影响建筑施工的设计问题研讨
影响建筑施工的设计问题研讨 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14300m2， 占地面积52000m2，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92000m3。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。
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8200m2，地上2层，混凝土框架结构，屋面为钢结构;地下 1层，面积3698m2，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。
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。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。
2)青岛高新区创业中心工程建筑面积10万m2，地下2层、地上最高23层， 地基为安山岩强风化带。通过研究，确定将主楼周边的沉降后浇带于地下室完成、 主楼施工至10层时封闭，地下室提前3个月验收，使装修、安装施工提前插入， 缩短关键路线工期，节省模板支撑费用，经济效益显著。
3.2间歇式、后浇式 加强带间歇式加强带是与相邻下一施工段一起浇筑的方法，后浇式加强带 是在下一施工段完成7～14d后即可浇筑的方法。这2种方法既利用了后浇带的放，又利用了膨胀带的抗，是依据抗放结合原理实现混凝土无缝施工的方式。为了解 决间歇式加强带设计构造与施工工艺问题，结合奥运帆船比赛陆域停船区等10 余项工程进行了大量的现场试验和理论分析，使间歇式加强带与后浇带一起应用 的地下结构长度达到300～400m，在地上结构采用间歇式与后浇式加强带的长度 达218m，如表3所示。
间歇式、后浇式加强带可以与施工段的混凝土一起或提前浇筑，避免了后 浇带的保护和清理，也减少了渗漏的隐患，还能加快施工速度，具有较好的技术 经济效果。
4灵活运用钢结构解决制约工程的问题 在部分对混凝土结构工期制约较大的部位，灵活运用钢结构可以较大地加 快施工速度。造型复杂或大跨度、大空间的建筑，以及高层建筑屋面构筑物等大 多采用钢结构。
4.1青岛现代艺术中心屋面 青岛现代艺术中心(见图5)总建筑面积5万m2，地下1层，地上2层，局部1 层，混凝土框架结构，其造型是不规则的多曲面波浪形，曲线多，坡度起伏大， 造型复杂且不规则。屋面原设计为混凝土结构，后经多次论证，认为混凝土结构 由于模板定位、支设难度较大，而且模板一次性投入大，工期长，最终调整为钢 网架结构，屋面板为加气混凝土板。
4.2青岛广电影视剧场 该工程为3～4层的混凝土框架结构，屋面为网架结构，演播大厅四周设3 层悬挑的混凝土结构马道，如图6所示。由于工期紧且该区域安装、装饰项目多， 如能将四周悬挑的3层马道改为钢结构，既可避免厅内的高大模板支设，又能加 快框架结构的施工速度，方便屋面网架结构的安装，使安装、装饰项目得以提前 穿插施工。
4.3青岛高新产业区创业中心转换桁架设计 1)青岛高新区创业中心工程地下2层，地上共4个单体，A，B座为8.4m柱 网的框架核心筒结构，首层高度6m，标准层层高为4.2m。A座1层、B座5层为展 示大厅，大厅中央为满足大空间使用要求，不设中柱。为实现高层建筑物内部上、下层结构柱网的局部变化，A座2层/①～⑥轴、B座6层/～轴采用楼层同高的一道 型钢混凝土结构的转换桁架，如图7所示。
2)该工程转换桁架虽然数量不多，但施工难度大，对工程进度制约较大。
施工中经过方案优化，采用先安装型钢桁架，将下弦与5.95m标高楼板一起浇筑， 再将腹杆、上弦与10.15m标高楼板一起浇筑的方案。由于腹杆混凝土无法振捣， 选用了免振捣自密实混凝土。
3)设计优化探讨转换桁架的斜腹杆采用型钢结构，必须将其作为一个整体 进行施工，由于工序较多，而且型钢结构的安装及其四周的钢筋绑扎较为困难， 故整个转换桁架的施工时间较长，对结构施工的制约较大。如能将4根斜腹杆改 为钢结构构件，则上下弦杆可以分层操作，即下弦杆安装并与下层结构混凝土浇 筑后，再施工上弦杆及相应的水平结构，待混凝土达到强度等级后，安装钢腹杆， 整个转换桁架层的施工与普通混凝土结构基本相同，省去了转换桁架的工序，而 且避免了三维钢筋密集交叉绑扎，降低了现场作业的难度，缩短了工期。
