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建筑工程中影响施工的部分设计问题的研究与思考
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内容提示：在对建筑工程中与施工相关的部分设计问题研究成果的基础上,结合大量工程实践,分析了地基处理与基坑工程、地下结构、超长结构、钢结构、装饰、安装等分项工程中,不同设计方案对工期、造价、质量的影响,提出施工企业深化设计中应关注的一些问题,得出设计与施工相结合及技术领先是保证工程建设顺利进行的关键性措施。
1地基处理与基坑工程
1.1北川体育中心地基处理方案分析
北川体育中心是援川的重点项目，包括体育场和体育馆，共计14 300m2，占地面积52 000m2，工期紧。由于场区有大量的低洼区域需要回填，土方量约20万m3，回填深度4～11m，因此地基处理方案是影响工期的关键。经过论证，最后选择了强夯处理地基的方案。对于回填深度超过6m的区域采用分层强夯，其他区域均为一次强夯，经试夯和检测，地基承载力为250kN/m2，满足设计要求。该工程土方回填和强夯经过2个月顺利完成。地质条件类似的另一个项目，建筑面积共计1.6万m2，占地面积3万m2，低洼处须回填的土方为92 000m3。由于回填区采用分层碾压的方案，回填与地基处理就达1.5个月，严重影响了总工期。通过对北川体育中心强夯方案与分层碾压回填技术经济对比可知，强夯方案不仅能满足设计承载力的要求，而且造价低、施工速度快。（参考《建筑中文网》）
1.2奥帆赛媒体中心地基处理与基坑方案分析
工程建筑面积为8 200m2，地上2层，混凝土框架结构，屋面为钢结构;地下1层，面积3 698m2，地下室埋深约为6.0m，筏板基础。地质条件复杂，含大量的碎石、抛石;基岩面起伏较大，部分区域基底为基岩，基底下还需超深开挖2～6m方至岩面;临海近，最近点仅8m，地下水与海水直接贯通。
1)初步方案直接挖至中风化岩，部分场区基底标高即为岩石，其余需继续开挖2～6m的深度到基岩面，然后用级配砂石换填至垫层底标高，基底为岩石的场区仍需铺设级配砂石褥垫层。基坑支护最深达13m，采用双排长螺旋灌注桩，并在桩间注浆的桩锚支护止水方案。
2)优化方案(见图1)超深开挖部位采用高压旋喷桩处理地基。基坑支护深度为5～6m，采用单排或双排高压旋喷桩帷幕支护、止水，临海近或碎石、抛石较多的部位采用双排桩。
3)对比分析由于该工程临海近，无法采用降排水的方案，因此止水与支护方案是保证工程顺利完成的关键。而设计方案未结合地质条件综合考虑对支护及止水帷幕的影响，在临近基坑部位超深开挖，使支护深度由6m增至13m，不仅加大了支护造价，也加大了基坑透水和坍塌的风险;优化方案中旋喷桩止水效果好，可防止地基透水，地基处理能满足设计要求。由于该工程是在综合考虑了地下结构与地基设计、基坑支护与止水方案的基础上，对地下工程方案做出的优化。不仅避免了基坑透水，保证了工程的顺利进行，而且造价降低7.78%，工期提前25%，取得了较好的技术经济效果。
临海复杂地质的场区应避免超深开挖，结合上部结构的情况可选择桩基或地基处理的方案。
2地下结构工程
2.1嵌岩端承短桩承载力的研究与应用
