復(fù)雜基礎(chǔ)設(shè)計的軟件解決方案探討

朱春明 劉鐵銳 劉 華 杜 斌

(中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013)

工程設(shè)計人員在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，建筑物的基礎(chǔ)設(shè)計是最難處理的問題之一，主要原因在于基礎(chǔ)所在場地地質(zhì)條件的多樣性、復(fù)雜性，在于基礎(chǔ)類型的多樣性，在于基礎(chǔ)計算模型的不確定性，在于軟件產(chǎn)品的不夠方便，在于設(shè)計人員設(shè)計經(jīng)驗的不足。對于同一上部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計方案不是唯一的，在方案選擇中要考慮的內(nèi)容很多，規(guī)范中規(guī)定“做到安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、確保質(zhì)量、保護(hù)環(huán)境”。工程設(shè)計中需要工程經(jīng)驗、注重概念設(shè)計。但是這些東西不同的專家有不同的解讀，往往使設(shè)計人員無從下手。在上部結(jié)構(gòu)設(shè)計越來越依賴程序自動設(shè)計的今天，工程設(shè)計人員也希望基礎(chǔ)設(shè)計軟件能滿足他們的需要。

1 軟件的技術(shù)要求

要做好基礎(chǔ)設(shè)計軟件，先要換位思考，將自己想象成進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計的工程師，根據(jù)工程設(shè)計流程分解工作內(nèi)容，提出項目需求。可以通過網(wǎng)絡(luò)信息、用戶問題、問卷調(diào)查、上門咨詢等方式了解基礎(chǔ)設(shè)計工作的相關(guān)內(nèi)容及專業(yè)需求，總結(jié)出程序以下所要解決的專業(yè)及技術(shù)難點。

1)地質(zhì)資料中有效信息的輸入。地質(zhì)資料內(nèi)容多且雜，有些內(nèi)容對于結(jié)構(gòu)工程師比較生疏，如土的液性指數(shù)等物理參數(shù)，它對計算有多大影響。許多內(nèi)容是巖土工程師的知識內(nèi)容，如土層的標(biāo)高與建筑物結(jié)構(gòu)標(biāo)高的關(guān)系，地質(zhì)資料給出的各個孔點的信息是孤立的，如何形成立體信息。

2)地質(zhì)資料是進(jìn)行基礎(chǔ)方案初設(shè)計的依據(jù)，工程師要根據(jù)工程經(jīng)驗進(jìn)行基礎(chǔ)方案的選擇。這種工作在程序中無法自動實現(xiàn)時，可以做計算機(jī)能做的，特別是重復(fù)性的比較工作。如樁長確定及持力層選擇只有通過試算才能知道，樁的施工方法有人工挖孔樁、沖鉆孔樁、預(yù)制樁等，各種方法承載力計算選用參數(shù)是不一樣的。在選用參數(shù)時還會遇到規(guī)范方法與勘察資料中給定的參考值的不一致。

3)地質(zhì)資料中土層的名稱包含著許多信息，在土層的填寫過程中如何處理亞層也是程序應(yīng)關(guān)注的，程序?qū)λ恍畔⑤斎氲奶幚?，對重度的處理，對各個孔點信息的處理，對輸入深度的要求應(yīng)該與專業(yè)人員的處理方法一致，達(dá)到專業(yè)軟件專業(yè)化。

4)上部結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果是基礎(chǔ)設(shè)計的依據(jù)，由于目前上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)設(shè)計是分開設(shè)計的，基礎(chǔ)設(shè)計中不應(yīng)只關(guān)心荷載，同時應(yīng)關(guān)心上部結(jié)構(gòu)的剛度。也許通過規(guī)范的規(guī)定，使單獨進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)計算是合適的、安全的，但基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范要求在基礎(chǔ)設(shè)計時要考慮上部結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)，因為只有這樣才使基礎(chǔ)計算更加合理、更加經(jīng)濟(jì)。

