首创丽泽金融商务区F02和F03 (一期工程) 及F05 (二期工程) 地块位于北京市丰台区丽泽金融商务区核心区, 是集办公、商业、酒店、公寓和地下停车厂于一体的城市综合体。本文主要介绍F02和F03地块建筑的基础设计。F02和F03地块地上建筑面积31.99万m², 共建3栋超高层塔楼 (塔楼F02-1, F02-2及F03) , 塔楼之间由5层商业裙房连接;地下共4层, 相连为整体地下室, 地下建筑面积12.969万m²。地上建筑实景详见图1;3栋超高层塔楼F02-1, F02-2及F03高度及平面位置详见图2。

　　 塔楼F02-1及F02-2为框架-核心筒结构, 采用平筏基础;塔楼F03为框架-核心筒结构, 采用梁板式筏板基础;商业及纯地下车库为框架-剪力墙结构, 采用独立柱基或墙下条基加抗水板。

　　 本工程实施时正值北京丽泽金融商务区准备大力建设时期, 是商务区内最先施工、最先竣工的项目, 故本工程地基基础方案应力求性能可靠、施工方便、经济可行, 这将对整体商务区的后续大规模开发建设起到引领和示范的积极作用, 并将带来广泛的社会效益, 可谓意义重大。

　　 依据《丽泽金融商务区F02地块岩土工程勘察报告》《丽泽金融商务区F02地块补充勘察岩土工程勘察报告》《丽泽金融商务区F03地块岩土工程勘察报告》《丽泽金融商务区F03地块补充勘察岩土工程勘察报告》, 拟建场地表层为第四系全新统 (①人工堆积层) , 其下依次为新近沉积层 (②黏质粉土粉质黏土层) 、一般第四纪冲洪积层 (③～⑦卵石层) 、古近系基岩 (⑧砾岩层) 。地层及地基承载力标准值详见表1。

　　 依据2.1节所述的工程勘察资料, 拟建场地实测揭示存在一层潜水, 观测时水位埋深24.84～25.32m, 水位绝对标高19.38～19.68m, 含水层主要为⑤～⑦卵石层及⑧砾岩层。历史最高水位绝对标高:1959年为43.00m;1971～1973年为40.00m;近3～5年为22.00m。依据《丽泽金融商务区F02, F03, F05地块抗浮设防水位咨询报告》, 本工程抗浮设防水位绝对标高为35.50m。

　　 在设计中结构地基的形式主要有两种:一种是放置于天然地基上的筏板、独立柱基及条基;另一种桩基础。对于超高层建筑, 从目前所了解的情况看, 当其高度达到200m时, 基本都采用桩基础形式, 但桩基础不是唯一的超高层建筑基础方案。超高层建筑基础选型应根据实际地基土的情况来具体分析, 若地基土的承载力、变形均能满足要求, 可以选择放置于天然地基上的筏基 (塔楼) 、独立柱基 (裙房) 及条基 (裙房) 方案。一般来说, 后者不论综合成本还是工期均明显优于桩基础。

　　 依据2.1节中的勘察报告, 本项目持力层为一般第四纪冲积层中的④卵石层及⑤卵石层, 其地基承载力标准值不低于500kPa, 且卵石层压缩性低、密实、分布连续, 基底以下为厚度超过20m的巨厚卵石层, 卵石层下为稳定基岩——砾岩, 土层条件良好, 故本工程拟采用天然地基。槽底绝对标高23.67m处于④～⑤卵石层之间。基础平面布置图见图3。

　　 本工程塔楼与裙房荷载差异巨大, 塔楼采用天然地基基础方案需同时满足地基承载力强度要求及地基变形要求。地基变形控制基于地基土-基础-结构相互作用原理并应用变刚度调平设计方法, 以解决塔楼沉降及塔楼与裙房沉降差问题。

　　 依据《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》 (DBJ 11-501—2009) ^[1] (简称北京地基基础勘察规范) 第7.3.7条公式 (7.3.7) 及第7.3.8条第3款, 深宽修正后的地基承载力标准值的计算分为两种工况, 即不考虑水浮力作用和考虑水浮力作用, 具体计算公式如下:

　　 $f{}_{\text{a}}=f{}_{\text{k}\text{a}}+\eta {}_{\text{b}}\gamma (b-3)+\eta {}_{\text{d}}\gamma {}_0(d-1.5)(1)$

　　 式中:f_ka为地基承载力标准值, kPa;η_b, η_d为基础宽度及深度的承载力修正系数;γ, γ₀为基础底面以上、以下土的平均重度, 其中地下水位以下为浮重度, kN/m³;b为基础底面宽度, m;d为基础埋置深度, m。

