某汽車廠總裝車間基礎(chǔ)一體化設(shè)計(jì)計(jì)算方法

李 亮 英

(上海市機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海　200040)

0　引言

一般而言，基礎(chǔ)作為連接上部結(jié)構(gòu)和地基的重要承重構(gòu)件，負(fù)擔(dān)了承受建筑物全部荷載的重任，基礎(chǔ)不僅需要自身具有足夠的強(qiáng)度和耐久性，還需要保證與地基土之間有效的共同作用，確保地基土體能夠承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的各種荷載。因此基礎(chǔ)設(shè)計(jì)作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要一環(huán)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的安全性及經(jīng)濟(jì)性起到了非常大的影響。

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不同于上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，除了需要考慮上部結(jié)構(gòu)不同工況下的荷載組合，還受到地基土物理性質(zhì)的離散性、土層起伏以及地下水位起伏等諸多因素的影響，造成基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的計(jì)算量非常龐大。一棟建筑物的上部結(jié)構(gòu)只能有一個(gè)結(jié)構(gòu)形式，但其基礎(chǔ)卻可以同時(shí)存在天然基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)等多個(gè)基礎(chǔ)形式；對(duì)于大底盤基礎(chǔ)及聯(lián)合基礎(chǔ)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的荷載工況數(shù)量更是成指數(shù)增長(zhǎng)。

對(duì)于一些地基條件較好，基礎(chǔ)形式簡(jiǎn)單且體型單一的建筑，現(xiàn)已有設(shè)計(jì)軟件可以直接讀取上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果，并自動(dòng)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。但對(duì)于大型復(fù)雜的建筑集群，上部結(jié)構(gòu)往往采用多個(gè)軟件設(shè)計(jì)，其中有些軟件側(cè)重于上部結(jié)構(gòu)分析，沒(méi)有對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模塊，同時(shí)輸出的柱底反力格式各不相同，因此很難找到一個(gè)能兼容所有上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件。以往遇到類似的情況，只能采用手算的方式，計(jì)算效率低下，且容易造成安全隱患或材料浪費(fèi)。

為了解決這種困境，我們回避了讓基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件適應(yīng)所有上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的問(wèn)題，而是換一種思路，通過(guò)一些商業(yè)化的數(shù)據(jù)接口，將上部結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換為格式統(tǒng)一的整體模型，直接將上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果輸出到基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件中，具體流程詳見(jiàn)圖1。這樣可以使上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)無(wú)縫對(duì)接，各工況下的柱底反力可通過(guò)計(jì)算機(jī)直接導(dǎo)入基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模型中，不再需要人工輸入。再通過(guò)地質(zhì)報(bào)告數(shù)據(jù)文件，做到每一個(gè)基礎(chǔ)的精細(xì)化設(shè)計(jì)，同時(shí)可以驗(yàn)算整體結(jié)構(gòu)的沉降，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

本文的項(xiàng)目通過(guò)一些商業(yè)化的數(shù)據(jù)接口，將上部結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換為格式統(tǒng)一的整體模型，直接將上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果輸入到基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件中。這樣可以使上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)無(wú)縫對(duì)接，各工況下的柱底反力可通過(guò)計(jì)算機(jī)直接導(dǎo)入基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模型中，不再需要人工輸入。再通過(guò)地質(zhì)報(bào)告數(shù)據(jù)文件，做到每一個(gè)基礎(chǔ)的精細(xì)化設(shè)計(jì)，同時(shí)可以驗(yàn)算整體結(jié)構(gòu)的沉降，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

1　工程概況

本項(xiàng)目位于上海某汽車工廠的老廠區(qū)內(nèi)，其中總裝車間、食堂和生活樓為老建筑拆除后新建的廠房，原址上曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)多次拆建，現(xiàn)有的資料表明從1985年至今，已存在過(guò)3個(gè)油漆車間，一個(gè)總裝車間，一個(gè)焊裝車間，一個(gè)沖壓車間，一個(gè)多層過(guò)街懸鏈天橋，一個(gè)5層辦公樓，一個(gè)2層食堂，一個(gè)廢水處理站和一個(gè)變電所。新建總裝車間時(shí)這些建筑物的上部結(jié)構(gòu)均被拆除，但地下存留有大量的樁、基礎(chǔ)承臺(tái)、設(shè)備基礎(chǔ)、水池等無(wú)法清理的障礙物。除此之外，車間南側(cè)還有一條河道需要進(jìn)行改道，將老河道回填，并在新建車間外側(cè)開(kāi)挖一條新的河道。圖2為總裝車間上部結(jié)構(gòu)透視圖(結(jié)構(gòu)形式包括：網(wǎng)架、桁架、2個(gè)5層混凝土框架、內(nèi)部2個(gè)單層混凝土框架，還有一個(gè)過(guò)河的管廊)。

