科技与生活杂志：高层建筑基础选型指标评价体系研究 |
| 2012-11-22 11:27 作者：李迎九 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网11月22日文】原文载于《科技与生活》杂志2012年第17期刊文称，高层建筑基础的优化包括型式、拓扑和构件优化三个相关的层次，其中，型式优化属高端优化，其结果往往决定或影响着后两阶段的优化效果。若型式选择不当，即使进行了精心的拓扑、参数优化与构造设计，也难以达到满意的优化效果。目前，人们对高层建筑基础优化的研究，主要集中在对某些具体的基础型式的拓扑与参数优化方面[1-5]，对基础型式优化的研究尤其是对评价基础型式优劣的性能指标体系的研究则相对较少，还尚未形成系统成熟的基础选型理论、方法与合理、有效的性能指标体系，工程中主要是依据专家的经验及对个别性能指标优劣的判断进行基础型式的优选。
1性能评价指标体系规划原则与方法
1.1性能评价指标规划的目的
通过性能指标的规划，一方面，能够从更广泛的时空系统全面分析辩识影响基础（整体综合性能）选型的因素及对基础诸方面性能的要求，并通过性能目标的要求指导基础选型；另一方面，可以对基础的综合性能要求进行分解与分类研究，能够实现在相对专一的性能分类范围内深入研究性能的变化规律及其影响因素，为实现对基础性能的控制与优化及研究性能的实现途径等奠定基础；其三，通过性能指标体系可建立起基础选型设计与其它设计、施工、使用等方面的联系与协调，克服或避免传统各设计过程之间、设计与施工、使用过程之间因缺乏必要的沟通与协调而达不到全寿命、全系统、全性能整体最优效果的不足，也为实现并行设计、并行工程奠定基础。
1.2性能指标的规划原则
1）系统全面原则：基础选型既涉及上部建筑结构特征、地震、地质及周边环境，又涉及其施工、防灾、经济等诸多方面的性能要求，单纯地从个别指标去评价基础的整体性能显然不科学，即使所选指标是最主要的指标，也仍存在较大的片面性，故为选型规划系统全面的指标体系是科学选型的必然要求和必须遵循的原则。
2）简明科学原则：在系统全面原则的基础上，指标的设置还应当达到简明、科学的要求，该原则主要反映在指标体系设置要突出重点，指标间层次关系要明确合理，指标体系的大小、层次要科学适当等方面，若指标体系过大、层次过多、指标过细，将增大计算与分析工作量，反之，又难以全面反映基础性能的各个方面，故指标体系的规划应科学合理。
3）可评价性原则：是指衡量基础系统性能的评价指标应涵义明确、能准确表达基础系统性能的本质特征，且便于进行客观有效的量化评价。
4）动态性原则：工程结构与地质及周边环境特征的多变性决定了性能指标体系在实际应用中应具有足够的灵活性，即在指标系统使用过程中能满足人们对基础性能进行动态调整的需要。
1.3性能指标规划的方法
目前，还没有一套普遍适应的性能指标体系规划方法，随着分析对象及其相关因素、条件与复杂程度的不同，所使用的方法也不相同，一般地，对基础选型性能指标体系的规划，可采用目标-手段分析法、因果分析法、KJ法[6]、类比法、综合法等。其中，目标手段分析法是指将基础选型要达到的目标和实现目标所需要的手段按照上下层次关系展开，并把一级目标的手段作为二级目标，二级目标的手段作为三级目标，依次类推即可将总目标分解为层次分明相互联系又逐渐具体化的分层目标系统。因果分析法是用因果分析图来分析影响系统的因素并从中找出产生某种结果的主要原因的分析方法，该方法用箭头表示原因与结果之间的关系，可形象地把基础选型时需考虑的问题或实现的结果及其产生的原因结构图形化、条理化，适合与处理复杂的基础选型问题。KJ法是从很多具体信息中归纳出问题整体含义的一种分析方法，它是通过收集制订与选型有关的大量信息卡片，经对诸卡片的观察与聚类分析，并依据各类信息中包含子信息间的逻辑、从属、因果关系排列规划各子信息，形成基础选型的性能指标体系图。类比法是指在已有性能指标体系实例库中选择一个与具体工程选型要求相似的指标体系，并结合工程特征进行必要的删减与调整后，即可确定一个恰当的性能指标体系。综合法是指综合使用上述诸方法形成性能指标体系的方法。
2基础选型性能评价指标体系规划
性能指标体系作为基础性能预测、评价与优化的依据，对基础工程的整体性能起着宏观规划和控制的双重关键作用，本文以下内容将在全面系统分析诸方面对基础性能的需求及影响制约选型的各种因素的基础上，规划基础选型的性能指标体系。