5深化设计 工程建造过程中，需要施工企业对设计院施工图中不能涵盖的部分进行深 化设计。①施工图中不能直观表达，须由施工企业依据相关规范进行细化的部分， 如:复杂节点钢筋的排布，型钢混凝土节点，地面、墙面、屋面界格缝的设置， 机电设备管线的综合排布等;②由专业承包商进行深化设计的部分，如:基坑支护、 预应力结构、钢结构、幕墙及其他室内外精装修等。
5.1复杂梁柱节点钢筋排布与型钢混凝土节点 1)复杂梁柱节点与型钢混凝土节点的钢筋之间、钢筋与型钢之间纵横交错， 排布密集，设计院的施工图一般很难直观地表达其相互关系，往往需要施工企业 利用相关软件，在三维空间上明确其位置。通过对复杂梁柱节点钢筋和型钢混凝 土节点的深化设计，可以调整不合理的钢筋排布和型钢节点，明确钢筋的绑扎顺 序和混凝土的浇捣方式，提高工效和质量，方便施工。
2)某超高层建筑的型钢混凝土节点如图8所示，经过深化设计并与设计协 商，将梁顶部的第1排钢筋焊接在型钢柱的钢牛腿上，第2排钢筋与设置在型钢柱 的直螺纹套筒相连接，避免了底排钢筋焊接困难的问题。5.2钢结构的施工仿真 分析对于各种形式的大跨度、大空间以及超高层的钢结构，一方面施工荷载可能超过使用荷载，另一方面尚未形成完整的结构体系前，会导致结构产生过大的变 形甚至破坏。由于设计院进行的是使用状态的设计计算，因此需要施工企业根据 实际的施工工况对该类结构进行相应的计算分析，以确定是否应调整设计，并作 为编制施工方案的依据。青岛体育中心游泳跳水馆工程，形似贝壳，下部为钢筋 混凝土框架结构，屋面为130m跨度的钢网架。选择在比赛馆室内部分布置23个 格构式主拔杆和其他副拔杆及辅助吊点，分多步实施网架的扩展拼装和提升:① 以比赛池、跳水池、热身池为3个提升单元，分别进行网架的拼装，并独立提升 至±0.0m，如图9所示。②在±0.0m标高上，将比赛池和跳水池的网架拼装为1个 单元，该单元与热身池网架分别提升至8.4m标高，并扩大拼装成整体后，再依次 进行不同标高的扩展拼装和提升，直至网架的设计标高。③在室内网架拼装、提 升的同时，室外网架分5个单元进行拼装，然后再分别与室内网架进行对接。④ 室内外网架对接形成整体后，再分7步实施网架的卸载。为保证结构和施工的安 全，分同步、不同步和某一吊点失效3种情况，对上述工况进行详细的施工仿真 分析(见图10)。通过分析，调整了部分应力比超过0.8的杆件，并为拔杆布置、吊 点选择、提升机具型号确定、提升同步性差异控制值的确定提供了依据，使方案 得以顺利实施。
5.3装修工程的深化设计 1)玻璃幕墙、石材干挂、室内精装修等项目，一般需要由专业承包商进行 深化设计。该类设计往往在结构施工的后期进行，通常会造成预埋件无法埋设、 二次结构甚至结构的多处调整，影响工程进度，造成质量隐患。因此，建议该类 深化设计应提前至结构工程施工的前期。
2)结合设计院的施工图及规范要求，对地面、墙面、屋面等粗装修项目进 行位置和细部构造的深化设计(如界格缝、排气孔等)，既可以方便施工，又有利 于提高工程质量。
5.4管线综合平衡 1)随着建筑物功能的增多，室内各种机电管线的种类和数量也越来越多， 这些纵横交错的管线需要占用很大空间。然而，在设计过程中，给排水、电气、 暖通空调等专业普遍存在配合协调不足以及和建筑、结构等专业配合沟通不足的 情况，经常造成管道标高交叉严重，管道定位互相挤占空间等现象。在施工过程 中，受现场情况、施工顺序、设计人员不在现场等因素的影响，不可避免地会造 成返工、延误工期、增加成本、影响美观，甚至会影响建筑物的正常使用功能。因此，需要施工企业相关专业人员在施工前进行管线综合平衡的深化设计。
2)某工程一直径为150mm的消防管道与1.4m高的混凝土梁交叉，因消防专 业未与建筑、结构沟通，使管道无法穿梁。管道自梁下通过后，使该处的室内净 高由2.4m降为2.1m，极大影响了建筑的使用功能和美观。
6结语 1)由于设计、施工在建造过程中密切相关，只有设计与施工的充分结合才 能选择科学、合理的方案，加快施工速度、降低工程造价。
2)地下结构工程中的嵌岩短桩承载力的研究与应用、硬质岩体地基沉降后 浇带的设置，超长结构中间歇式加强带的研究与应用，以及岩体基坑地下室抗浮 问题的研究，能够有效地加快施工速度、降低成本、提高工程质量，避免工程事 故的发生。
3)除与设计单位密切协调，解决施工图中存在的问题外，施工企业还应提 前做好预应力结构、钢结构、装饰装修、机电设备安装等施工图的深化设计与二 次设计。对于大跨度、大空间及超高层钢结构，应结合施工工况进行详细的施工 仿真分析。