在岩体地基上施工，由于基岩面起伏较大，经常遇到超深开挖，换填或浇筑毛石混凝土，以及桩长不够需要增加入岩深度等问题，往往会增加成本延误工期。嵌岩短桩可以解决上述问题。对24项应用嵌岩短桩的工程进行研究，并对其中的部分工程进行了试验研究和理论分析。
1)嵌岩短桩的竖向承载力主要由桩端阻力提供(见图2)，桩侧摩阻力作用很小，桩端阻力约占短桩竖向承载力的70%～90%，而且桩的长径比越小，桩端阻力贡献比例越大。同一桩端持力层风化岩地基上，嵌岩长桩与短桩竖向承载力大致相当(见表1)，桩的沉降量都不大，残余沉降量基本相当，回弹率较高。
表1静载试验结果
2)嵌岩深度对承载力会产生一定影响，但非线性增加，嵌岩至1～2倍桩径时变化不大，建议:①对于破碎岩体、软质或强风化岩体，嵌岩深度取值宜为桩径的1～1.5倍;②对于中风化、微风化和未风化的新鲜岩体不宜<0.5m，桩径宜>800mm，以充分发挥桩端岩体高承载力的特性;③风化岩地基上的最短桩长(下限值)控制在2.5m。
3)嵌岩长、短桩共同作用可以满足建筑物竖向及水平承载力的要求。嵌岩短桩可以与长桩混合使用，也可以与独立基础和筏板基础混合使用。
4)工程应用某高层住宅为独立柱基，地基起伏较大，部分基底至基岩面，其他还要超深开挖4m左右。工程采用的是超深开挖，再浇筑约4m高混凝土垫层。该方案与独立柱基超深开挖做柱墩的方案相比，工期长、造价高。因此，在基岩起伏地段如有较大区域需要超深开挖2m以上时，应选择独立柱基或筏板结合桩基础的方案。
2.2地下室底板形式与工期
为研究不同形式底板的施工速度，分别对岩体和土体地基10多项工程做了对比分析，分析结果如表2所示。
表2不同形式底板工期对比
上返梁式底板回填土的工作量较大，但可以安排到后期，不占用绝对工期。下返梁较上返梁多了开槽、砌砖模、回填、抹灰4道工序，施工速度较慢。尤其是岩体地基的下返梁，开槽占工期较长，底板施工速度是上返梁式底板的50%～70%。建议岩体地基地下工程应从工期、施工难度和造价等方面考虑，应采用上返梁式底板的方案。
2.3底板与墙体混凝土强度等级的合理取值
目前，地下室大多为超长、大体积混凝土，如混凝土强度等级过高，将加大水泥和胶凝材料的用量，产生较大的收缩应力，导致开裂和渗漏。因此，在保证结构承载力和耐久性的前提下，混凝土强度等级宜取低值，建议为C30～C40。另外，地下室外墙的附墙柱较多，而设计通常是将墙、柱作为独立的受力构件，使墙、柱的混凝土强度不一致，从而造成施工困难和墙柱交界处开裂。经过对地下室外墙及柱的共同受力分析，并在多项实际工程采取适当降低附墙柱混凝土强度等级及墙柱混凝土强度相统一的技术措施，取得了较好的效果。
2.4岩体基坑地下室抗浮设计与施工问题分析
1)地下室抗浮失效可以分为3种形式:①局部抗浮失效即建筑的整体抗浮承载力满足要求，但底板抗浮承载力不足，从而导致底板出现严重开裂，但地下室整体没有位形变化;②局部整体抗浮失效即地下室非主楼区域的整体抗浮承载力不足，该区域的位形变化引起了结构构件的损坏;③整体抗浮失效即建筑整体抗浮承载力不足，引起了结构整体上浮的位形变化。
2)由于岩体中无地下水或地下水较少，很容易使人产生一些错误的认识:①岩体基坑不考虑抗浮问题或取较小的抗浮水头高度;②未考虑或未正确计算，暴雨时基坑的汇水量使基坑的排水能力不足;③忽视了施工阶段的抗浮问题，在未完成室内外回填土时，便停止了基坑的降排水。上述错误认识，已导致了多起严重的整体和局部地下室抗浮事故。
