魏勇、王桂云等-国家大剧院舞美基地项目地基基础设计.pdf

第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 国家大剧院舞美基地项目地基基础设计 魏勇，王桂云，方云飞，张徐，孙宏伟 （北京市建筑设计研究院有限公司，北京100045） 摘要：国家大剧院舞美基地项目是一个综合性建筑群.

合成剧场、演员住宿楼、艺术交流楼通过地下车库在地下 室连为一体.

基础形式复杂，标高关系复杂，荷载差异大.

地基土的承载力较低，压缩模量较小.

本项目是一个 复杂的地基基确设计工程，差异变形控制是设计难点.

采用Plaxis3D 2013专业软件进行考虑土-结构共同作用 的基础沉降有限元分析.

采用变刚度调平思想设计CFG桩复合地基.

采用短桩CFG桩方案优化交流中心地基基础， 减小差异沉降，节省工程造价.

最终设计结果表明，总沉降量和差异沉降均满足规范要求.

关键词：梁板式復形基础：CFG桩复合地基：沉降差：方案比选 1.工程概况 国家大剧院舞美基地项目位于北京市通州区台湖镇.

是一座集艺术创作、剧目排演、舞美布景和道具 制作、服装设计、舞美展示及收藏为一体的综合性建筑群，建筑总面积约6万平米.

包括合成剧场、演员 住宿楼、艺术交流楼、制作车间、散装库房及舞美设计楼、集装箱库房（共两栋）等7个地上单体建筑及 地下车库.

建筑平面布置及效果如图1和图2所示.

合成剧场、演员住宿楼、艺术交流楼通过地下车库在 地下室连为一体.

本文主要讨论合成剧场、演员住宿楼、艺术交流楼整体地下室的地基基础设计.

图1建筑平面布置图 图2建筑三维效果图 合成剧场地上6层、地下1层，结构高度38.0m.

演员住宿楼地上16层，裙房地上2层，地下1层， 主楼结构高度52.84m，裙房结构高度10.25m.

艺 艺术交流中心 术交流楼，地上2层，局部3层，局部1层地下 室，结构高度15.4m.

上部结构主体采用钢筋混凝 土框架-剪力墙结构体系，局部屋面及造型采用钢 合成剧场 结构：上部结构嵌固于地下室顶板（有地下室区域） 地下车库 或拉梁顶面（无地下室区域）.

上部结构模型如图 演员住宿楼 3所示.

图3结构计算模型三维示意图[SATVE] 2.工程地质条件 作者简介：魏勇，1980年5月出生，男，工学博土，高级工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 根据岩土工程勘察报告，拟建场地勘探深度范围内（最深36.50m）的地层，按其成因类型、沉积年代 划分为人工堆积层及第四纪沉积层两大类，并按其地层岩性及其物理力学数据指标进一步划分为7个大层 及亚层.

土层参数见表1.地基土性状整体较差，大部分为深厚的粉质粘土，地基承载力普遍较低 （110~120kPa），压缩模量较小.

表1土层岩性及物理力学数据表 土层 层底标高 平均层厚 天然密度 粘聚力 内摩擦角 压缩模量 E (MPs) 阻 增阻 承载力 岩性 (m) (m) p(g(m) C(kPs) () P -P P P P -Pao Fna aPa) 9px aPs) fα (xPa) 黏质粉土素填土 粉质积土素项土 20.46 1.47 - - - 房渣土 ~22.93 - - - 粉质砂土-粘质粉土 17.01 1.98 15 24.8 99 11.6 - 55 - 190 ② 粉版粘土-重粉质粘土 19.57 3.66 1.92 19.5 9.3 4.6 5.7 40 110 粉砂-细砂 1.80 0 24 50 180 ③ 粉版粘土-重粉质粘土 11.56 1.95 19 10.2 5.4 6.3 7.6 45 - 120 ③ 粉质粘土-砂质粉土 14.24 5.30 2.01 19 16.3 8.2 10.1 114 55 180 ③: 细砂-粉砂 1.85 0 26 25.0 60 200 ④ 粉版粘土-重粉预粘土 1.96 30 15 7.5 8.3 10:8 50 00 160 ③ 粉质粘土砂质粉土 5.84 4.79 2.07 15 31.3 10.6 12.1 60 800 200 ④: 粘土 13.54 1.86 40 10 5.4 62 45 120 粉砂-细砂 0 60 00 260 细砂-中砂 0 32 65 900 320 6 砂质粉土-粉质粘土 -0.01 3.63 2.03 15 23 19.6 21.5 24.4 70 750 220 粉版粘土-重粉质粘土 ~8.93 1.95 30 10 6.7 7.5 55 140 6 0 34 55.0 100 1200 360 @ 粉所粘土-粘质粉土 4.54 1.98 36 18.1 10:7 11.6 60 800 200 船土-重粉近粘土 5.15 294 1.88 40 12 6.9 74 55 - 150 粘质粉土-砂质粉土 2.08 35 26 00 21.7 - 70 1000 220 中砂-细砂 -13.39 5.94 - 0 32 - - 65 1500 340 粉质粘土-粘质粉土 -6.54 - - - - 说明：表中q为桩的极限侧阻力标准值：q为桩的极限端阻力标准值：f为承载力特征值.

