我國(guó)高層建筑的起源要追溯到20世紀(jì)30年代的上海。起始的高層是10層左右，當(dāng)時(shí)，全上海共建成了30-40棟這樣的高層建筑。
50年代起，北京、廣州等地的大型公共建筑上開始興建高層。到了70年代，全國(guó)各地開始陸續(xù)興建高層建筑，并開始了高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法的討論及實(shí)際工程的原位測(cè)試，重點(diǎn)解決箱基的設(shè)計(jì)問題。80年代起，隨著改革開放的深化發(fā)展，全國(guó)各大城市和一批中等城市普遍興建了高層建筑。
高層建筑的熱潮真正崛起于90年代，正值青春年華的宮劍飛也恰好趕上了那個(gè)年代，從此開啟了他的建筑人生。
高層建筑領(lǐng)域展露身手
宮劍飛生于1970年2月，現(xiàn)任中國(guó)建筑科學(xué)研究院地基所副所長(zhǎng)，建研地基基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司副總經(jīng)理。
對(duì)于高層建筑的發(fā)展歷程，宮劍飛既是親歷者又是實(shí)踐者。
他說，上世紀(jì)80年代以前，高層建筑基礎(chǔ)形式主要為箱基，建筑形式簡(jiǎn)單，很少有主、裙樓一體結(jié)構(gòu)，對(duì)于有裙樓的高層建筑，則通過在高、低層間設(shè)置永久沉降縫予以解決。
隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和大城市人口密度的提高，高層建筑的地下空間利用率得到大幅度提升。然而，傳統(tǒng)的箱形基礎(chǔ)已經(jīng)不能滿足因停車和地下商業(yè)設(shè)施對(duì)地下大空間的需求。筏形基礎(chǔ)在發(fā)揮地基承載力、調(diào)整地基不均勻沉降、抗震性、基礎(chǔ)造價(jià)經(jīng)濟(jì)性、施工周期、地下空間的開發(fā)利用等方面有很多的優(yōu)越性，因此，具有很大剛度的箱形基礎(chǔ)正在被空間較大的框架厚筏基礎(chǔ)所代替。
再后來，地下空間的利用使高層建筑基礎(chǔ)的型式和功能有了較大的變化，地下建筑面積極大地超過了高層建筑投影面積。很多建筑已經(jīng)在厚筏構(gòu)成的大面積地下建筑上建造一個(gè)或多個(gè)層數(shù)不等的塔樓和低層裙房組成的建筑群。這時(shí)，為保證地下結(jié)構(gòu)的整體性，各單個(gè)建筑之間不設(shè)沉降縫，因此，在設(shè)計(jì)上提出了塔樓與裙房之間的變形協(xié)調(diào)可能性、多個(gè)高層建筑之間的相互影響及合理距離的問題。
這些都是宮劍飛研究的課題。
據(jù)宮劍飛稱，這類建筑具有以下特點(diǎn)：
首先，基礎(chǔ)埋深大。由于充分利用地下空間資源，目前建筑基礎(chǔ)通常具有3～5層地下室，因此建筑埋深通常在15～25米。
其次，占地面積大。由于高層建筑與低層裙房及地下車庫(kù)整體連接，建筑占地面積通常達(dá)數(shù)萬平米，個(gè)別工程達(dá)到十幾萬平米。
再次，荷載及剛度差異大。由于在同一個(gè)大底盤上建造一個(gè)或多個(gè)層數(shù)不等的塔樓和低層裙房，因此造成大底盤上荷載分布極不均勻，結(jié)構(gòu)剛度差異極大，同時(shí)也會(huì)引起基礎(chǔ)偏心使基礎(chǔ)出現(xiàn)輕微整體傾斜。
最后，基礎(chǔ)整體連接。由于使用功能的要求以及加強(qiáng)地下結(jié)構(gòu)的整體性，這類建筑一般在地面下高低層相連處不采用雙墻雙柱及永久性沉降縫，甚至投資方要求施工時(shí)不設(shè)沉降后澆帶，基礎(chǔ)筏板采用整體連接。
宮劍飛指出，這類高層建筑涉及到土力學(xué)中沉降計(jì)算問題以及不同類型的上部結(jié)構(gòu)承受變形的能力，最終歸結(jié)到按變形控制地基設(shè)計(jì)理論問題。由于現(xiàn)有的許多設(shè)計(jì)方法無法精確解決筏板整體范圍內(nèi)的反力和沉降問題，因此，當(dāng)前解決高低層沉降差的問題多用的施工方案為在主樓與其擴(kuò)大部分的筏板部位設(shè)置寬1m的后澆帶。
需要說明的是，筏板鋼筋在后澆帶部位是連續(xù)的，施工期間主樓可以自由沉降，待主樓結(jié)構(gòu)施工完畢后再澆注微膨脹混凝土，使主樓與其擴(kuò)大部分連成整體。在結(jié)構(gòu)方面，裙房與主樓間的連接梁端頭有按柔性連接設(shè)計(jì)的。
