针对上述工程建设需求提出的问题,中国建筑科学研究院地基所的研究团队在黄熙龄院士的指导下经过多年的理论、试验研究和工程实践,在复杂高层建筑下大底盘整体基础设计技术上实现了突破和创新:整体厚筏基础的板块化设计方法。该技术根据高层建筑大埋深特点,将高层建筑基底下荷载控制在土体欠补偿状态,或基底附加压力控制在很小的状态,充分利用回弹再压缩段变形小的特点及裙房基础筏板有限扩散高层荷载的原理进行分区变板厚设计和变形控制设计,解决大面积筏板沉降量和差异沉降问题,进而取消沉降缝或沉降后浇带,实现筏板整体设计。

  该技术主要有以下特点:第一,在一个大型地下框架厚筏结构上,在足够埋深条件下,高层下筏基反力具线性分布特征,筏板框架结构具有扩散上部高层建筑荷载的作用,其影响范围是有限的。第二,揭示了多塔楼下大底盘框架厚筏基础的变形特征及地基反力分布规律:各塔楼独立作用下产生的变形、反力是通过以各个塔楼下面一定范围为中心,各自沿径向向外围衰减扩散,并在其共同的影响范围内,沉降和地基反力可以相互叠加。第三,提出了将高层部分的厚筏等厚度向外拓展一跨后渐变板厚,以减少高层下的地基附加应力,增加高层部分的稳定性。第四,在上部结构、厚筏及地基共同作用下,整体筏板的变形是不规则的和连续的,在正常使用极限状态下,其沉降可按弹性理论并采用叠加原理计算。第五,建立了考虑上部结构、基础与地基共同作用的大底盘框架厚筏基础的简化整体计算模型,提出大底盘框架厚筏基础的实用设计方法。

  对于该技术的经济效益,宫剑飞表示:

  第一,节省材料。该技术采用天然地基,取消桩基础或地基处理,大幅度节约钢筋和混凝土。第二,可取消沉降后浇带,从而节省工期。第三,由于取消桩基或地基处理,该技术能减少泥浆排放,因而降低环境污染。第四,较常规建设方法提前停止降水,节约水资源。第五,桩基及地基处理的取消,节约了30米以下深层地下空间资源,为城市深层地下空间开发利用提供了更大的灵活性和技术保障。

  以第四纪砂卵石和粘土交互层为特点的中底压缩性地质条件的北京地区为例,建筑高度在100米高、基础埋深在20米左右的高层建筑取消桩基础或地基处理,并在施工过程中取消沉降后浇带成为可能。北京地区成功应用该技术建设的工程项目如中石油大厦、北京LG大厦、中国银行大厦、北京富景花园、北京世纪财富中心、中华全国总工会中国职工对外交流中心、北京三里屯SOHO等已达二十余项。

  该技术于2012年和2014年连续被列为北京市绿色建筑推广名录予以推广。

  宫剑飞认为,该技术的运用解决了以下难题,首先,建有多幢多层和高层建筑的整体大面积基础考虑上部结构刚度影响的设计计算理论的问题;其次,高低层间基础整体连接的差异沉降控制问题;再次,大底盘高层建筑基础内力计算精度问题;最后,大底盘高层建筑基础抗浮设计问题。

  对于该技术的创新点,主要体现在以下几方面:

  一、揭示了大底盘高层建筑反力、地基应力场分布特点及基础变形特征;二、建立了考虑上部结构、基础与地基共同作用的简化整体分析模型;三、提出了大底盘高层建筑基础刚度评价及考虑高层荷载有限扩散的基础筏板板块设计方法;四、提出了大底盘高层建筑基础变形控制指标及整体筏板建造的技术构造措施;五、提出了大底盘高层建筑基础整体弯矩与局部弯矩控制设计指标及计算方法。

  “上述创新属于我国建筑地基基础设计理论的原始创新和技术创新。”宫剑飞表示。

  二十年累累硕果

  自1995年进入中国建筑科学研究院师从黄熙龄院士攻读博士学位算起,宫剑飞从事高层建筑地基基础的研究工作已有20年。期间他曾主持过中国石油大厦、首都机场T3航站楼、北京三里屯SOHO、首钢迁安2160mm热带轧机工程、沈阳新世界会展中心等数十项复杂工程的地基基础方案制定和实施。

  他长期从事复杂高层建筑地基基础的理论、模型试验、工程原位测试研究工作及大跨度地下结构工程技术的研究开发工作,在整体大面积筏形基础变形控制设计理论上有创新性成果并致力于成果的推广,在北京、辽宁、河北等地30余项工程中成功应用,经济效益和社会效益显著。

  宫剑飞曾作为课题负责人或主要参加人承担过国家科技支撑计划课题及科技部科研院所技术开发研究专项资金等十余项国家、省部级课题,获省部级科技进步一等奖1项、二等奖2项,三等奖1项,省部级工程勘察设计二等奖2项;获发明专利5项,实用新型专利2项;在国内外发表专题研究论文30余篇。

  宫剑飞兼任《岩土工程学报》编委;中国建筑学会理事;中国建筑学会地基基础分会副理事长兼秘书长;中国土木工程学会土力学及岩土工程分会理事;中国城市轨道交通协会安全管理专业委员会委员;住房和城乡建设部强制性条文协调委员会委员兼秘书;住房和城乡建设部地基基础标准化技术委员会委员;住建部防灾研究中心专家委员会副主任。

  这就是宫剑飞,一个谦虚低调却心系事业的“岩土工程师”。

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