3)基于岩体基坑的透水性很小，汇集的地下水无法消散的特点，经过对多个出现抗浮事故工程的研究，可以得出:①岩体基坑中的地下水源主要包括:大气降水、地表潜水、岩石裂隙水、施工用水、地下管道渗漏水，其地下水位不同于地勘报告所提供的水位高度，抗浮设计水头高度取值如图3所示。
②结构的抗浮承载力按照计算模式可分为整体和局部抗浮承载力，按照时间可分为施工和使用阶段的抗浮承载力。在施工和使用阶段均应进行结构的整体、局部抗浮承载力计算。③结构使用状态应按岩体基坑的水头高度值进行抗浮设计，不宜采用降排水控制地下水位的方法进行抗浮设计。施工或使用阶段采用控制地下水位的方法进行抗浮设计时，应按本地区的最大降雨量计算基坑的汇水速度，且排水速度必须大于汇水速度。④地下室外侧回填土完成，其底板和顶板的覆土尚未回填时，应进行施工过程的抗浮承载力和抗浮水头高度的计算。如抗浮承载力不足，则应继续降排水以控制地下水位不超过抗浮水头。
3后浇带的设置与无缝施工
后浇带是释放混凝土收缩和温度应力，解决沉降差异有效措施，但沉降后浇带要等主楼封顶后才能封闭，收缩后浇带要等混凝土浇筑45～60d后方可封闭。因此，无论地上或地下结构，过多或不正确使用后浇带，不仅影响结构工程的质量和耐久性，而且严重制约工期、加大模板等材料的消耗。
3.1硬质岩体沉降后浇带设置
1)主楼和裙房间的沉降后浇带对地下室后续施工的插入以及工期的制约较大。硬质岩体地基上建筑物的沉降总量和沉降差值均较小，因而在主楼和裙房间的沉降应力也很小，所以在青岛地区许多工程不设沉降后浇带。通过研究岩体地基建筑物沉降的计算方法，分析青岛地区的地质条件和沉降计算参数的取值，并结合工程实例对建筑物的沉降和底板应力做了计算分析，得出:①当持力层为强风化花岗岩时，建筑高度在100m以内可不设置沉降后浇带，有计算依据时可达150m;②当持力层为中风化花岗岩时，建筑高度200m以内可不设置沉降后浇带，若超过200m应进行计算验证。
1.1北川体育中心地基处理方案分析
北川体育中心是援川的重点项目，包括体育场和体育馆，共计14 300m2，占地面积52 000m2，工期紧。由于场区有大量的低洼区域需要回填，土方量约20万m3，回填深度4～11m，因此地基处理方案是影响工期的关键。经过论证，最后选择了强夯处理地基的方案。对于回填深度超过6m的区域采用分层强夯，其他区域均为一次强夯，经试夯和检测，地基承载力为250kN/m2，满足设计要求。该工程土方回填和强夯经过2个月顺利完成。地质条件类似的另一个项目，建筑面积共计1.6万m2，占地面积3万m2，低洼处须回填的土方为92 000m3。由于回填区采用分层碾压的方案，回填与地基处理就达1.5个月，严重影响了总工期。通过对北川体育中心强夯方案与分层碾压回填技术经济对比可知，强夯方案不仅能满足设计承载力的要求，而且造价低、施工速度快。（参考《建筑中文网》）
1.2奥帆赛媒体中心地基处理与基坑方案分析
工程建筑面积为8 200m2，地上2层，混凝土框架结构，屋面为钢结构;地下1层，面积3 698m2，地下室埋深约为6.0m，筏板基础。地质条件复杂，含大量的碎石、抛石;基岩面起伏较大，部分区域基底为基岩，基底下还需超深开挖2～6m方至岩面;临海近，最近点仅8m，地下水与海水直接贯通。
1)初步方案直接挖至中风化岩，部分场区基底标高即为岩石，其余需继续开挖2～6m的深度到基岩面，然后用级配砂石换填至垫层底标高，基底为岩石的场区仍需铺设级配砂石褥垫层。基坑支护最深达13m，采用双排长螺旋灌注桩，并在桩间注浆的桩锚支护止水方案。