而在當(dāng)前的高層建筑上，采用施工后澆帶方法解決主樓與裙房連接的建筑已有許多。
創(chuàng)新整體厚筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)
針對(duì)上述工程建設(shè)需求提出的問題，中國(guó)建筑科學(xué)研究院地基所的研究團(tuán)隊(duì)在黃熙齡院士的指導(dǎo)下經(jīng)過多年的理論、試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐，在復(fù)雜高層建筑下大底盤整體基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了突破和創(chuàng)新：整體厚筏基礎(chǔ)的板塊化設(shè)計(jì)方法。該技術(shù)根據(jù)高層建筑大埋深特點(diǎn)，將高層建筑基底下荷載控制在土體欠補(bǔ)償狀態(tài)，或基底附加壓力控制在很小的狀態(tài)，充分利用回彈再壓縮段變形小的特點(diǎn)及裙房基礎(chǔ)筏板有限擴(kuò)散高層荷載的原理進(jìn)行分區(qū)變板厚設(shè)計(jì)和變形控制設(shè)計(jì)，解決大面積筏板沉降量和差異沉降問題，進(jìn)而取消沉降縫或沉降后澆帶，實(shí)現(xiàn)筏板整體設(shè)計(jì)。
該技術(shù)主要有以下特點(diǎn)：第一，在一個(gè)大型地下框架厚筏結(jié)構(gòu)上，在足夠埋深條件下，高層下筏基反力具線性分布特征，筏板框架結(jié)構(gòu)具有擴(kuò)散上部高層建筑荷載的作用，其影響范圍是有限的。第二，揭示了多塔樓下大底盤框架厚筏基礎(chǔ)的變形特征及地基反力分布規(guī)律：各塔樓獨(dú)立作用下產(chǎn)生的變形、反力是通過以各個(gè)塔樓下面一定范圍為中心，各自沿徑向向外圍衰減擴(kuò)散，并在其共同的影響范圍內(nèi)，沉降和地基反力可以相互疊加。第三，提出了將高層部分的厚筏等厚度向外拓展一跨后漸變板厚，以減少高層下的地基附加應(yīng)力，增加高層部分的穩(wěn)定性。第四，在上部結(jié)構(gòu)、厚筏及地基共同作用下，整體筏板的變形是不規(guī)則的和連續(xù)的，在正常使用極限狀態(tài)下，其沉降可按彈性理論并采用疊加原理計(jì)算。第五，建立了考慮上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基共同作用的大底盤框架厚筏基礎(chǔ)的簡(jiǎn)化整體計(jì)算模型，提出大底盤框架厚筏基礎(chǔ)的實(shí)用設(shè)計(jì)方法。
對(duì)于該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益，宮劍飛表示：
第一，節(jié)省材料。該技術(shù)采用天然地基，取消樁基礎(chǔ)或地基處理，大幅度節(jié)約鋼筋和混凝土。第二，可取消沉降后澆帶，從而節(jié)省工期。第三，由于取消樁基或地基處理，該技術(shù)能減少泥漿排放，因而降低環(huán)境污染。第四，較常規(guī)建設(shè)方法提前停止降水，節(jié)約水資源。第五，樁基及地基處理的取消，節(jié)約了30米以下深層地下空間資源，為城市深層地下空間開發(fā)利用提供了更大的靈活性和技術(shù)保障。
以第四紀(jì)砂卵石和粘土交互層為特點(diǎn)的中底壓縮性地質(zhì)條件的北京地區(qū)為例，建筑高度在100米高、基礎(chǔ)埋深在20米左右的高層建筑取消樁基礎(chǔ)或地基處理，并在施工過程中取消沉降后澆帶成為可能。北京地區(qū)成功應(yīng)用該技術(shù)建設(shè)的工程項(xiàng)目如中石油大廈、北京LG大廈、中國(guó)銀行大廈、北京富景花園、北京世紀(jì)財(cái)富中心、中華全國(guó)總工會(huì)中國(guó)職工對(duì)外交流中心、北京三里屯SOHO等已達(dá)二十余項(xiàng)。
該技術(shù)于2012年和2014年連續(xù)被列為北京市綠色建筑推廣名錄予以推廣。
宮劍飛認(rèn)為，該技術(shù)的運(yùn)用解決了以下難題,首先，建有多幢多層和高層建筑的整體大面積基礎(chǔ)考慮上部結(jié)構(gòu)剛度影響的設(shè)計(jì)計(jì)算理論的問題；其次，高低層間基礎(chǔ)整體連接的差異沉降控制問題；再次，大底盤高層建筑基礎(chǔ)內(nèi)力計(jì)算精度問題；最后，大底盤高層建筑基礎(chǔ)抗浮設(shè)計(jì)問題。
