复杂基础设计的软件解决方案探讨

朱春明 刘铁锐 刘 华 杜 斌

(中国建筑科学研究院，北京 100013)

工程设计人员在进行建筑结构设计时，建筑物的基础设计是最难处理的问题之一，主要原因在于基础所在场地地质条件的多样性、复杂性，在于基础类型的多样性，在于基础计算模型的不确定性，在于软件产品的不够方便，在于设计人员设计经验的不足。对于同一上部结构基础设计方案不是唯一的，在方案选择中要考虑的内容很多，规范中规定“做到安全适用、技术先进、经济合理、确保质量、保护环境”。工程设计中需要工程经验、注重概念设计。但是这些东西不同的专家有不同的解读，往往使设计人员无从下手。在上部结构设计越来越依赖程序自动设计的今天，工程设计人员也希望基础设计软件能满足他们的需要。

1 软件的技术要求

要做好基础设计软件，先要换位思考，将自己想象成进行基础设计的工程师，根据工程设计流程分解工作内容，提出项目需求。可以通过网络信息、用户问题、问卷调查、上门咨询等方式了解基础设计工作的相关内容及专业需求，总结出程序以下所要解决的专业及技术难点。

1)地质资料中有效信息的输入。地质资料内容多且杂，有些内容对于结构工程师比较生疏，如土的液性指数等物理参数，它对计算有多大影响。许多内容是岩土工程师的知识内容，如土层的标高与建筑物结构标高的关系，地质资料给出的各个孔点的信息是孤立的，如何形成立体信息。

2)地质资料是进行基础方案初设计的依据，工程师要根据工程经验进行基础方案的选择。这种工作在程序中无法自动实现时，可以做计算机能做的，特别是重复性的比较工作。如桩长确定及持力层选择只有通过试算才能知道，桩的施工方法有人工挖孔桩、冲钻孔桩、预制桩等，各种方法承载力计算选用参数是不一样的。在选用参数时还会遇到规范方法与勘察资料中给定的参考值的不一致。

3)地质资料中土层的名称包含着许多信息，在土层的填写过程中如何处理亚层也是程序应关注的，程序对水位信息输入的处理，对重度的处理，对各个孔点信息的处理，对输入深度的要求应该与专业人员的处理方法一致，达到专业软件专业化。

4)上部结构的计算结果是基础设计的依据，由于目前上部结构与基础设计是分开设计的，基础设计中不应只关心荷载，同时应关心上部结构的刚度。也许通过规范的规定，使单独进行上部结构计算是合适的、安全的，但基础设计规范要求在基础设计时要考虑上部结构的贡献，因为只有这样才使基础计算更加合理、更加经济。

5)基础类型可分为独立式与整体式，独立式基础是独立受力的基础，如独基、桩承台等，规范里面明确计算方法的规则独基或桩承台比较容易实现，对于异型承台及多柱承台按照力学方法重求计算公式;整体式基础是整体受力的基础，如筏基、格梁基础、箱基、桩梁、桩筏、桩箱等，规范没有给出计算方法，须通过有限元计算解决。

6)有限元计算本不是难题，主要是如何进行模型的建立，其中约束信息的确定是难题。因为地基的复杂性无法用唯一确定方法来解决，地基对建筑物的影响最后的反应是沉降，但是沉降的不确定性及与时间、环境的相关性使计算变得更加复杂。对复杂性的处理有多种方案，可由土的本构关系入手进行分析，目前的研究水平及勘察资料不足以保证结果的可靠性。可进行多种简化方案的比较，对非线性处理的经验的缺乏可用线性结果的修正来解决。如采用WINKLER模型为代表的弹性地基梁板模型来解决常见工程，对基床系数的修正来解决地基土的差异性及相互影响后的边角效应。工程中还会在特殊情况下用倒楼盖方法来解决基础的计算问题。基础计算模型的多样性及参数影响的关联性给基础设计带来困难，软件应该做什么，不应该做什么。软件不应该做连模型都不确定就自动计算出结果的事，工程设计人员的参与是必须的。

7)设计计算内容的详细程度与程序越来越相关，如设置后浇带是结构设计施工中经常采用的解决沉降差异较大及沉降不确定性的方法，没有后浇带的功能会使设计人员不知如何在合算与分算之间取舍，JCCAD首先解决了后浇带输入、计算问题。如承台之间的防水板的计算，可以在计算中将柱、墙作为支座，可以考虑独基、承台的厚度、桩的位置的影响。防水板是结构人员为了使受力简单进行简化的板，板与土不进行相互传力。

