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摘要:城镇化进程让城市建设得到了空前的发展。近年来，体型复杂、结构不规则的复杂建筑，尤其是复杂高层建筑越来越多地涌现，这对建筑基础设计提出了更高的要求。如何在保证结构安全性的前提下，通过对基础结构的优化来减少其工程造价已成为结构工程师必须研究的课题。文章结合建筑基础设计中的方案选择、结构计算、材料选用和规范使用等方面进行简要分析，对结构基础设计的优化提出建议。
关键词:基础设计; 结构优化; 结构计算; 选材; 规范
Abstract: the urbanization process let urban construction to enjoy unprecedented development. In recent years, the shape, the structure of the complex irregular complex construction, especially complex high-rise building more and more emerging, the design of building foundation put forward higher request. How to ensure the safety of the structure of the premise, through to the foundation of the optimization of the structure to reduce the construction cost has become a structural engineer must of research. Combining with the design of building foundation scheme selection, structure calculation, material selection and regulate the use of paper analyzed, based on the optimization of the structure design are proposed.
Keywords: basic design; Structure optimization; Structure calculation; Select material; standard
中圖分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
一、引言
地基基础是建筑结构主要的组成部分，关系的到整个建筑结构安全性与经济性。安全性和经济性历来建筑工程中不可或缺的两个方面，为了安全性而不考虑经济性或者为了经济性而不顾及安全性都是不可取的。通过优化设计在建筑基础设计的安全性和经济性之间寻求一个合理的平衡点是结构基础设计的最终目的。
二、建筑基础设计优化
结构基础设计的优化首先从基础选型和布置开始，通过结构计算来验证基础方案的准确性和可行性，再根据规范和实际工程经验对建筑材料的选用进行合理的分析，使其得到充分的利用。
(一) 建筑基础方案选择
建筑基础的合理选型与布置是整个结构设计中的一个极其关键的部分。有时对于同一种场地地基有多种基础形式可供选用，而各种基础形式的工程造价和施工难度是不同的；即使是同一种基础形式，基础布置的不同也可能对工程造价产生巨大影响。所以在基础选型时，应充分考虑更方面的因素，权衡利弊，合理选择，优化决策。
1) 建筑基础方案的优选，首先要以准确的岩土工程勘察资料为依据。如场地工程地质条件、岩土物理力学性质、地基承载力、地下水位、场地土动力学参数等，这是基础方案安全合理的基础要素。通过对岩土工程勘察资料的分析，再综合上部结构的结构形式，能够确定合理的建筑基础的形式和布置。
2) 建筑基础的形式和布置确定后，应考虑基础与上部结构的相互作用。建筑结构设计常规的方法是将上部结构和基础二者作为彼此独立，离散的结构单元进行力学分析。实践表明，这种常规法计算得到的基底应力和基础沉降量往往与实测值差别很大。因此，基础问题的解决不宜单纯着眼于基础。另一方面，上部结构设计过程中，也应该注意由于地基沉降变形差异而引起的上部结构次应力，开裂等不良现象。故而，更应该把基础与上部结构视为一个统一的整体，从二者相互作用的概念出发来考虑基础方案。当然，基础与上部结构的相互作用分析相当复杂，合理的方法应该从二者之间满足静力平衡和变形协调两个条件出发进行分析，了解基础刚度变化对上部结构内力的影响，上部结构对基础变形的约束作用，以及采用不同地基计算模型可能在基础和上部结构中产生的差异。
(二) 基础结构计算
随着计算机技术在结构基础设计中的应用，基础设计得到了不断完善和发展，特别是在设计的精确性和可靠性方面显示出了独有的优势。但也应该看到，计算机结构设计程序是被动的计算过程，主要程序由计算机完成，计算中不免出现误差，故在结构计算中需注意：
1) 提高自主性而避免盲目依赖性。有时设计错误发生的原因是工程师过于依赖计算程序而导致。在依靠计算机计算过程中，工程师或设计员需提高计算的自主性，在设计中要对设计数据和计算结果进行反复的核对和审查，避免因计算机计算而导致的错误在实施中发生。特别是对基础几何尺寸、荷载数据的核对定要做到分毫不差。同时，在输入计算过程中，需要对数据的真实性进行分析后采用，切不可盲目。