本工程土0.000=24.600m（绝对标高），地质勘探钻孔孔口处标高为22.96~24.04m左右，自然地面低于 室外设计标高，会有较多的回填土.

由于回填土的影响，抵消了部分深宽修正对承载力提高的贡献，并带 来了较大的附加应力.

场区目前为空地.

根据地质勘查结果和区域地质调查资料，拟建场地不存在影响场地整体稳定性的不 良地质作用，为均匀地基，适宜工程建设.

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）判断，本场地20m 深度范围内的天然沉积土层不会发生地震液化，为对建筑抗震一般地段.

自然地面下20m深度范围内的土 层等效剪切波速为206~228m/s，土覆盖层厚度>50m，场地类别为11I类.

勘察期间（2013年7月下旬）于钻孔内实测到4层地下水.

第1层为潜水，埋深约2.20~4.90m，标 高约18.18~21.03m.

第2层和第3层均为具有承压性的层间水，埋深分别为6.40~9.10m和10.80~12.80m， 标高分别为14.29~17.32m和10.40~12.46m.

第4层承压水，埋深约20.30m，标高为2.66m.

地下水天然动 态类型属于渗流-蒸发、流型，主要接受蒸发、大气降水渗入、地下水侧向流及越流等方式补给，以地
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 下水侧向流及越流、人工开采为主要排泄方式，水位年变幅为1~4m.

场区1955年以来最高地下水位标 高接近自然地面：近3-5年最高地下水位标高为21.10m左右.

抗浮设计水位22.20m（-2.40m）.

场地标准冻深0.8m.

3.地基基础方案 合成剧场、演员住宿楼、艺术交流楼等单体，地上互相不连通，地下通过地下车库连为一体，类似大 底盘多塔结构.

基础结构布置平面如图4所示.

10.D象 .加左右不 艺术交流中心 无地下 无地下室区域 基底存高3.77m 室区域 2.5m 演员住宿楼 合成 沉降后浇带 剧场 温度后 浇带 基滨标高417 图4基础结构布置示意图 地下室包括：合成剧场的大部分区域、演员住宿楼的全部区域、艺术交流楼的局部区域，采用筏型基 础.

舞台台仓、观众厅等大空间采用平板式筏形基础、板厚800-1200mm，墙下局部加厚.

其余区域采用 梁板式筏型基础：住宿楼主楼下底板厚700mm，地梁高1800~2000mm：正常柱网区域板厚500~600mm， 地梁高1200mm.各区域基底标高：合成剧场舞台台仓、观众厅区域-6.02--6.80m，月池台仓-9.55m，观众 厅前区-8.17m，演员住宿楼主楼-7.77m，地下车库-7.17~-8.16m.

在演员住宿楼主楼与裙房之间设置沉降后 浇带，其余后浇带为温度后浇带.

合成剧场后舞台两侧区域无地下室.

为了减小与有地下室区域之间的沉降差，采用梁板式筏型基础.

板厚400mm，地梁高1000-1200mm，板底标高-3.77m，回填土约2.9m厚.

交流中心除了左下角局部区域有地下室外，其余区域均无地下室.

最初方案采用梁板式筏型基础.

但 是沉降分析结果表明，无地下室区域与有地下室区域的沉降差超过规范限值.

经过方案比选（具体见下文）， 最终采用柱下独立柱基墙下条形基础，地基采用CFG桩复合地基方案.

基础底面标高-3.77m，回填土约 2.9m厚.

根据地基反力计算结果，并考虑上部结构荷载分布特点，演员住宿楼主楼及相关区域、交流中心采用 CFG桩复合地基，其余区域采用天然地基.

观众厅前区结构自重小于地下水浮力，采用增加配重的方案， 在基础底板以上回填钢渣混凝土.

地下室天然地基的持力层为③层粉质粘土-重粉质粘土及③-1层粉质粘土 -砂质粉土.

合成剧场无地下室区域天然地基的持力层为②层粉质砂土-粘质粉土及②-1层粉质粘土-重粉质 粘土.