2)优化方案(见图1)超深开挖部位采用高压旋喷桩处理地基。基坑支护深度为5～6m，采用单排或双排高压旋喷桩帷幕支护、止水，临海近或碎石、抛石较多的部位采用双排桩。
3)对比分析由于该工程临海近，无法采用降排水的方案，因此止水与支护方案是保证工程顺利完成的关键。而设计方案未结合地质条件综合考虑对支护及止水帷幕的影响，在临近基坑部位超深开挖，使支护深度由6m增至13m，不仅加大了支护造价，也加大了基坑透水和坍塌的风险;优化方案中旋喷桩止水效果好，可防止地基透水，地基处理能满足设计要求。由于该工程是在综合考虑了地下结构与地基设计、基坑支护与止水方案的基础上，对地下工程方案做出的优化。不仅避免了基坑透水，保证了工程的顺利进行，而且造价降低7.78%，工期提前25%，取得了较好的技术经济效果。
临海复杂地质的场区应避免超深开挖，结合上部结构的情况可选择桩基或地基处理的方案。
2地下结构工程
2.1嵌岩端承短桩承载力的研究与应用
在岩体地基上施工，由于基岩面起伏较大，经常遇到超深开挖，换填或浇筑毛石混凝土，以及桩长不够需要增加入岩深度等问题，往往会增加成本延误工期。嵌岩短桩可以解决上述问题。对24项应用嵌岩短桩的工程进行研究，并对其中的部分工程进行了试验研究和理论分析。
1)嵌岩短桩的竖向承载力主要由桩端阻力提供(见图2)，桩侧摩阻力作用很小，桩端阻力约占短桩竖向承载力的70%～90%，而且桩的长径比越小，桩端阻力贡献比例越大。同一桩端持力层风化岩地基上，嵌岩长桩与短桩竖向承载力大致相当(见表1)，桩的沉降量都不大，残余沉降量基本相当，回弹率较高。
表1静载试验结果
2)嵌岩深度对承载力会产生一定影响，但非线性增加，嵌岩至1～2倍桩径时变化不大，建议:①对于破碎岩体、软质或强风化岩体，嵌岩深度取值宜为桩径的1～1.5倍;②对于中风化、微风化和未风化的新鲜岩体不宜<0.5m，桩径宜>800mm，以充分发挥桩端岩体高承载力的特性;③风化岩地基上的最短桩长(下限值)控制在2.5m。
3)嵌岩长、短桩共同作用可以满足建筑物竖向及水平承载力的要求。嵌岩短桩可以与长桩混合使用，也可以与独立基础和筏板基础混合使用。
4)工程应用某高层住宅为独立柱基，地基起伏较大，部分基底至基岩面，其他还要超深开挖4m左右。工程采用的是超深开挖，再浇筑约4m高混凝土垫层。该方案与独立柱基超深开挖做柱墩的方案相比，工期长、造价高。因此，在基岩起伏地段如有较大区域需要超深开挖2m以上时，应选择独立柱基或筏板结合桩基础的方案。
2.2地下室底板形式与工期
为研究不同形式底板的施工速度，分别对岩体和土体地基10多项工程做了对比分析，分析结果如表2所示。
表2不同形式底板工期对比
上返梁式底板回填土的工作量较大，但可以安排到后期，不占用绝对工期。下返梁较上返梁多了开槽、砌砖模、回填、抹灰4道工序，施工速度较慢。尤其是岩体地基的下返梁，开槽占工期较长，底板施工速度是上返梁式底板的50%～70%。建议岩体地基地下工程应从工期、施工难度和造价等方面考虑，应采用上返梁式底板的方案。
2.3底板与墙体混凝土强度等级的合理取值