　　 以F03塔楼为例来介绍天然地基承载力验算。 F03塔楼基础底面的平均压力分布见图4, F03槽底绝对标高21.52m。

　　 考虑塔楼核心筒外楼层对核心筒区域基础侧限的削弱影响, 深度修正后的基础埋深d取楼层自重折算成的土厚度23m。

　　 不考虑水浮力因素影响的地基承载力验算:

　　 $\begin{array}{l}f{}_{\text{a}}=500+3\times 11\times 3+4.5\times 20\times (23-1.5)\\ =2534\text{k}\text{Ρ}\text{a}>1400\text{k}\text{Ρ}\text{a}\end{array}$

　　 故地基承载力满足要求。

　　 考虑水浮力因素影响的地基承载力验算:

　　 $\text{水}\text{浮}\text{力}F=(35.5-21.52)\times 10=139.8\text{k}\text{Ρ}\text{a}$

　　 γ₀取浮重度11kN/m³, 则有:

　　 $\begin{array}{l}f{}_{\text{a}}=500+3\times 11\times 3+4.5\times 11\times (23-1.5)\\ =1663.25\text{k}\text{Ρ}\text{a}\\ f{}_{\text{a}}+F=1663.25+139.8\\ =1803.05\text{k}\text{Ρ}\text{a}>1400\text{k}\text{Ρ}\text{a}\end{array}$

　　 故地基承载力满足要求。

　　 考虑裙房对塔楼基础侧限的削弱影响, 深度修正后的埋深d取裙房楼层自重折算成土厚度5m。

　　 不考虑水浮力因素影响的地基承载力验算:

　　 $\begin{array}{l}f{}_{\text{a}}=500+3\times 11\times 3+4.5\times 20\times (5-1.5)\\ =914\text{k}\text{Ρ}\text{a}>495\text{k}\text{Ρ}\text{a}\end{array}$

　　 故地基承载力满足要求。

　　 考虑水浮力因素影响的地基承载力验算:

　　 $\text{水}\text{浮}\text{力}F=(35.5-21.52)\times 10=139.8\text{k}\text{Ρ}\text{a}$

　　 γ₀取浮重度11kN/m³, 则有:

　　 $\begin{array}{l}f{}_{\text{a}}=500+3\times 11\times 3+4.5\times 11\times (5-1.5)\\ =772.25\text{k}\text{Ρ}\text{a}\\ f{}_{\text{a}}+F=772.25+139.8\\ =912.05\text{k}\text{Ρ}\text{a}>495\text{k}\text{Ρ}\text{a}\text{且}>790\text{k}\text{Ρ}\text{a}\end{array}$

　　 故地基承载力满足要求。

　　 3个塔楼的天然地基承载力验算结果汇总如表2所示。由表2可见, 深宽修正后的天然地基承载力满足要求。

　　 在方案阶段也针对F02-1及F03两栋较高的塔楼按桩基础方案进行了测算分析, 测算采用的桩基础参数如下:采用后压浆钻孔灌注桩, 桩径1 000mm, 桩长20m, 桩端持力层选择⑦卵石层。

　　 测算结果显示, 桩基础在综合成本和工期上均比天然地基筏板基础有大幅增加, 特别是工期。以F03塔楼为例, 如采用桩基础, 则需要设置约220根工程桩, 为此工期将比采用天然地基筏板基础增加约90d。据业主反馈, 90d工期对应贷款利息超过1.8亿, 因此采用天然地基筏板基础经济效益巨大^[2]。

　　 综上所述, 采用天然地基筏板基础方案, 以一般第四纪冲洪积层④卵石层及⑤卵石层作为塔楼持力层, 可以满足地基承载力要求, 并且在综合成本及工期方面比采用桩基础有巨大优势。此外, 本项目槽底以下为巨厚卵石层, 勘察揭示卵石粒径在30～80mm, 偶见粒径达到280mm以上, 如采用桩基础, 在施工时桩基础成孔非常困难。因此, 在满足地基变形要求的前提下, 各塔楼基础采用天然地基筏板基础。

　　 本项目塔楼与裙房高度相差悬殊, 荷载差异极大, 采用变刚度调平设计方法进行基础设计, 控制塔楼与裙房沉降差是设计的关键内容。根据北京地基基础勘察规范第8.7.1条内容, 为减小塔楼与裙房沉降差, 对塔楼与裙房基础设计采取以下措施:

　　 (1) 减小高层建筑的沉降量:本项目塔楼持力层为一般第四纪冲洪积层④卵石层及⑤卵石层, 压缩量低, 层厚度大于4m, 满足北京地基基础勘察规范第8.7.1条第1款要求, 同时塔楼筏板基础边界及其核心筒厚筏板区域边界进行了外扩, 以增大基底面积, 减小基底压力。

　　 (2) 加大裙房基础沉降量:本项目在裙房区域采用柱下独立基础及墙下条基并加设整体抗水板的基础方案, 并通过采用较高的地基承载力, 以最大限度减小裙房基础尺寸, 增加裙房基础沉降量。