4.设计难点及对策
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 本工程地基基础的设计中，有以下难点： 1）地基土性状较差：大部分为深厚的粉质粘土，地基承载力普遍较低（110~120kPa），压缩模量较 小.

场地自然标高与设计标高存在2m左右高差，需要回填.

由于场地回填的影响，导致通过深 宽修正对承载力提高的贡献不大，反而附加应力较大，不利于满足地基承载力要求.

2）荷载差异较大：合成剧场舞台及观众厅四周墙体及演员住宿楼主楼荷载均较大，其中主楼需要采 用CFG桩处理后才能满足地基承载力要求.

合成剧场观众厅前区自重不能满足抗浮要求，需要采 用钢渣混凝土压重.

无地下室区域有较深的回填土，易造成与相邻的地下室区域荷载差异较大.

交流中心西侧室外看台有三角形土坡，最大高度约4.8m（自然地面以上）.

3）地基基础复杂：天然地基与CFG桩复合地基并存，合成剧场、交流中心在同一单体范围内有地下 室与无地下室并存.

地下室基础底板高差复杂，合成剧场无地下室区域与有地下室区域基底标高 差3.25m，交流中心无地下室区域与有地下室区域基底标高差4.9m. 这些特点决定了，本工程地基基础的设计难点主要是总沉降量和沉降差量的控制.

主要采取以下措施： 1）对于有地下室的区域采用刚度较大的梁板式基础，协调沉降差.

2）对于有抗浮问题的区域，尽量采用压重的方式，避免采用抗拔桩或抗拔锚杆.

3）对于荷载较大的演员住宿楼主楼区域，采用CFG桩复合基础.

CFG桩的布置采用变刚度调平概 念，通过调整桩间距减小沉降差.

4）对于无地下室区域，采用筏型基础，减小与有地下室区域的沉降差.

尽可能减小基础埋深，减小 回填土产生的附加应力.

5）在演员住宿楼主楼与裙房之间设置沉降后浇带.

6）沉降计算时考虑地基、基础与上部结构的共同作用.

并根据计算结果调整基础结构布置及CFG桩 布置方案.

5.沉降分析结果 沉降分析采用三维基础专业软件Plaxis3D 2013，计算时考虑地基、基础与上部结构的共同作用.

由于 结构整体体量较大，且合成剧场和演员住宿楼主楼之间有较长的纯地下室区域，两者的受力和沉降变形基 本不会互相影响.

在保证计算结果准确可信的前提下，为了提高计算效率，本工程分成以下两个部分单独 建模分析：合成剧场及相关地下室区域、演员住宿楼及交流中心相关地下室区域.

计算模型如图5所示.

（a）合成剧场 （b）演员住宿楼及交流中心 图5Plaxis计算模型 合成剧场沉降计算结果如图6所示.

舞台及观众厅区域沉降较大，最大沉降量为55.26mm.

地下室其 它区域沉降量不大（约30mm），且沉降较为均匀.

后舞台两侧的无地下室区域最大沉降量约40mm，与 地下室的沉降差约为0.04%L~0.08%L，满足《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）（以下简称《地 基规范》）规定的0.1%L限值.

第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 大7（1401252 208u 要小倍 • 4:525 m[元250 1174) 是8 - 0.05877 = (*元 409 ± 节.0 12555) 图6合成剧场沉降计算结果 图7演员住宿楼及交流中心沉降计算结果 演员住宿楼及交流中心沉降计算结果如图7所示.

主楼核心筒最大沉降量为58.77mm.

由于露天看台 三角形堆土的影响，地下室北侧区域沉降也较大（约50mm）.

地下室其它区域沉降量不大（约25~40mm）， 沉降差也不大.

交流中心独立柱基最大沉降约55mm，与地下室的沉降差约为0.08%L，满足《地基规范》 D规定的0.1%L限值.

6.交流中心地基基础方案比选 演员住宿楼主楼及相关区域的CFG桩布置、交流中心的地基基础方案进行了几轮调整，大致可以分为 初始方案、中间方案、最终方案.

下面对方案的比选过程进行简单介绍.

6.1初始方案 初始方案如图8所示.

演员住宿楼主楼及相关区域布置CFG桩，有效桩长21.0m，桩端持力层为③层 中砂-细砂.

采用CFG桩复合地基主要为了提高地基承载力，并通过调整CFG桩间距减小沉降差.

在核心 筒区域桩间距为3d，核心简以外的主楼区域桩间距为3.5d，主楼以外的相关区域桩间距为4d.

艺术交流中心 梁板式筏形基础 CFG桩 复合地基 演员住宿楼 主楼以外 BRFs 核心筒以外 核心简范围 4.07529m元76792) (0C111 s 0 4c8) w24 8V/# 图8初始方案 图9初始方案沉降结果

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