2) 合理选用计算结果。在计算过程中，计算参数的不同选择会导致不同的计算结果，这些计算结果是否在结构基础设计中和实际情况相符合，这就需设计师结合实际施工而进行分析。
3) 注意实际结构和计算模型差异。计算程序通常是以各种假定和理想状态为前提的，而实际的结构承受力不可能达到理想状态，所做的假设在实际中也因外在因素的不断变化而发生变化，这就需要在结构基础设计从实际和结果对比中找到契合点，如果结果和实际不符，则需要进行重新计算。
(三) 提高材料的利用率
在整个结构基础中，要想让造价得到降低，在安全的基础上高效，还需要从用材的选择上进行分析，做到物尽其用，合理而充分。
在施工中，构件的不同受力点、工作环境和材料的力学特点不同将决定着材料的利用率。如在钢筋混凝土结构中，当柱子以受压为主时，就需根据材料的抗压性来进行选择，以高标号混凝土为主，减小构件截面，增加使用空间；因梁板受弯为主，在选材中则选用高强度钢筋，从而减少钢筋用量。此外还需注意钢筋混凝土结构中钢筋与混凝土强度的匹配度，以达到最大限度地发挥出材料性能的作用。
在实际的结构基础设计中因材料的选择利用不当而造成的浪费现象十分普遍，如在基础底板中因混凝土标号过高而造成混凝土不能发挥其应有作用，甚至为抵抗高强度的混凝土较大的收缩变形和满足最小配筋率要求，导致配筋量增加，造价提高等。
(四) 设计中对《规范》的正确理解和应用
《规范》是设计中的基础，是必须遵守的标准。在结构基础设计中，要达到安全而高效，就需要对《规范》进行研究学习并正确应用。一方面，要深度理解《规范》中的相关条文，以《规范》的要求为基本设计准则，根据具体设计对象、环境和构件的特点，参照工程安全性和经济性要求，进行设计。另一方面，对《规范》中的构造措施要给予足够的重视。因设计中很多工程师都过多注重计算机的计算结果而忽视了实际设计环境的分析，从而导致安全性和经济性受影响。以抗震性为例，因抗震计算只是一种近似方法，设计需建立在震害和总结基础上进行，故而对《规范》中的抗震设计原则和计算方法的遵循必须的，同时还要考虑抗震构造措施。
三、结语
基础工程的造价在整个建筑工程造价中所占的比例较高，尤其在地质条件比较复杂的情况下更是如此。因此在建筑基础设计过程中遵循合理选型、计算准确、材尽其用、符合规范的原则，对建筑基础设计进行合理、细致的优化，能够起到降低工程造价的作用。
参考文献：
[1]GB50007-2011，建筑地基基础设计规范[S]
[2] JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S]
[3] GB50011-2011，建筑抗震设计规范[S]
[4]饶远文：结构设计优化技术及其在房屋结构设计中的应用[J]，价值工程，2010年第3月。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:基础设计; 结构优化; 结构计算; 选材; 规范
Abstract: the urbanization process let urban construction to enjoy unprecedented development. In recent years, the shape, the structure of the complex irregular complex construction, especially complex high-rise building more and more emerging, the design of building foundation put forward higher request. How to ensure the safety of the structure of the premise, through to the foundation of the optimization of the structure to reduce the construction cost has become a structural engineer must of research. Combining with the design of building foundation scheme selection, structure calculation, material selection and regulate the use of paper analyzed, based on the optimization of the structure design are proposed.
Keywords: basic design; Structure optimization; Structure calculation; Select material; standard
中圖分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
一、引言
地基基础是建筑结构主要的组成部分，关系的到整个建筑结构安全性与经济性。安全性和经济性历来建筑工程中不可或缺的两个方面，为了安全性而不考虑经济性或者为了经济性而不顾及安全性都是不可取的。通过优化设计在建筑基础设计的安全性和经济性之间寻求一个合理的平衡点是结构基础设计的最终目的。