　　 室内柱、墙基础埋置深度d的取值, 北京地基基础勘察规范有两种方式:1) 一般情况下均可依据此规范第7.3.8条第2款, 室内柱、墙基础埋置深度$d=\frac{3d{}_1+d{}_2}{4}$;其中, d₁为基础室内埋置深度, m;d₂为基础室外埋置深度, m;d₁和d₂计算示意见图5。2) 当地下室具有整体防水板时, 还可依据此规范第8.7.1条第2款, 室内柱、墙基础埋置深度$d=\frac{d{}_1+d{}_2}{2}$。

　　 本工程裙房柱下独立基础或墙下条基的基础底相对标高为-21.150m, 建筑地下室地面相对标高为-19.800m, 故d₁=21.150-19.800=1.350m, 设计室外地面标高为-0.100m, 故d₂=21.150-0.100=21.050m。按公式 (1) , 深宽修正后的地基承载力标准值计算如下:

　　 (1) 根据北京地基基础勘察规范第7.3.8条第2款, 基础埋置深度d=$\frac{3d{}_1+d{}_2}{4}$=6.275m, 仅考虑深度修正的地基承载力标准值为:

　　 $f{}_{\text{a}1}=500+4.5\times 18\times (6.275-1.5)=886.78\text{k}\text{Ρ}\text{a}$

　　 (2) 根据北京地基基础勘察规范第7.3.8条第2款, 基础埋置深度$d=\frac{d{}_1+d{}_2}{2}$=11.20m, 仅考虑深度修正承载力标准值为:

　　 $f{}_{\text{a}2}=500+4.5\times 18\times (11.2-1.5)=1285.7\text{k}\text{Ρ}\text{a}$

　　 由此可见, 按北京地基基础勘察规范第8.7.1条第2款计算基础埋置深度所对应的深度修正后的地基承载力标准值f_a2, 是按此规范第7.3.8条第2款对应结果f_a1的1.45倍, 深度修正后的地基承载力标准值f_a2比f_a1增大398.92kPa。因本工程设置了整体防水板, 满足应用第8.7.1条第2款的前提条件, 为了减小裙房的基础尺寸, 增大裙房基础的沉降量, 采用北京地基基础勘察规范第8.7.1条第2款计算基础埋置深度及其对应的深度修正后地基承载力标准值, 以此确定裙房基础的底面面积。典型柱下独立基础的底面面积对比见图6。

　　 从图6中可以看出, 按北京地基基础勘察规范第8.7.1条第2款, 计算所得到的基础尺寸和按此规范第7.3.8条第2款计算结果相比, 基础边长减小700mm, 基底面积减小5.39m², 基底面积约减小30%。

　　 本工程应用有限元计算软件PLAXIS 3D 2013, 通过地基土-基础-结构相互作用进行高层建筑与裙房及地下车库差异沉降计算分析, 并根据地基变形分析结果对基础设计进行调整, 最终达到控制塔楼沉降量、调平塔楼与裙房差异沉降的设计意图。

　　 初步设计阶段在进行地基变形数值分析时, 基础刚度只考虑基础底板刚度, 其中F03塔楼的梁筏式基础简化成厚筏板, 外墙和内墙只考虑一层地下室刚度。计算结果见图7。

　　 分析结果显示, F03塔楼的最大沉降量略大于北京地基基础勘察规范第7.4.4条“长期最大沉降量限值为60mm”的规定限值。F02-2塔楼东侧、F03塔楼北侧和西侧差异沉降不满足《建筑地基基础设计规范》 (GB 50007—2011) ^[3]第8.4.22条“带裙房的高层建筑下的整体筏形基础, 其主楼下筏板的整体挠度值不宜大于0.05%, 主楼与相邻的裙房柱的差异沉降不应大于其跨度的0.1%”的规定。

　　 在后期的施工图设计中, 根据初步设计阶段的地基变形数值分析结果, 主体结构基础进行了有针对性的调整:1) F03塔楼北侧柱墙结构基础由平板式筏基调整为独立基础 (含条基) +抗水板方案;2) F02-2塔楼东侧以及F03塔楼西侧将塔楼筏板基础范围外扩至外墙, 并将基础梁伸至外墙。

　　 主体结构基础调整后, 再次进行地基变形数值分析。数值分析建模过程中考虑基础底板、地下室4层楼板、墙及F03塔楼区域柱的刚度, F03塔楼基础按梁筏式基础建模计算并考虑F03塔楼周边独立柱基的刚度。计算结果见图8及表3。

