基于BIM技术和有限元分析的抗浮锚杆优化设计

凌康棋 许 福 谢大江 李世才，3

(1.湘潭大学土木工程与力学学院，湘潭 411105； 2.湘潭市规划建筑设计院，湘潭 411100； 3.四川柏慕联创工程技术服务有限公司，成都 610015)

基于BIM技术和有限元分析的抗浮锚杆优化设计

凌康棋1许 福1谢大江2李世才1，3

(1.湘潭大学土木工程与力学学院，湘潭 411105； 2.湘潭市规划建筑设计院，湘潭 411100； 3.四川柏慕联创工程技术服务有限公司，成都 610015)

建筑的抗浮设计至关重要，布置抗浮锚杆是地下室抗浮的主要措施之一。地下室和基础的变形位移是锚杆受力变化的根本原因，传统抗浮锚杆设计方法忽视了基础变形位移差异和锚杆受力的不均匀性，存在一定不合理性。本文结合BIM技术和有限元方法对某工程实例建立包含锚杆、基础和上部结构的整体模型，模拟高水位下筏板基础的上浮位移情况。在综合考虑上部结构荷载变化、上部结构刚度和上部结构与基础共同变形受力的前提下进行了有限元分析。结果表明，传统方案设计布置的锚杆所受拉力不均匀，存在一定的弊端，造成浪费。通过BIM技术和有限元分析有针对性地进行优化后，抗浮锚杆布置更为合理，达到了节约成本、降低工程风险的优化设计目的； 在上部建筑方案变动时，利用BIM技术联动修改的优势，跨平台将修改变更信息导入YJK结构计算软件，更新上部结构分析模型。上部结构变动导致的上部荷载和刚度变化情况在基础有限元分析模块中重新读取，完成从建筑方案变更到结构联动修改的全过程，优化结构设计流程，更为简洁合理，为建筑设计人员和结构设计人员协同工作提供了一定的经验参考。

抗浮；锚杆；BIM技术；不均匀受力；可视化

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.06.01

引言

随着我国社会经济的快速发展和国内城市化进程不断推进，城市高层建筑越来越多，人口密度也进一步增大，地下空间的开发和利用变得日益重要。埋深较深的大面积地下室的关键问题之一是抗浮设计，抗浮设计的优劣通常是整个基础甚至整个项目安全性和经济性的决定因素[1]。抗浮设计需要考虑的影响因素复杂多变，一般牵涉到地质情况、上部结构荷载分布、季节性水位变化等不确定因素[2]。传统的抗浮锚杆设计时，通常采用经验估算的方式均匀布置抗浮锚杆，造成抗浮锚杆的不合理布置； 在上部建筑方案发生变更时，结构方案随之发生变更，基础抗浮情况可能发生较大变动，传统抗浮设计方法需要重新估算上部荷载和水浮力，推算抗浮锚杆的抗拔承载力和所需锚杆根数，过程繁琐重复且容易出错。

本文以某带地下室的商业综合体为例，基于BIM技术对该项目地下室进行抗浮锚杆优化设计，采用YJK基础有限元模块，进行有限元分析计算，利用BIM技术可视化的优势对工程实例中地下室抗浮设计进行模拟，得出高水位工况下基础的三维位移情况，并针对性地对抗浮区域的抗浮锚杆布置和后期优化设计进行讨论分析； 利用BIM技术可联动修改的优势，在上部建筑方案变更时将变更信息跨平台导入结构计算软件，完成从建筑方案变更到结构联动修改的全过程，优化结构设计流程，可为BIM技术在抗浮锚杆设计中的应用提供参考[3-4]。

1 抗浮锚杆的传统设计方法

本工程为某大型小区的一栋高层住宅及配套商业广场，该项目位于市中心临街繁华地段，外围临街部分拟建一栋多层框架结构商场，内部拟建纯剪力墙住宅，带有整体式地下室。原方案拟建的Revit建筑模型如图1，商场拟建最高层四层五跨，层高均为5.1m，商场中间设地下室入口。