8)通用有限元程序可以解决具体模型的计算问题，对于基础计算模型不确定的问题也可通过多方案的比较计算来解决，由于上部结构刚度需要上部结构信息，如要考虑上部结构对基础计算的影响，在建立模型时要将上部结构、基础、地基约束信息一并输入，其带来的工作量及计算结果的可靠性是一般工程设计中不能承受的，计算结果的可靠性也难以保证。JCCAD解决了信息共享的问题，将上部结构计算结果自动读入，将上部结构作为整体计算的子结构与基础设计计算一并处理，解决了实际的工程需要。特别是在配筋阶段增加了峰值均化、均匀配筋等工程处理来解决板有限元计算结果中存在奇异点等问题，用MINDLIN中厚板单元来解决薄板、中厚板、厚板单元的计算，并有效地解决了剪力锁定问题。在板裂缝计算中不是一味地采用规范中梁裂缝的计算公式，在没有足够理论基础的前提下给出各点弯矩分布是一种负责的解决办法。

9)水浮力对基础计算的影响是多方面的，有不利影响如抗浮计算，有有利影响如可以减少桩数，还有未知影响如板的内力与配筋计算。对于水浮力的荷载分项系数的确定是没有统一的规定，设计人员有按恒载有按活载有按自己经验给定，这种工程的处理在程序设计中都要根据目前设计习惯进行考虑。

10)沉降的计算可以依据规范的方法，但考虑到土体的复杂性及简化方法的多样性，目前不同的规范有不同的方法，同一本规范还会提供不同的方法，各种方法实际上只是参考，真正的沉降只有在房屋造好后实测结果中得知，但是使用中的实际荷载与计算中采用的荷载也是不一致的。由于沉降具有时间相关性，在2～3年内沉降都会变化。设计要保证建造过程及建筑生命全周期的安全，如何用一次计算或有限次模拟计算使计算结果保证安全是程序必须面对的。在默认参数的给定中安全是第一位的，如WINKLER弹性地基梁计算中的基床系数确认有多种理论，有现场实测法、沉降计算反推法、经验系数法。这几种方法计算结果可能相差10倍，直接影响计算结果包括土的反力分布、板的变形、板的内力与配筋。经验系数法是二十年前相关研究成果及经验总结，但是二十年前的基础设计还没有上下部共同作用计算的概念及规范规定，而现在规范规定及实际设计过程大都采用考虑上部结构刚度影响的方法，直接采用过去的经验系数法会使设计不安全。

11)有限元计算比较难处理的是单元划分，由于实际工程的复杂性，单元自动划分的难度会加大，如何对单元划分进行干预也是软件必须解决的，单元的优劣影响计算结果的精度及准确性。JCCAD优先采用高精度四边八节点有限单元，辅助三角形单元。提供了多种方法自动生成，有基于底层网格进行自动划分，有基于墙、柱、桩位进行划分。

12)土的复杂性直接决定了地下结构设计的复杂性，考虑土、基础、地下结构、地上结构共同作用的进行计算分析是未来结构设计的趋势。土与结构相互影响是复杂的、动静力处理是不同的、理论研究是缺乏的，JCCAD与SATWE的处理只是一种牵强的处理办法，有必要开发新的软件来解决。

13)好的基础方案有基本的优化原则，在布桩时采用“荷载就地消化，沉降调平设计”，如何重心校核，如何确定桩数，如何考虑相互影响，如何考虑桩基规范中提出的增强与弱化指数，在基础初设计阶段将专业知识强化到软件菜单中。

2 JCCAD软件工程应用

PM建模、SATWE计算、基础设计是PKPM应用的主要环节。基础软件是目前用户较多的产品，在设计过程中不可或缺，用户上万家。通过这几年软件改进、积极服务、宣传推广，受到用户的欢迎。

多年科研积累及地基所的支持，使JCCAD软件具备针对高端客户的技术优势:

1)能解决大底盘(裙房)多塔基础的设计计算

2)实现上部结构—基础—桩—土共同作用的计算

3)及时针对新桩基规范需求实现了变刚度调平的设计

4)后浇带布置与计算是软件的又一特点

5)人防荷载、地下水水浮力的计算、抗浮验算

6)多种基础形式联用时的沉降计算

7)多种地基计算模型适应不同地基情况

目前中国建筑科学研究院地基所用JCCAD进行了许多工程的实践，解决设计及计算中的许多问题，下面介绍一个工程:

2．1 工程概况

北京望京B11-1地块项目(悠乐汇)B区工程，位于北京市朝阳区望京内环路与南湖渠东路交叉路口的东北侧。该工程由3座主楼及与之相连的裙房组成，整个工程位于同一整体大面积基础之上，基础平面尺寸约180×48 m。主楼平面尺寸39．9×27．3 m，地上27～28层，地下4层，框架核心筒结构，桩筏基础;裙房一部分为纯地下室，一部分为地上4层，框架结构，筏板基础。整个工程基础埋深相同，约 －17．60 m，建筑面积 22 万 m2。