2.1目标级性能指标的规划
目标级性能指标规划是指通过对城市社会系统、业主及上部结构系统等方面对整个基础工程全寿命过程的远近期功能、安全性、施工性、经济性等诸多方面的要求及地质与周边环境约束等全面系统分析，辨识出需通过选型来考虑实现或解决的对选型有重要影响的因素或性能需求，并将其分解、聚类、转化为指导基础型式优选、控制与评价或代表基础性能优劣的关键性目标级性能指标的过程，它也是一个明确选型目的与需求，分析选型影响因素与约束的过程，基础工程在整个工程建设中的重要地位及环境条件、上部结构条件等方面的多变性，决定了各方面对基础要求的复杂性，这将给反映各方面要求与约束的性能目标系统的规划带来困难，如片面地强调某一个性能目标或者目标系统的缺陷，都会导致所选方案性能的缺陷及对整体性能控制的困难，不分主次地考虑所有因素又会给问题的解决带来混乱，通过对各方面复杂要求与约束进行全面系统的分析与归纳，我们对基础选型的整体综合性能目标进行了一级结构分解，规划出了基础受力合理性、抗灾变作用性能、施工可行性、地下使用功能空间开发利用适应性、全寿命期的经济有效性等五个目标级性能指标。所确定的性能指标是协调、沟通基础选型与其它设计环节及施工、使用、经济性等的桥梁。
2.2基础受力合理性性能指标规划
基础受力合理性是指基础型式的特征(如持力层与埋深的选择、地基与基础的整体强度、刚度、稳定性等)与具体地质条件、上部结构、周边环境等相适应程度的刻画。影响受力合理性的因素很多，既涉及到上部结构特征、周边环境及地质特性与地质的三维空间分布等诸方面因素，又涉及到诸基础型式本身的技术特性，是基础与地基及上部结构之间相互耦联、相互影响的复杂互动系统，这无疑给受力合理性性能指标规划带来了难度，为此我们在查阅有关专业文献及调研有关专家的基础上，对其进行了分解与规划，并将基础的受力合理性指标可分解为地基受力合理性、基础受力合理性及使用期间对周边建构筑物安全与稳定性影响等三个二级指标，而前者又可分解为持力层承载能力、地基变形与整体稳定性等方面的四个三级指标；基础受力合理性又可分解为基础对地质条件及上部结构特征的适应性、埋深选择合理性等三个三级指标，部分三级指标仍可继续分解为若干四级目标，由此建立的性能指标体系见图-1中相应部分。
2.3基础的抗灾变作用性能指标规划
强烈地震引起地基基础破坏的作用极其复杂，一般可概括为滑坡、强烈地震动、地基失效等三种[7]。其中，1)滑坡可分为两类[7]：山区地震滑坡和平原地震滑坡。前者通常可根据地震小区划图或专门的坡体稳定性分析结果，在建筑选址时予以避免，基础选型时不再考虑；对后者因其多发生在地基中存在有水平或倾斜的可液化土层、软弱夹层、及因地下水对土层浸蚀软化而形成的有潜在滑动面的较平坦的场地中，而不易发现，故在高烈度区的基础选型时，应对地基的可能滑移性能及基础的抗滑移性能等进行评价，并以二者的评价结果考虑选择合适的基础型式，以减小或避免该类危害。2)强烈地震动既是造成上部结构破坏的主要原因，也是诱发地基滑移、失效、基础破坏等的外部条件，前者可在上部结构的抗减震设计中考虑，后者可以设防烈度或地震动参数的形式在地基基础抗御震灾性能分析中考虑；3)在强烈地震时，地基失效及其引起的基础破坏种类有[9-11]：饱和粉细砂土液化引起的地基承载力丧失及不良地基(如软弱疏松土层、软流塑淤泥、杂填土及不均匀地基等)的沉陷、倾斜、水平位移等引起的基础沉陷、倾斜或局部破坏等。此外，对人防工程，尚应有抗爆炸冲击波等方面的性能要求。由上述分析即可根据目的-手段分析法将基础的抗灾性能分解为地基基础抗御地基液化、震陷与斜坡滑移能力，及基础本身的抗震与抗爆能力等三个二级性能指标。其中，前者取决于场地坡度、土质类型与空间分布、覆盖层厚、地下水位、设防烈度或地震动参数、基础种类及其抗御震害有效性等三个指标；基础的抗震性能取决于基础与地下结构的空间整体承载能力与整体刚度、及箱、筏、承台等与上部结构或桩等连接的有效性等二个性能指标。由此即可确定出基础抗灾性能指标体系(见图-1中相应部分)。
2.4基础施工方便性性能指标规划