2　設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1　方案確定

本項(xiàng)目由于是在老廠房拆除重建的基礎(chǔ)上進(jìn)行施工，因此現(xiàn)場(chǎng)存在大量的老樁，這些樁在地下已存在20年，在土體自然擠密的作用下，其承載力比原設(shè)計(jì)更高，沉降也更小，因此在方案設(shè)計(jì)階段考慮了兩種設(shè)計(jì)方案，方案一為新建廠房盡量利用老樁，即新老樁共同使用的方式；方案二為廢棄所有的老樁，全部采用新的工程樁。按照原有的計(jì)算方法，在一個(gè)設(shè)計(jì)周期內(nèi)完成兩套不同的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)幾乎是不可能的任務(wù)，尤其是老樁的位置離散性很大，會(huì)出現(xiàn)很多形狀不均勻的基礎(chǔ)承臺(tái)，僅僅將老樁輸入到計(jì)算模型中就是一個(gè)艱巨的任務(wù)，更是加大了利用老樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案的難度。最終經(jīng)過(guò)項(xiàng)目評(píng)審，決定選用樁基+獨(dú)立承臺(tái)形式，北側(cè)選用鉆孔灌注樁，南側(cè)選用PHC管樁，河道回填區(qū)采用小直徑的PHC管樁對(duì)廠房地坪進(jìn)行加固處理，施工中遇到老樁的時(shí)候現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整。

2.2　導(dǎo)入方法

經(jīng)過(guò)對(duì)多個(gè)軟件的測(cè)試與比較，我們采用YJK軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)整體建模。YJK軟件具有完善的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模塊，可以對(duì)天然基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)等進(jìn)行承載計(jì)算、配筋設(shè)計(jì)和沉降驗(yàn)算。同時(shí)上部結(jié)構(gòu)也支持混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)的計(jì)算，具有較強(qiáng)的通用性。整體模型建模的實(shí)現(xiàn)過(guò)程分為兩步，第一步，將采用不同分析軟件計(jì)算的上部結(jié)構(gòu)各單體模型轉(zhuǎn)為YJK單體模型；第二步，將得到的各個(gè)YJK單體模型拼接為YJK整體模型。

其中網(wǎng)架模型采用MST模型，混凝土框架采用PKPM模型，桁架采用3D3S模型，過(guò)河管廊采用YJK模型，這些模型均轉(zhuǎn)化為YJK模型，然后在工程拼裝里面拼接成為整體模型。

2.3　整體模型基礎(chǔ)設(shè)計(jì)流程

整體模型基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與常規(guī)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)流程相似。完成整體模型拼裝、上部結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)設(shè)置并完成計(jì)算后，打開(kāi)基礎(chǔ)建模模塊，重新讀取數(shù)據(jù)后，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，在參數(shù)“與基礎(chǔ)相接的樓層號(hào)輸入方式”輸入各與基礎(chǔ)相接的層號(hào)。其余參數(shù)根據(jù)各工程實(shí)際情況選取，完成參數(shù)設(shè)置之后需要點(diǎn)擊“重新讀取”操作，方可顯示所有與基礎(chǔ)連接樓層的柱子。

完成廣義層設(shè)置后，可按照地勘報(bào)告輸入地質(zhì)資料，隨后在菜單“荷載”中設(shè)置荷載組合參數(shù)。與一般簡(jiǎn)單模型的基礎(chǔ)計(jì)算不同，整體基礎(chǔ)模型必須再選擇“上部荷載顯示”，顯示某一荷載工況下整體模型各柱底反力計(jì)算結(jié)果，將該結(jié)果與各單體模型相應(yīng)工況下各柱底反力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，判斷導(dǎo)入基礎(chǔ)計(jì)算的柱底反力是否丟失或出現(xiàn)異常，如與單體模型相比出現(xiàn)明顯的差異，必須返回查找原因并將其排除。

完成對(duì)導(dǎo)入基礎(chǔ)計(jì)算的柱底反力判斷后，即可進(jìn)行基礎(chǔ)構(gòu)件的布置，YJK軟件常見(jiàn)基礎(chǔ)布置菜單集成于一體，可以根據(jù)工程情況方便的進(jìn)行基礎(chǔ)布置操作。完成基礎(chǔ)布置后進(jìn)入“基礎(chǔ)計(jì)算及結(jié)果輸出”模塊，核對(duì)計(jì)算參數(shù)、生成數(shù)據(jù)并檢查計(jì)算簡(jiǎn)圖和荷載后即可進(jìn)行基礎(chǔ)計(jì)算。除建模計(jì)算過(guò)程明確方便以外軟件也有方便的基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)果輸出界面，能快速生成符合11G101—3要求的圖紙，從而提高出圖效率。