　　 分析结果显示各塔楼最大沉降量均较小, 最高的F03塔楼最大沉降量小于60mm;各塔楼筏板挠度值和局部最大差异沉降计算值均小于地基变形允许值, 满足规范要求, 且变形最大点集中于塔楼核心筒中部, 长期荷载作用下F02-1, F02-2塔楼边柱沉降量不到25mm, 边柱与第一跨框架柱基础沉降差最大值小于10mm。因此在设计中取消了F02-1, F02-2塔楼与裙房间的沉降后浇带;F03塔楼与裙房的沉降差虽然也能满足要求, 但由于高度较高, 为谨慎起见保留了塔楼与裙房之间的沉降后浇带。

　　 首创丽泽金融商务区F02, F03地块建筑是目前国内采用非岩石天然地基的最高建筑。设计过程中, 通过地基基础协同设计对地基变形进行了数值定量分析, 并根据其计算结果对基础设计进行有针对性的调整以使得地基变形满足规范要求。同时, 本工程根据最终地基变形计算结果取消了F02-1, F02-2塔楼与裙房间的沉降后浇带。以上设计成果在国内相关领域较为罕见, 因此在施工阶段进行了钢筋应力监测、土压力监测以及沉降监测, 以便通过试验数据来验证地基基础协同设计成果。

　　 钢筋应力监测试验是通过在钢筋上粘贴应变片来实现对钢筋应变数据的观测, 并最终换算成应力数据。土压力监测是通过在基底或者独立柱基底部埋设压力盒来完成对土压力数据观测。沉降监测点集中布置于塔楼区域的核心筒下及其周圈框架柱底四周以及塔楼与裙房交界处裙房一侧的第一跨内, 并通过定期测量来获取地基基础沉降数据。

　　 实地观测过程中由于检测单位频繁更换人员导致监测数据失真, 最终导致钢筋应力监测、土压力监测以及沉降监测结果异常。为此虽然进行了数据挽救工作, 但钢筋应力检测和土压力检测数据缺失损毁严重无法计入试验成果;对于沉降观测, 一直到最高的F03塔楼封顶之际才将观测方法调整到基本合理, 观测结果基本合理可信, 第56次 (约封顶后一年) 观测结果形成的沉降云图如图9所示^[2]。依据结果判定F03塔楼沉降达到了稳定, 并且要求做后续监测以补救前期数据的缺失。

　　 因本工程沉降资料的缺失, 搜集了同一项目后施工的二期工程F05地块沉降资料作为参考。图10为后施工的F05地块主体结构封顶后的沉降云图^[2]。F05地块塔楼与F02-1塔楼高度相同, 且为本项目二期工程, F05地块塔楼位置与F03毗邻并采用了与一期工程同样的设计思路及方法, 其沉降观测结果具有参考验证价值。

　　 从观测结果上看, 同一项目二期工程的F05地块除局部最大沉降量为29mm外, 与一期工程沉降观测结果相近, 间接验证了本项目一期工程地基基础协同设计达到了预期目的。目前本项目已经竣工并投入使用, 甲方反馈运营情况良好, 没有出现任何问题, 这也是对设计本身的一种验证。可见, 高度达到200m的超高层建筑采用天然地基对于本工程来说是安全可行的。

　　 (1) 超高层建筑达到200m高度时, 根据其持力层特点和性质也可以采用放置于天然地基上的基础方案。采用天然地基基础方案在工期和综合成本上比桩基础有较大优势, 工期缩短可为业主节省巨额金融信贷成本。

　　 (2) 超高层建筑主楼与裙房荷载差异悬殊, 主楼部分基础应设置在低压缩性土层上, 并应扩大基底面积以减小基底压力, 进而减小沉降量。同时, 应采用较高的基底承载力计算裙房基础, 在满足北京地基基础勘察规范对地基基础变形要求的前提下, 减小裙房基础尺寸, 增加裙房基础的沉降量, 以减小主楼与裙房沉降差。

　　 (3) 基于地基-基础-结构相互作用原理, 利用可靠的分析手段, 并在合理考虑主体结构地下室刚度及基础刚度的前提下得到地基变形结果, 从而能正确预测地基基础沉降变形特征。

　　 (4) 当地基变形满足北京地基基础勘察规范相关要求且数值较小时, 超高层塔楼 (本工程F02-1塔楼高度达到150m) 与裙房间的沉降后浇带可以取消。这将大幅缩短工程的整体工期, 为业主节省巨额金融信贷成本。同时混凝土一次性浇筑可避免在后浇带处出现薄弱环节, 提高工程质量。

　　 高度达到200m的超高层建筑采用非岩石类天然地基在国内实属罕见, 在实施过程中其钢筋应力的检测数据及基底土压力的检测数据是总结同类结构基础选型的经验及规律所需的关键性数据。建议试验前应协助业主认真、慎重选择试验单位, 尽可能选择具有丰富沉降观测经验的试验研究团队, 避免造成难以弥补的数据损失。