5)基礎(chǔ)類型可分為獨立式與整體式，獨立式基礎(chǔ)是獨立受力的基礎(chǔ)，如獨基、樁承臺等，規(guī)范里面明確計算方法的規(guī)則獨基或樁承臺比較容易實現(xiàn)，對于異型承臺及多柱承臺按照力學(xué)方法重求計算公式;整體式基礎(chǔ)是整體受力的基礎(chǔ)，如筏基、格梁基礎(chǔ)、箱基、樁梁、樁筏、樁箱等，規(guī)范沒有給出計算方法，須通過有限元計算解決。

6)有限元計算本不是難題，主要是如何進(jìn)行模型的建立，其中約束信息的確定是難題。因為地基的復(fù)雜性無法用唯一確定方法來解決，地基對建筑物的影響最后的反應(yīng)是沉降，但是沉降的不確定性及與時間、環(huán)境的相關(guān)性使計算變得更加復(fù)雜。對復(fù)雜性的處理有多種方案，可由土的本構(gòu)關(guān)系入手進(jìn)行分析，目前的研究水平及勘察資料不足以保證結(jié)果的可靠性?？蛇M(jìn)行多種簡化方案的比較，對非線性處理的經(jīng)驗的缺乏可用線性結(jié)果的修正來解決。如采用WINKLER模型為代表的彈性地基梁板模型來解決常見工程，對基床系數(shù)的修正來解決地基土的差異性及相互影響后的邊角效應(yīng)。工程中還會在特殊情況下用倒樓蓋方法來解決基礎(chǔ)的計算問題。基礎(chǔ)計算模型的多樣性及參數(shù)影響的關(guān)聯(lián)性給基礎(chǔ)設(shè)計帶來困難，軟件應(yīng)該做什么，不應(yīng)該做什么。軟件不應(yīng)該做連模型都不確定就自動計算出結(jié)果的事，工程設(shè)計人員的參與是必須的。

7)設(shè)計計算內(nèi)容的詳細(xì)程度與程序越來越相關(guān)，如設(shè)置后澆帶是結(jié)構(gòu)設(shè)計施工中經(jīng)常采用的解決沉降差異較大及沉降不確定性的方法，沒有后澆帶的功能會使設(shè)計人員不知如何在合算與分算之間取舍，JCCAD首先解決了后澆帶輸入、計算問題。如承臺之間的防水板的計算，可以在計算中將柱、墻作為支座，可以考慮獨基、承臺的厚度、樁的位置的影響。防水板是結(jié)構(gòu)人員為了使受力簡單進(jìn)行簡化的板，板與土不進(jìn)行相互傳力。

8)通用有限元程序可以解決具體模型的計算問題，對于基礎(chǔ)計算模型不確定的問題也可通過多方案的比較計算來解決，由于上部結(jié)構(gòu)剛度需要上部結(jié)構(gòu)信息，如要考慮上部結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)計算的影響，在建立模型時要將上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、地基約束信息一并輸入，其帶來的工作量及計算結(jié)果的可靠性是一般工程設(shè)計中不能承受的，計算結(jié)果的可靠性也難以保證。JCCAD解決了信息共享的問題，將上部結(jié)構(gòu)計算結(jié)果自動讀入，將上部結(jié)構(gòu)作為整體計算的子結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)設(shè)計計算一并處理，解決了實際的工程需要。特別是在配筋階段增加了峰值均化、均勻配筋等工程處理來解決板有限元計算結(jié)果中存在奇異點等問題，用MINDLIN中厚板單元來解決薄板、中厚板、厚板單元的計算，并有效地解決了剪力鎖定問題。在板裂縫計算中不是一味地采用規(guī)范中梁裂縫的計算公式，在沒有足夠理論基礎(chǔ)的前提下給出各點彎矩分布是一種負(fù)責(zé)的解決辦法。

9)水浮力對基礎(chǔ)計算的影響是多方面的，有不利影響如抗浮計算，有有利影響如可以減少樁數(shù)，還有未知影響如板的內(nèi)力與配筋計算。對于水浮力的荷載分項系數(shù)的確定是沒有統(tǒng)一的規(guī)定，設(shè)計人員有按恒載有按活載有按自己經(jīng)驗給定，這種工程的處理在程序設(shè)計中都要根據(jù)目前設(shè)計習(xí)慣進(jìn)行考慮。