主廠房管桁架采用3D3S軟件計(jì)算，該軟件缺少方便的基礎(chǔ)計(jì)算模塊，常規(guī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法是人工讀取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，手動(dòng)輸入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具箱計(jì)算設(shè)計(jì)。該廠房荷載分布復(fù)雜，各柱底內(nèi)力差異較大，從圖2可以看出，若按此方法操作，設(shè)計(jì)任務(wù)繁重，難以滿足目前項(xiàng)目設(shè)計(jì)周期短，變更頻繁的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀。且該項(xiàng)目設(shè)有多個(gè)抗震縫，造成較多的聯(lián)合承臺(tái)，按照以往的設(shè)計(jì)方法更是事倍功半。根據(jù)之前項(xiàng)目類似的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用人工計(jì)算的方法，僅基礎(chǔ)部分的計(jì)算就花費(fèi)超過(guò)1個(gè)月的時(shí)間，完成計(jì)算后的繪圖也花費(fèi)了近1個(gè)月，后期因上部荷載變化，又花費(fèi)3個(gè)星期的時(shí)間進(jìn)行校核，效率極其低下。為此該項(xiàng)目采用整體建模設(shè)計(jì)方法進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，結(jié)果計(jì)算和繪圖總共不到1月的時(shí)間，期間還經(jīng)歷了一次軸線移動(dòng)和荷載變化的重大變更，證明該方法可以極大地提高基礎(chǔ)部分的設(shè)計(jì)效率。

為確保安全，分別對(duì)各工況下的柱底荷載進(jìn)行了仔細(xì)比較。表1為總裝車間主廠房單體模型(3D3S計(jì)算)與YJK整體模型某一柱底各工況反力的比較，從中可以看出除工況X/Y向風(fēng)計(jì)算結(jié)果差別較大外，恒載、活載、X/Y向地震工況計(jì)算結(jié)果均非常接近。而X/Y向風(fēng)荷載整體模型計(jì)算結(jié)果大于軟件3D3S單體模型計(jì)算結(jié)果。

表1　3D3S單體模型與YJK整體模型柱腳反力比較表

經(jīng)過(guò)分析與研究，查明風(fēng)載計(jì)算結(jié)果差異的原因是軟件計(jì)算假定造成的，3D3S風(fēng)荷載僅在最外圍的柱子上布置，而YJK軟件則在所有柱上布置風(fēng)荷載，這種假定方式更適用于多高層結(jié)構(gòu)，對(duì)高寬比較小的工業(yè)廠房不太適合，這個(gè)問(wèn)題現(xiàn)在已經(jīng)通過(guò)后期增加適合工業(yè)廠房計(jì)算風(fēng)載計(jì)算模式加以解決了。同時(shí)為了查明風(fēng)荷載偏大對(duì)本工程造價(jià)的影響，采用另一不計(jì)算風(fēng)載的模型與之比較，發(fā)現(xiàn)樁的數(shù)量、承臺(tái)大小及配筋均未發(fā)生變化，表明工況X/Y向風(fēng)對(duì)本工程不起控制作用，不會(huì)因此造成投資成本的增加。

此外，對(duì)比所有區(qū)域單體模型與整體模型恒載工況與活載工況柱底反力計(jì)算的結(jié)果，兩者差異均滿足工程精度。

3　結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了總裝車間復(fù)雜基礎(chǔ)的一體化設(shè)計(jì)計(jì)算方法，以及建模設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的要點(diǎn)，以實(shí)際工程證明基礎(chǔ)的整體建模設(shè)計(jì)方法具有良好的適應(yīng)性，不僅可以減少基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的計(jì)算工作量，更可以通過(guò)導(dǎo)入CAD圖紙的方式加快基礎(chǔ)部分的建模速度，能極大地提高工作效率和設(shè)計(jì)精度，在今后的工程項(xiàng)目中可廣泛推廣。

通過(guò)本工程實(shí)例，可以匯總出一體化建模設(shè)計(jì)方法相較傳統(tǒng)計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn)：

1)一體化建模方法一次性完成設(shè)計(jì)、計(jì)算、出圖，計(jì)算效率更高。

2)多柱聯(lián)合基礎(chǔ)直接生成柱底反力，可考慮所有荷載工況和組合，不會(huì)留下安全隱患。

3)基礎(chǔ)平面圖由計(jì)算軟件可直接生成，確保了計(jì)算與圖紙的一致性。

4)設(shè)計(jì)完成后如果上部結(jié)構(gòu)發(fā)生變更，可直接修改整體模型并驗(yàn)算已有基礎(chǔ)是否可靠。