對(duì)于該技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾方面：
一、揭示了大底盤高層建筑反力、地基應(yīng)力場(chǎng)分布特點(diǎn)及基礎(chǔ)變形特征；二、建立了考慮上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基共同作用的簡(jiǎn)化整體分析模型；三、提出了大底盤高層建筑基礎(chǔ)剛度評(píng)價(jià)及考慮高層荷載有限擴(kuò)散的基礎(chǔ)筏板板塊設(shè)計(jì)方法；四、提出了大底盤高層建筑基礎(chǔ)變形控制指標(biāo)及整體筏板建造的技術(shù)構(gòu)造措施；五、提出了大底盤高層建筑基礎(chǔ)整體彎矩與局部彎矩控制設(shè)計(jì)指標(biāo)及計(jì)算方法。
“上述創(chuàng)新屬于我國(guó)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論的原始創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新。”宮劍飛表示。
二十年累累碩果
自1995年進(jìn)入中國(guó)建筑科學(xué)研究院師從黃熙齡院士攻讀博士學(xué)位算起，宮劍飛從事高層建筑地基基礎(chǔ)的研究工作已有20年。期間他曾主持過中國(guó)石油大廈、首都機(jī)場(chǎng)T3航站樓、北京三里屯SOHO、首鋼遷安2160mm熱帶軋機(jī)工程、沈陽新世界會(huì)展中心等數(shù)十項(xiàng)復(fù)雜工程的地基基礎(chǔ)方案制定和實(shí)施。
他長(zhǎng)期從事復(fù)雜高層建筑地基基礎(chǔ)的理論、模型試驗(yàn)、工程原位測(cè)試研究工作及大跨度地下結(jié)構(gòu)工程技術(shù)的研究開發(fā)工作，在整體大面積筏形基礎(chǔ)變形控制設(shè)計(jì)理論上有創(chuàng)新性成果并致力于成果的推廣，在北京、遼寧、河北等地30余項(xiàng)工程中成功應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。
宮劍飛曾作為課題負(fù)責(zé)人或主要參加人承擔(dān)過國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題及科技部科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項(xiàng)資金等十余項(xiàng)國(guó)家、省部級(jí)課題，獲省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)工程勘察設(shè)計(jì)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)；獲發(fā)明專利5項(xiàng)，實(shí)用新型專利2項(xiàng)；在國(guó)內(nèi)外發(fā)表專題研究論文30余篇。
宮劍飛兼任《巖土工程學(xué)報(bào)》編委；中國(guó)建筑學(xué)會(huì)理事；中國(guó)建筑學(xué)會(huì)地基基礎(chǔ)分會(huì)副理事長(zhǎng)兼秘書長(zhǎng)；中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)土力學(xué)及巖土工程分會(huì)理事；中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)安全管理專業(yè)委員會(huì)委員；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部強(qiáng)制性條文協(xié)調(diào)委員會(huì)委員兼秘書；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部地基基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員；住建部防災(zāi)研究中心專家委員會(huì)副主任。
這就是宮劍飛，一個(gè)謙虛低調(diào)卻心系事業(yè)的“巖土工程師”。
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