二、建筑基础设计优化
结构基础设计的优化首先从基础选型和布置开始，通过结构计算来验证基础方案的准确性和可行性，再根据规范和实际工程经验对建筑材料的选用进行合理的分析，使其得到充分的利用。
(一) 建筑基础方案选择
建筑基础的合理选型与布置是整个结构设计中的一个极其关键的部分。有时对于同一种场地地基有多种基础形式可供选用，而各种基础形式的工程造价和施工难度是不同的；即使是同一种基础形式，基础布置的不同也可能对工程造价产生巨大影响。所以在基础选型时，应充分考虑更方面的因素，权衡利弊，合理选择，优化决策。
1) 建筑基础方案的优选，首先要以准确的岩土工程勘察资料为依据。如场地工程地质条件、岩土物理力学性质、地基承载力、地下水位、场地土动力学参数等，这是基础方案安全合理的基础要素。通过对岩土工程勘察资料的分析，再综合上部结构的结构形式，能够确定合理的建筑基础的形式和布置。
2) 建筑基础的形式和布置确定后，应考虑基础与上部结构的相互作用。建筑结构设计常规的方法是将上部结构和基础二者作为彼此独立，离散的结构单元进行力学分析。实践表明，这种常规法计算得到的基底应力和基础沉降量往往与实测值差别很大。因此，基础问题的解决不宜单纯着眼于基础。另一方面，上部结构设计过程中，也应该注意由于地基沉降变形差异而引起的上部结构次应力，开裂等不良现象。故而，更应该把基础与上部结构视为一个统一的整体，从二者相互作用的概念出发来考虑基础方案。当然，基础与上部结构的相互作用分析相当复杂，合理的方法应该从二者之间满足静力平衡和变形协调两个条件出发进行分析，了解基础刚度变化对上部结构内力的影响，上部结构对基础变形的约束作用，以及采用不同地基计算模型可能在基础和上部结构中产生的差异。
(二) 基础结构计算
随着计算机技术在结构基础设计中的应用，基础设计得到了不断完善和发展，特别是在设计的精确性和可靠性方面显示出了独有的优势。但也应该看到，计算机结构设计程序是被动的计算过程，主要程序由计算机完成，计算中不免出现误差，故在结构计算中需注意：
1) 提高自主性而避免盲目依赖性。有时设计错误发生的原因是工程师过于依赖计算程序而导致。在依靠计算机计算过程中，工程师或设计员需提高计算的自主性，在设计中要对设计数据和计算结果进行反复的核对和审查，避免因计算机计算而导致的错误在实施中发生。特别是对基础几何尺寸、荷载数据的核对定要做到分毫不差。同时，在输入计算过程中，需要对数据的真实性进行分析后采用，切不可盲目。
2) 合理选用计算结果。在计算过程中，计算参数的不同选择会导致不同的计算结果，这些计算结果是否在结构基础设计中和实际情况相符合，这就需设计师结合实际施工而进行分析。
3) 注意实际结构和计算模型差异。计算程序通常是以各种假定和理想状态为前提的，而实际的结构承受力不可能达到理想状态，所做的假设在实际中也因外在因素的不断变化而发生变化，这就需要在结构基础设计从实际和结果对比中找到契合点，如果结果和实际不符，则需要进行重新计算。
(三) 提高材料的利用率
在整个结构基础中，要想让造价得到降低，在安全的基础上高效，还需要从用材的选择上进行分析，做到物尽其用，合理而充分。
在施工中，构件的不同受力点、工作环境和材料的力学特点不同将决定着材料的利用率。如在钢筋混凝土结构中，当柱子以受压为主时，就需根据材料的抗压性来进行选择，以高标号混凝土为主，减小构件截面，增加使用空间；因梁板受弯为主，在选材中则选用高强度钢筋，从而减少钢筋用量。此外还需注意钢筋混凝土结构中钢筋与混凝土强度的匹配度，以达到最大限度地发挥出材料性能的作用。
在实际的结构基础设计中因材料的选择利用不当而造成的浪费现象十分普遍，如在基础底板中因混凝土标号过高而造成混凝土不能发挥其应有作用，甚至为抵抗高强度的混凝土较大的收缩变形和满足最小配筋率要求，导致配筋量增加，造价提高等。
(四) 设计中对《规范》的正确理解和应用
《规范》是设计中的基础，是必须遵守的标准。在结构基础设计中，要达到安全而高效，就需要对《规范》进行研究学习并正确应用。一方面，要深度理解《规范》中的相关条文，以《规范》的要求为基本设计准则，根据具体设计对象、环境和构件的特点，参照工程安全性和经济性要求，进行设计。另一方面，对《规范》中的构造措施要给予足够的重视。因设计中很多工程师都过多注重计算机的计算结果而忽视了实际设计环境的分析，从而导致安全性和经济性受影响。以抗震性为例，因抗震计算只是一种近似方法，设计需建立在震害和总结基础上进行，故而对《规范》中的抗震设计原则和计算方法的遵循必须的，同时还要考虑抗震构造措施。
三、结语
基础工程的造价在整个建筑工程造价中所占的比例较高，尤其在地质条件比较复杂的情况下更是如此。因此在建筑基础设计过程中遵循合理选型、计算准确、材尽其用、符合规范的原则，对建筑基础设计进行合理、细致的优化，能够起到降低工程造价的作用。
参考文献：
[1]GB50007-2011，建筑地基基础设计规范[S]
[2] JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S]
[3] GB50011-2011，建筑抗震设计规范[S]
[4]饶远文：结构设计优化技术及其在房屋结构设计中的应用[J]，价值工程，2010年第3月。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。