10)沉降的計算可以依據(jù)規(guī)范的方法，但考慮到土體的復(fù)雜性及簡化方法的多樣性，目前不同的規(guī)范有不同的方法，同一本規(guī)范還會提供不同的方法，各種方法實際上只是參考，真正的沉降只有在房屋造好后實測結(jié)果中得知，但是使用中的實際荷載與計算中采用的荷載也是不一致的。由于沉降具有時間相關(guān)性，在2～3年內(nèi)沉降都會變化。設(shè)計要保證建造過程及建筑生命全周期的安全，如何用一次計算或有限次模擬計算使計算結(jié)果保證安全是程序必須面對的。在默認(rèn)參數(shù)的給定中安全是第一位的，如WINKLER彈性地基梁計算中的基床系數(shù)確認(rèn)有多種理論，有現(xiàn)場實測法、沉降計算反推法、經(jīng)驗系數(shù)法。這幾種方法計算結(jié)果可能相差10倍，直接影響計算結(jié)果包括土的反力分布、板的變形、板的內(nèi)力與配筋。經(jīng)驗系數(shù)法是二十年前相關(guān)研究成果及經(jīng)驗總結(jié)，但是二十年前的基礎(chǔ)設(shè)計還沒有上下部共同作用計算的概念及規(guī)范規(guī)定，而現(xiàn)在規(guī)范規(guī)定及實際設(shè)計過程大都采用考慮上部結(jié)構(gòu)剛度影響的方法，直接采用過去的經(jīng)驗系數(shù)法會使設(shè)計不安全。

11)有限元計算比較難處理的是單元劃分，由于實際工程的復(fù)雜性，單元自動劃分的難度會加大，如何對單元劃分進(jìn)行干預(yù)也是軟件必須解決的，單元的優(yōu)劣影響計算結(jié)果的精度及準(zhǔn)確性。JCCAD優(yōu)先采用高精度四邊八節(jié)點有限單元，輔助三角形單元。提供了多種方法自動生成，有基于底層網(wǎng)格進(jìn)行自動劃分，有基于墻、柱、樁位進(jìn)行劃分。

12)土的復(fù)雜性直接決定了地下結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜性，考慮土、基礎(chǔ)、地下結(jié)構(gòu)、地上結(jié)構(gòu)共同作用的進(jìn)行計算分析是未來結(jié)構(gòu)設(shè)計的趨勢。土與結(jié)構(gòu)相互影響是復(fù)雜的、動靜力處理是不同的、理論研究是缺乏的，JCCAD與SATWE的處理只是一種牽強(qiáng)的處理辦法，有必要開發(fā)新的軟件來解決。

13)好的基礎(chǔ)方案有基本的優(yōu)化原則，在布樁時采用“荷載就地消化，沉降調(diào)平設(shè)計”，如何重心校核，如何確定樁數(shù)，如何考慮相互影響，如何考慮樁基規(guī)范中提出的增強(qiáng)與弱化指數(shù)，在基礎(chǔ)初設(shè)計階段將專業(yè)知識強(qiáng)化到軟件菜單中。

2 JCCAD軟件工程應(yīng)用

PM建模、SATWE計算、基礎(chǔ)設(shè)計是PKPM應(yīng)用的主要環(huán)節(jié)。基礎(chǔ)軟件是目前用戶較多的產(chǎn)品，在設(shè)計過程中不可或缺，用戶上萬家。通過這幾年軟件改進(jìn)、積極服務(wù)、宣傳推廣，受到用戶的歡迎。

多年科研積累及地基所的支持，使JCCAD軟件具備針對高端客戶的技術(shù)優(yōu)勢:

1)能解決大底盤(裙房)多塔基礎(chǔ)的設(shè)計計算

2)實現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)—基礎(chǔ)—樁—土共同作用的計算

3)及時針對新樁基規(guī)范需求實現(xiàn)了變剛度調(diào)平的設(shè)計

4)后澆帶布置與計算是軟件的又一特點

5)人防荷載、地下水水浮力的計算、抗浮驗算

6)多種基礎(chǔ)形式聯(lián)用時的沉降計算

7)多種地基計算模型適應(yīng)不同地基情況

目前中國建筑科學(xué)研究院地基所用JCCAD進(jìn)行了許多工程的實踐，解決設(shè)計及計算中的許多問題，下面介紹一個工程:

2．1 工程概況

北京望京B11-1地塊項目(悠樂匯)B區(qū)工程，位于北京市朝陽區(qū)望京內(nèi)環(huán)路與南湖渠東路交叉路口的東北側(cè)。該工程由3座主樓及與之相連的裙房組成，整個工程位于同一整體大面積基礎(chǔ)之上，基礎(chǔ)平面尺寸約180×48 m。主樓平面尺寸39．9×27．3 m，地上27～28層，地下4層，框架核心筒結(jié)構(gòu)，樁筏基礎(chǔ);裙房一部分為純地下室，一部分為地上4層，框架結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)。整個工程基礎(chǔ)埋深相同，約 －17．60 m，建筑面積 22 萬 m2。

該工程建筑結(jié)構(gòu)三維圖如圖1。

圖1 建筑結(jié)構(gòu)三維圖

圖2 悠樂匯B區(qū)建筑、樁基縱剖面圖

2．2 地質(zhì)條件

本工程場地地貌單元屬永定河沖洪積扇的中下部，按地質(zhì)成因、特性分為人工填土層和一般第四紀(jì)沉積層。分別為:粘質(zhì)粉土素填土①層，夾雜填土①1層;粘質(zhì)粉土-砂質(zhì)粉土②層夾粉質(zhì)粘土-重粉質(zhì)粘土②1層及粉細(xì)砂②2薄層或透鏡體;粉細(xì)砂③層，夾粘質(zhì)粉土-砂質(zhì)粉土③1層透鏡體;粉質(zhì)粘土-重粉質(zhì)粘土④層，夾粘質(zhì)粉土④1層、細(xì)砂④2以及粘土薄層或透鏡體;細(xì)中砂⑤層，夾粉質(zhì)粘土⑤1層及粘質(zhì)粉土薄層或透鏡體;圓礫⑥層，夾細(xì)砂⑥1層和粉質(zhì)粘土⑥2薄層或透鏡體。

場地內(nèi)第一層地下水水位埋深6．7 m，屬上層滯水，第二層地下水水位埋深為9．9 m，屬潛水，地下水對混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性。

2．3 基礎(chǔ)設(shè)計

1)樁基設(shè)計方案

本工程樁基采用現(xiàn)場灌注樁結(jié)合后壓漿專利技術(shù)，以大幅度提高基樁的承載力、增加基樁剛度、減少沉降。抗壓樁實施樁側(cè)、樁底復(fù)式壓漿。

抗壓樁樁徑 800 mm，樁身強(qiáng)度 C30，樁長16．5 m，樁端持力層為細(xì)中砂⑤或圓礫⑥層，單樁抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值取8 600 kN。

通過基礎(chǔ)筏板受力分析，筏板厚度主樓下1．6 m，主樓周圍裙房1．0 m。

2)基樁布置

基樁的布置，綜合考慮上部荷載與樁、土反力的整體平衡與局部平衡，考慮上部結(jié)構(gòu)以及基礎(chǔ)剛度的分布。布樁時強(qiáng)化剛度大、荷載集中的內(nèi)筒區(qū)域，弱化荷載分散的核心區(qū)外圍，并且使基樁集中布置在核心筒、柱的周圍，盡量使基樁布置在內(nèi)筒、柱下筏板的沖切破壞錐體之內(nèi)。

每座主樓下布樁186根，三座主樓共布樁558根。

3)基礎(chǔ)計算分析

在變剛度調(diào)平概念設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行地基基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)共同工作計算分析。通過共同作用計算調(diào)整布樁，使差異沉降趨于最小，筏板內(nèi)力最小。