目前，地下室大多为超长、大体积混凝土，如混凝土强度等级过高，将加大水泥和胶凝材料的用量，产生较大的收缩应力，导致开裂和渗漏。因此，在保证结构承载力和耐久性的前提下，混凝土强度等级宜取低值，建议为C30～C40。另外，地下室外墙的附墙柱较多，而设计通常是将墙、柱作为独立的受力构件，使墙、柱的混凝土强度不一致，从而造成施工困难和墙柱交界处开裂。经过对地下室外墙及柱的共同受力分析，并在多项实际工程采取适当降低附墙柱混凝土强度等级及墙柱混凝土强度相统一的技术措施，取得了较好的效果。
2.4岩体基坑地下室抗浮设计与施工问题分析
1)地下室抗浮失效可以分为3种形式:①局部抗浮失效即建筑的整体抗浮承载力满足要求，但底板抗浮承载力不足，从而导致底板出现严重开裂，但地下室整体没有位形变化;②局部整体抗浮失效即地下室非主楼区域的整体抗浮承载力不足，该区域的位形变化引起了结构构件的损坏;③整体抗浮失效即建筑整体抗浮承载力不足，引起了结构整体上浮的位形变化。
2)由于岩体中无地下水或地下水较少，很容易使人产生一些错误的认识:①岩体基坑不考虑抗浮问题或取较小的抗浮水头高度;②未考虑或未正确计算，暴雨时基坑的汇水量使基坑的排水能力不足;③忽视了施工阶段的抗浮问题，在未完成室内外回填土时，便停止了基坑的降排水。上述错误认识，已导致了多起严重的整体和局部地下室抗浮事故。
3)基于岩体基坑的透水性很小，汇集的地下水无法消散的特点，经过对多个出现抗浮事故工程的研究，可以得出:①岩体基坑中的地下水源主要包括:大气降水、地表潜水、岩石裂隙水、施工用水、地下管道渗漏水，其地下水位不同于地勘报告所提供的水位高度，抗浮设计水头高度取值如图3所示。
②结构的抗浮承载力按照计算模式可分为整体和局部抗浮承载力，按照时间可分为施工和使用阶段的抗浮承载力。在施工和使用阶段均应进行结构的整体、局部抗浮承载力计算。③结构使用状态应按岩体基坑的水头高度值进行抗浮设计，不宜采用降排水控制地下水位的方法进行抗浮设计。施工或使用阶段采用控制地下水位的方法进行抗浮设计时，应按本地区的最大降雨量计算基坑的汇水速度，且排水速度必须大于汇水速度。④地下室外侧回填土完成，其底板和顶板的覆土尚未回填时，应进行施工过程的抗浮承载力和抗浮水头高度的计算。如抗浮承载力不足，则应继续降排水以控制地下水位不超过抗浮水头。
3后浇带的设置与无缝施工
后浇带是释放混凝土收缩和温度应力，解决沉降差异有效措施，但沉降后浇带要等主楼封顶后才能封闭，收缩后浇带要等混凝土浇筑45～60d后方可封闭。因此，无论地上或地下结构，过多或不正确使用后浇带，不仅影响结构工程的质量和耐久性，而且严重制约工期、加大模板等材料的消耗。
3.1硬质岩体沉降后浇带设置
1)主楼和裙房间的沉降后浇带对地下室后续施工的插入以及工期的制约较大。硬质岩体地基上建筑物的沉降总量和沉降差值均较小，因而在主楼和裙房间的沉降应力也很小，所以在青岛地区许多工程不设沉降后浇带。通过研究岩体地基建筑物沉降的计算方法，分析青岛地区的地质条件和沉降计算参数的取值，并结合工程实例对建筑物的沉降和底板应力做了计算分析，得出:①当持力层为强风化花岗岩时，建筑高度在100m以内可不设置沉降后浇带，有计算依据时可达150m;②当持力层为中风化花岗岩时，建筑高度200m以内可不设置沉降后浇带，若超过200m应进行计算验证。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201111/15081.htm
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