高层建筑基础工程的施工深度、难度与工程量较大，工期较长（约占建筑总工期的20-40%[6]），质量控制困难，施工对周边环境影响及受地质与周边环境的约束也较大，选型时若不能充分考虑基础的施工性能，不仅将延长工期、增加施工费用，还将影响到施工质量及周边建构筑物的安全与稳定性，慎重地考虑高层基础施工的可行与方便性等问题更显日益重要。人们对基础施工性能的要求及施工性能的影响因素很多，由目标-手段分析法可首先将其分解为施工工期、施工质量控制与检测、施工期间的环境适应性要求等三个二级性能指标。其中，工期要求又可分解为基坑开挖与支护方便性、基础与支护结构的兼容性、地基处理快捷与有效性、基础施工效率与方便性等四个三级目标；施工质量控制与检测性可分解为地基方案及基础结构的施工难度、质量检测方便性等三个三级性能指标；施工的环境适应性要求可分解为施工对周边居民生活工作环境及周边建构筑物的安全与稳定、城市环境保护等三个三级性能指标，部分指标还可分解为若干四级指标。至此我们即规划出基础施工可行性性能指标体系（见图-1中的相应部分）。
2.5地下功能空间开发利用性能指标规划
为充分挖掘城市空间潜力，完善城市功能，开发利用城市地下空间已成为城市发展的必然趋势，现代高层建筑的基础正已越来越多地与一至四层的地下民用或人防结构所融合[12]。在基础型式选择时满足地下功能空间开发利用与可持续发展的性能的要求，已成为该类基础选型时的一个新的性能要求，一般地，该性能可分解为各类地下使用功能空间的适应性及地下空间防水、防渗漏性能适应性等两个二级性能指标，其中，前者又可分解为以大(大于150M2)中(30至150M2)型或中小(小于30M2)型民用空间为主的空间适应性及以人防要求为主、平战结合的综合性功能空间适应性等三个三级指标；后者可分解为防水等级、地下水头差等二个三级指标。由此即可确定出地下空间开发利用性能指标体系(见图-1中相应部分)。
2.6全寿命期经济有效性性能评价指标规划
高层建筑基础工程具有工程量较大、工程造价较高等特点，一般其造价约占建筑结构总造价的三分之一左右[12]，同时，基础工程作为隐蔽工程，一旦因型式选择不当而导致工程的性能缺陷、安全隐患或事故等时，将会给其维修、改造、加固等带来很大的困难与经济开支，特别是当遭遇破坏性地震时，抗震隐患的存在将会引起或加剧地基基础与上部结构的破坏，从而将增加整个建筑的抗震加固费用；当前基础的设计往往只重视初始的建造费用，而在将来的改造、维修、加固等费用上甘冒风险，初始建造费用的减少，往往将导致将来维护费用及遭遇地震时的损失与震后加固费用的增加；故在基础型式选择阶段，全面系统地预测、考虑全寿命期可能发生的各项费用，将对选择性能优良、经济合理有效的基础型式起到积极的促进作用。全寿命期的经济有效性指标一般可分解为基础工程预期建设费用及使用过程中的预期发生费用两个二级性能指标。其中，前者又可分解为预期地基处理、基坑开挖与支护、基础建造、地基基础检测与实验费用等四个三级性能指标；后者又可分解化为使用过程中地下空间预期改造与维护费用、预期中大震损失及加固费用、预期战时人防地下空间的加固费用等三个三级子性能指标，部分三级性能指标还可分为若干四级性能指标，由此可规划出全寿命期经济有效性性能指标体系（见图-1中相应部分）。
2.7性能目标体系的建立
通过上述对高层建筑地基基础方案优选的性能需求分析，我们首先规划设计了五个目标级性能指标，然后分别对五个性能目标进行了逐级结构分解，由此即可建立地基基础方案优选的整体性能目标体系模型（见图-1）。该模型既可用来指导地基基础方案的优选又可对其性能实施控制，但考虑到上部结构特征参数与地震地质及周边环境等的多样性，各方面对地基基础方案诸性能的需求也不会一承不变，故对于某一具体的工程，应结合其相应的客观条件对图-1做适当的增减和调整，并应进行完备性、针对性、主成份性、独立性、易评价性等方面的分析与检验。
3结论
该体系全面集成了社会、业主、上部结构、地质及周边环境等对地基基础的受力、防灾、施工、地下空间利用、经济性等诸性能的需求，赋予了高层建筑地基基础性能需求的新内涵，为在更广泛时空范围内考虑地基础方案的优选问题奠定了基础。同时，性能目标体系的建立，架起了需求与寻求实现需求的方法与途径之间的桥梁，为方案优选过程中需要进一步开展的备选方案产生、性能评价、优选决策方法等的研究指明了方向，同时也避免了传统基于经验选型方法的盲目性。
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