某工程结构优化设计及其对工程造价的影响

　　[摘要]结合一工程实际，分析了所采取的结构优化措施及其带来的造价上的影响，着重研究了特定土质及不同桩型情况下桩基对工程造价的影响，供结构设计同仁、造价工程师及决策层参考。

　　[关键词]工程造价；结构优化；纯桩基；空心方桩

　　1前言
　　建筑工程设计在优化时的重要依据是将工程造价控制在合理范围内，但在实际工作中，对工程造价的控制往往方法不当或力度不到位。目前大多数工程往往是事后被动审核(招标定标过程在一定程度上算是主动控制过程)，而忽略了方案、施工图阶段的同期介入，在设计这个重要阶段工程造价的控制工作往往没有得到充分的重视，对工程造价的控制过于滞后、缺乏有效性。其实，如能在前期决策阶段和设计阶段就事先主动参与，进行优化设计、特别是主体结构方案优化，则可产生巨大的经济效益，从而使工程项目既安全可靠，又经济实用。当然这需要工程各方特别是建设方的大力支持和设计、施工等各方的协助、配合。
　　本文拟通过某工程实际，着重分析了特定土质及不同桩型情况下，桩基结构优化措施对工程造价的带来影响，可供类似工程决策时参考。

　　2工程概况上海南汇某商城建筑，系二期工程，分为1号楼和2号楼，均为钢筋混凝土框架结构，总建筑面积151802。本文主要讨论其中1号楼的优化设计。1号楼为三层，建筑面积8980m2，平面尺寸约为68m×43．5m，典型柱网为8m×8．5m和lOm×8．5m，底层层高5．5m，2、3层层高均为4．5m。
　　该场地土为Ⅳ类，框架抗震等级为三级。地基基础的安全等级为二类，地基基础的设计等级为乙级。场地土层主要物理力学性质，其典型土层示意。
　　由于前期场地勘察深度未达到理想深度，设计时的桩端持力层是按⑤M层考虑j基础为纯桩基，选用的是预制钢筋混凝土方桩(04G361图集中之“JZHb．235—12．513B”桩)，桩长L=25．5m，桩底标高为一27．2m，单桩承载力设计值为575kN，共355根(含试桩)。经计算，最终沉降量为78．1mm。
　　该工程定标后，中标单位协商由我单位进行优化设计，由施工单位对场地土层进行补勘。补勘后的典型土层，新增的第⑤：层砂质粉土性质。

　　3桩基结构优化措施及其对造价的影响
　　3．1桩端持力层的选择对造价的影响地质补勘结果显示，第⑤：层砂质粉土的分布较深(未钻透)，力学参数十分理想，如其侧摩阻力标准值为60kPa，端摩阻力标准值为1800kPa，远高于⑤：层。比较了以第⑤：层和第⑤：
　　为桩端持力层时的单桩承载力设计值；并列出了以⑤：层为桩端持力层时，几种不同桩长下的单桩承载力设计值；列出了不同的桩长比值和单桩承载力比值。
　　可知，当桩端持力层进入第⑤：层后，承载力显著增大。可很直观的看出，按每米桩长贡献的承载力大小进行了比较，桩长35m应该最经济。当然，实际布桩时应结合上部荷载确定桩数。经过实际布桩比对，确认L=33．5时为最经济的桩型。桩底标高为一35．2m，单桩承载力设计值为990kN，实际布桩195根(含试桩)。经沉降计算最终沉降量仅为13．8mm。