该工程建筑结构三维图如图1。

图1 建筑结构三维图

图2 悠乐汇B区建筑、桩基纵剖面图

2．2 地质条件

本工程场地地貌单元属永定河冲洪积扇的中下部，按地质成因、特性分为人工填土层和一般第四纪沉积层。分别为:粘质粉土素填土①层，夹杂填土①1层;粘质粉土-砂质粉土②层夹粉质粘土-重粉质粘土②1层及粉细砂②2薄层或透镜体;粉细砂③层，夹粘质粉土-砂质粉土③1层透镜体;粉质粘土-重粉质粘土④层，夹粘质粉土④1层、细砂④2以及粘土薄层或透镜体;细中砂⑤层，夹粉质粘土⑤1层及粘质粉土薄层或透镜体;圆砾⑥层，夹细砂⑥1层和粉质粘土⑥2薄层或透镜体。

场地内第一层地下水水位埋深6．7 m，属上层滞水，第二层地下水水位埋深为9．9 m，属潜水，地下水对混凝土结构无腐蚀性。

2．3 基础设计

1)桩基设计方案

本工程桩基采用现场灌注桩结合后压浆专利技术，以大幅度提高基桩的承载力、增加基桩刚度、减少沉降。抗压桩实施桩侧、桩底复式压浆。

抗压桩桩径 800 mm，桩身强度 C30，桩长16．5 m，桩端持力层为细中砂⑤或圆砾⑥层，单桩抗压极限承载力标准值取8 600 kN。

通过基础筏板受力分析，筏板厚度主楼下1．6 m，主楼周围裙房1．0 m。

2)基桩布置

基桩的布置，综合考虑上部荷载与桩、土反力的整体平衡与局部平衡，考虑上部结构以及基础刚度的分布。布桩时强化刚度大、荷载集中的内筒区域，弱化荷载分散的核心区外围，并且使基桩集中布置在核心筒、柱的周围，尽量使基桩布置在内筒、柱下筏板的冲切破坏锥体之内。

每座主楼下布桩186根，三座主楼共布桩558根。

3)基础计算分析

在变刚度调平概念设计的基础上，进行地基基础与上部结构共同工作计算分析。通过共同作用计算调整布桩，使差异沉降趋于最小，筏板内力最小。

本工程最终的桩基布置图见图3，建筑物计算沉降见图4。

2．4 沉降实测

本工程从2006年2月基础施工完成开始进行沉降观测，主体结构封顶前1个月的沉降量见图5。

3 基于BIM技术的基础及地下空间设计软件研发介绍

正在进行研发的PKPM新产品软件是基于BIM技术的新一代产品，基于BIM技术的地基基础软件采用软件工程的方法，上部结构、地下空间设计统一考虑，从建模、计算到施工图按大结构的概念进行统一规划。在数据结构上保证上下部结构数据的统一，在数据中考虑基础设计的要素、水文地质资料的描述、非线性计算所需参数等等。程序架构上符合多人合作开发的思路。采用面向对象的编程方式重新编写代码，减少各个功能模块的耦合度，提高程序的健壮性和可重用性。

新产品在基础详细阶段时，要尽量兼容老用户的操作习惯，保留上部结构计算-读取荷载-基础布置-计算的操作流程。对于用户普遍反应的旧有软件操作不顺畅、修改上部结构丢数据、参数设计繁琐分散、不同菜单计算结果不统一等问题要予以根除。

新产品要增加对基础方案设计阶段的支持、增加上部结构地基基础整体计算分析功能、增加地下空间结构计算功能、增加对钢筋算量方案的支持。

主要模块划分如图6。

4 结论

复杂基础设计影响因素多，需要设计人员有较高的素质及工程经验，基础设计软件研发编制从实践中来到实践中去。不断总结需求，转化科研成果是基础设计软件成功的关键。JCCAD软件充分利用相关研究成果，使设计从一种定性的概念设计变得更加实用、定量化，使设计人员更加方便地将这种设计理念运用于工程设计中。PKPM将在近期推出基于BIM技术，采用软件工程开发，充分利用专业优势及计算机技术的基础设计新产品软件。

［1］刘金砺，迟铃泉，张武，王涛，刘金波，朱春明，杨生贵．高层建筑地基基础变刚度调平设计方法与处理技术［R］．北京:中国建筑科学研究院，2007．

［2］朱春明，刘金砺，邵弘，陈岱林，迟铃泉．基础设计中上部结构刚度贡献解决方案探讨［J］．建筑科学，2002，18(1)．

［3］朱春明．桩筏基础筏板实用计算方法探讨［C］，中国建筑学会地基基础学术委员会1992年论文集(桩基础专辑)．太原:山西高校联合出版社，1992:381-387．

［4］刘金砺，迟铃泉，朱春明，宰金珉，黄强，邵弘．带裙房高层建筑地基基础与上部结构共同工作计算方法［R］北京:中国建筑科学研究院研究报告，1996．

［5］独基、条基、钢筋混凝土地基梁、桩基础与筏板基础设计软件JCCAD［CP］，北京:中国建筑科学研究院，2006．

［6］JGJ94-2008建筑桩基技术规范［S］．