理论教育 建筑构造技术发展演变:基础的变化及其关联性

建筑构造技术发展演变:基础的变化及其关联性

时间:2023-10-06 理论教育 版权反馈
【摘要】:要素的变化是连锁的,就像框架的独立引起了围合体的分离,高度和跨度的增加也使得“基座”得到了新的发展。基础的强度不仅和加固地基的方法有关,还和基础埋深、基础结构的类型密切相关。随着框架结构的发展,出现了独立基础。尽管基础在重型结构领域不断趋向大型化和整体化,在轻型结构领域,基础却变得更加轻盈。为了获得更灵活的可变性,体现极致的轻,从干阑式建筑中发展出来的“撑脚式”基础成为轻型建筑中常见的构造技术。

建筑构造技术发展演变:基础的变化及其关联性

要素的变化是连锁的,就像框架的独立引起了围合体的分离,高度和跨度的增加也使得“基座”得到了新的发展。从更严谨的角度来说,基座并不是一个必然的建造要素,比如在底层架空的建筑中,就没有基座这个要素,但无论落地还是架空,基础是建筑承载系统中必不可少的构造要素,这个最隐蔽的要素是建造最关键的技术要点之一。作为建筑与大地最直接的连接,基础是建筑的“根本”,基础将建筑的全部荷载传递给地基,在结构上基础的重要性是不言而喻的。而由于基础最终要将力传导到地基,因此,基础构造不仅需要考虑荷载对基础构件的耐力,还需要考虑地基本身的承载力(图2-80)。

图2-80 从分离到融入,建筑与大地的几种基本关系

资料来源:自绘

对于传统建筑来说,由于体量有限、质量较轻、垂直荷载与水平荷载都比较小,因此基础工程比较小,一般可以选用具有一定地耐力[63]的天然土层,如岩石、碎石、砂石、黏性土等作为天然地基,基础的埋深一般也不是很深。由于石材分布广泛,抗压强度高,并且抗冻、防水、防腐蚀,因此毛石基础成为传统建筑中最常用的基础构造形式,在砖出现之后,砖基础以及与灰土(三合土)基础的组合基础成为通用的基础构造方式。

当建筑的体量不断增加,基础承载力要求不断提高之后,天然地基与浅埋深的方式就不再满足抵抗更大水平与垂直荷载的要求,因此新的建筑形式需要更坚固的基础构造来解决更复杂的荷载承受问题。首先,天然地基在多数的情况下不能满足建筑荷载的地耐力需求,就需要通过人工处理的方式进行加固,如压实法、换土法与桩基法。前两种主要着重于对地基土的处理,是从古至今延续下来的基础处理方法,现代化的机械使得压实法和换土法的效率和质量都有了更进一步的提高。不过,真正提升基础承载力的还是第三种桩基法。弗雷德里克·鲍曼(Frederick Baumanm)的《独立桩基础理论》对解决高层建筑的基础问题做了重要贡献,并进一步推动了摩天楼的发展。桩基的原理是通过柱形的桩,穿过十几米甚至几十米的软土层,直接支承在坚硬的岩石上(端承桩)或者利用土与桩之间表面摩擦力(摩擦桩)来支承建筑荷载。

基础的强度不仅和加固地基的方法有关,还和基础埋深、基础结构的类型密切相关。基础的埋深并不是越深越好,需要考虑合适的承载力、经济以及基础耐久性等多方面因素。在满足承载力的前提下,选择良好的天然地基,争取做浅基础可以有效地减少基础的造价,同时,对地质条件(土层结构、地下水位、冰冻线等)的勘察也是基础构造的重要影响因素。即使因为荷载承载力较大,而不得不选择深基础的做法,也需要考虑合适的基础构造类型,先进的基础构造技术不仅可以降低基础造价,还可以实现复杂工程的荷载支撑(图2-81)。

图2-81 针对不同地质条件基础的构造策略

资料来源:樊振和.建筑构造原理与设计[M].天津:天津大学出版社,2009:76,80,81,82(www.daowen.com)

图2-82 多样的基础形式

资料来源:樊振和.建筑构造原理与设计[M]天津:天津大学出版社,2009:76,80,81,82

早期的建筑由于多采用墙体承载方式,因此条形基础是最常见的。随着框架结构的发展,出现了独立基础。为了解决独立基础的不均匀沉降,又产生了通过联系梁将独立基础联系在一起,形成了柱下条形基础。柱下条形基础就如同地面的框架结构一样,通过纵横连接加强了基础的整体性。随着建筑高度、体量的不断增加,强度更高的整体式基础如筏式基础和厢形基础构造技术也应运而生(图2-82)。整体式基础不仅具有之前基础结构类型的综合优点,还有着一些前者所不具备的独特功能:比如适于在松软的地基上承载重型建筑,增强建筑的整体抗震性,可以提供宽敞的地下使用空间,拥有多种使用功能,增加空间利用率等。当然,整体式基础的施工复杂性和造价也是较高的,比如由OMA事务所设计的中国北京中央电视台总部大楼,由于其特殊的结构形式,不仅要抵抗风荷载、地震荷载,还要抵抗巨大的悬挑形成的倾覆作用。为此,工程师采用了12万m2超厚大体积筏式基础来支撑建筑,基础工程的规模和施工难度在近年的建筑工程中都是罕见的。

尽管基础在重型结构领域不断趋向大型化和整体化,在轻型结构领域,基础却变得更加轻盈。为了获得更灵活的可变性,体现极致的轻,从干阑式建筑中发展出来的“撑脚式”基础成为轻型建筑中常见的构造技术。建筑主体可以被轻盈的平台整体抬高脱离地面,平台的支撑可以根据建筑的荷载由各种不同形式的独立式金属基础构件实现。这些基础构件不仅轻巧,还可以在一定范围内调节高度以适应场地,减少了场地的平整工程(图2-83)。

图2-83 轻型建造系统中灵活的基础撑脚

资料来源:自摄;赵虎提供

不管是重型建筑与大地的融合,还是轻型建筑与大地的分离,基础的进化都反映了建筑对于强度、耐久性、建造的经济性乃至空间延展性等诸多要素的探讨。作为建筑的“末端”但同时又是建造的“开始”,不论是隐性或是显性,我们都不应当忽视基础的处理原则以及与场地具体的可能性,它应当和上层的建筑形态、质量的设计息息相关。

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