　　3．2相同地质条件、不同桩型对造价的影响当前建筑市场上有预制方桩、PHC预应力管桩和先张法预应力混凝土空心方桩。由于先张法预应力混凝土空心方桩采用预应力钢筋和空心桩段，使其成本比同类实心方桩节省10％左右，当工程中使用的桩数量大时，节约的桩基费用还是很可观的。
　　本工程实际优化设计过程中，曾考虑采用PHC管桩，并对相同条件下不同桩型的单桩承载力设计值进行了比较。尽管q：，400PHC管桩比b x h=350×350的预应力空心方桩单位长度造价基本持平，但承载力后者要比前者大了约10％。如前所述，在布桩时，应结合上部荷载确定桩数，而本工程单桩承载力设计值在990kN时为最经济的。同时，经实地考察，发现预制空心方桩的质量总体均能满足要求。另外，鉴于⑤层土质比较坚硬，为沉桩(即打桩过程)顺利，设计方要求加做桩尖，同时要求沉桩尽量采用静压法施工，防止锤击导致桩头损坏。

　　鉴于以上所分析的桩的经济性、桩身质量和沉桩可行性等理由，最后还是选用了TKFZ．350(220)预应力空心方桩。
　　提下往往试桩和工程桩一同施工，最后试桩的单桩承载力满足设计要求即可。这样可能有三种后果：
　　一是单桩承载力刚好满足设计要求，那最理想；二是单桩承载力高于设计要求较多，本来可以优化节省，但因为事先沉桩已完成，没法节约；三是单桩承载力不满足设计要求，需补桩或另行地基加固，反倒费时费力，得不偿失。所以有条件的情况下还是应尽量先试桩确定合理承载力和桩长。
　　本工程为取得实际单桩承载力，要求先试打桩。

　　没想到打第一根桩离设计标高还有3．2m时就打不下去了，而此时压桩机压力表读数已达1720kN。设计、施工、监理单位立即组织现场复核，结果确认承载力计算无误，施工也无问题。为此，决定在相邻柱和远端柱处再打五根桩(桩位系按⑤：层顶各有代表性标高选定)，情况大致相似，仅有一根桩压到了设计标高。
　　出现上述况后，工程相关单位会商后认为，按设计的要求33．5m桩进入⑤：层应该为3m，尽管实际沉桩比设计桩长短约1—2m，但桩端肯定已进入了持力层1～2m；而此时相应的压桩机压力表读数已经达到1700—1800kN，经过间歇期后试桩荷载可以比压桩时更大。在此情况下，相信桩的承载力能达到设计要求。

　　分析出现上述情况的原因是由于本工程第④层淤泥质粘土厚达9m多，按规范要求其下各土层承载力均需折减，而压桩时的实际侧摩阻力并未因人为的折减而减少。这样就很好理解为什么实际压桩压力高于设计理论计算值较多得问题。笔者按折减前的参数进行了复核，发现当桩长为31．5m时，单桩承载力设计值可达1022kN；当桩长为32m时极限承载力可达1689kN(设计值可达1055kN)；当桩长为32．5m时极限承载力可达1742kN(设计值可达1088kN)。以上计算已考虑暗浜的不利影响。此时理论计算值和压桩机压力较为接近。故可确定桩压不到设计标高的原因基本上是由于实际土层力学性能较好，单桩摩阻力已能满足承载力要求所致。
　　综合各种因素，最后确定桩长为31．5m。

　　3．4桩数随承台截面及配筋的变化对造价的影响尽管单桩承载力显著提高，但由于桩数相应减少，使得每个承台底部弯矩比原设计还是有所减少，同时承台配筋也有所减少。优化前后承台尺寸和配筋的比较。

　　4结束语
　　综上所述，在特定情况下，结构优化对工程造价的影响非常大。结构优化的措施要根据工程的实际状况而定，通常情况下，在设计初期即应该进行结构方案比对、确定优化后的结构措施。本工程的地质情况比较特殊，⑤：层土质特别好，之前的勘察由于非技术原因未能揭示；而后来则充分利用其进行优化，取得了很好的经济效果。当然结构设计安全第一，结构优化的措施应综合考虑结构安全可靠、经济合理、施工便利以及工期的限制等诸多因素后方可付诸实施。本文旨在抛砖引玉，望更多设计同仁总结宝贵经验，以飨读者。