本工程最終的樁基布置圖見圖3，建筑物計算沉降見圖4。

2．4 沉降實測

本工程從2006年2月基礎(chǔ)施工完成開始進(jìn)行沉降觀測，主體結(jié)構(gòu)封頂前1個月的沉降量見圖5。

3 基于BIM技術(shù)的基礎(chǔ)及地下空間設(shè)計軟件研發(fā)介紹

正在進(jìn)行研發(fā)的PKPM新產(chǎn)品軟件是基于BIM技術(shù)的新一代產(chǎn)品，基于BIM技術(shù)的地基基礎(chǔ)軟件采用軟件工程的方法，上部結(jié)構(gòu)、地下空間設(shè)計統(tǒng)一考慮，從建模、計算到施工圖按大結(jié)構(gòu)的概念進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上保證上下部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，在數(shù)據(jù)中考慮基礎(chǔ)設(shè)計的要素、水文地質(zhì)資料的描述、非線性計算所需參數(shù)等等。程序架構(gòu)上符合多人合作開發(fā)的思路。采用面向?qū)ο蟮木幊谭绞街匦戮帉懘a，減少各個功能模塊的耦合度，提高程序的健壯性和可重用性。

新產(chǎn)品在基礎(chǔ)詳細(xì)階段時，要盡量兼容老用戶的操作習(xí)慣，保留上部結(jié)構(gòu)計算-讀取荷載-基礎(chǔ)布置-計算的操作流程。對于用戶普遍反應(yīng)的舊有軟件操作不順暢、修改上部結(jié)構(gòu)丟數(shù)據(jù)、參數(shù)設(shè)計繁瑣分散、不同菜單計算結(jié)果不統(tǒng)一等問題要予以根除。

新產(chǎn)品要增加對基礎(chǔ)方案設(shè)計階段的支持、增加上部結(jié)構(gòu)地基基礎(chǔ)整體計算分析功能、增加地下空間結(jié)構(gòu)計算功能、增加對鋼筋算量方案的支持。

主要模塊劃分如圖6。

4 結(jié)論

復(fù)雜基礎(chǔ)設(shè)計影響因素多，需要設(shè)計人員有較高的素質(zhì)及工程經(jīng)驗，基礎(chǔ)設(shè)計軟件研發(fā)編制從實踐中來到實踐中去。不斷總結(jié)需求，轉(zhuǎn)化科研成果是基礎(chǔ)設(shè)計軟件成功的關(guān)鍵。JCCAD軟件充分利用相關(guān)研究成果，使設(shè)計從一種定性的概念設(shè)計變得更加實用、定量化，使設(shè)計人員更加方便地將這種設(shè)計理念運(yùn)用于工程設(shè)計中。PKPM將在近期推出基于BIM技術(shù)，采用軟件工程開發(fā)，充分利用專業(yè)優(yōu)勢及計算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)計新產(chǎn)品軟件。

［1］劉金礪，遲鈴泉，張武，王濤，劉金波，朱春明，楊生貴．高層建筑地基基礎(chǔ)變剛度調(diào)平設(shè)計方法與處理技術(shù)［R］．北京:中國建筑科學(xué)研究院，2007．

［2］朱春明，劉金礪，邵弘，陳岱林，遲鈴泉．基礎(chǔ)設(shè)計中上部結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn)解決方案探討［J］．建筑科學(xué)，2002，18(1)．

［3］朱春明．樁筏基礎(chǔ)筏板實用計算方法探討［C］，中國建筑學(xué)會地基基礎(chǔ)學(xué)術(shù)委員會1992年論文集(樁基礎(chǔ)專輯)．太原:山西高校聯(lián)合出版社，1992:381-387．

［4］劉金礪，遲鈴泉，朱春明，宰金珉，黃強(qiáng)，邵弘．帶裙房高層建筑地基基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)共同工作計算方法［R］北京:中國建筑科學(xué)研究院研究報告，1996．

［5］獨基、條基、鋼筋混凝土地基梁、樁基礎(chǔ)與筏板基礎(chǔ)設(shè)計軟件JCCAD［CP］，北京:中國建筑科學(xué)研究院，2006．

［6］JGJ94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］．