传统的抗浮锚杆经验设计方法的基本流程是将水浮力减去建筑物自重作为锚杆所需要承受的力，并假定锚杆均匀受力，用锚杆所需要承受的力除以单根锚杆的承载力得到所需锚杆数量，并均匀布置于抗浮区域[5-6]。

项目采用纯筏板的整体式基础，根据地勘报告资料和初步估算，设计6组不同抗浮水位下的工况模拟并分析剪力墙主楼附近位置的基础位移情况(图2a)。

图1 项目总平面图(a)及建筑方案效果图(b)

图2 不同水位下的基础位移云图(a)及上浮位移/抗浮水位关系折线图(b)

图3 YJK未采取抗浮措施的基础模型(a)及位移云图(b)

表1 国内外规范的水压力及永久荷载分项系数

荷载类型丹麦规范DS145欧洲规范CEN1992水工荷载规范DL5077上海规范DG/TJ08⁃11-2010澳门地工规章第60/96/M号水压力1010101210永久荷载1010(09)09～1009095

根据不同抗浮水位下的基础位移情况，绘制上浮位移/抗浮水位关系曲线图(如图2b)，分析图示统计数据曲线图，当抗浮水位从-1.00m升高到-0.50m时，上浮位移增量约为90mm，当抗浮水位从-0.50m升高到0.00m时，上浮位移增量接近170mm。可见，上浮位移量随抗浮水位的升高而增加，并呈现出更快的增长趋势。

整个商业综合体的基础有限元模拟基础抗浮变形情况(图3)，验证了前期的估算结论，因而考虑设置抗浮锚杆抵抗水浮力。

采用传统规范公式设计方法进行抗浮锚杆设计，目前国内最新《建筑地下结构抗浮技术规范》征求意见稿已经通过，地下水浮力是一种特殊的荷载，在《建筑地下结构抗浮技术规范》征求意见稿(下称意见稿)审议通过前，在浮力荷载计算上一般是参考《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)的相关规定，将其作为静荷载或者永久荷载考虑，永久荷载当其效应对结构有利时其分项系数取1.0，对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应按有关结构设计规范采用[7]。表一为国内外规范的分项系数的取值，在意见稿审议通过之前，实际工程设计时往往从中选取作为参考依据[8-10]。

依据意见稿第6.3、6.4条及相关条文说明，通过初步统计估算，筏板总面积约2 050m2，有剪力墙高层住宅位置的地下室依靠自重能够抵抗水浮力的作用，多层框架和没有上部结构的纯地下室位置需要采取抗浮措施以抵抗水浮力。

拟定单根抗浮锚杆抗拔承载力为60kN，采用常规的面状均匀排布， 2.0m×2.0m间距，共计528根锚杆，均匀布置于抗浮区域。根据地勘报告，本项目抗浮水位为-0.5m，将上述抗浮锚杆布置方案采用BIM技术进行模拟，选取1.0×恒载-1.2×水浮力基本组合进行抗浮工况模拟分析，考虑上部结构的荷载和刚度以及上部结构和基础共同受力变形的情况下，基础三维位移情况及抗浮效果如图4所示。

分析图4(b)可知，离剪力墙主楼较远的地下室角落是基础上浮峰值区域，该位置抗浮锚杆需要加强，框架结构商场角落位置上浮位移很小，此处锚杆存在一定程度的浪费。抗拔承载力验算图(图5)，验证了此推断，同时看到在剪力墙主楼附近存在大量没有发挥抗拔作用即拉力为0的锚杆。

上述分析表明传统方法设计的各抗浮锚杆受力不均，导致部分区域抗浮能力不足，部分区域锚杆布置无效，存在一定程度的浪费和安全隐患。

2 BIM技术和有限元分析的抗浮锚杆优化设计

图4 YJK基础模块中设置抗浮锚杆的基础模型(a)及位移云图(b)

图5 锚杆抗拔承载力验算结果截图

图6 优化前(a)、优化后(b)基础位移云图对比

针对传统规范公式方法设计的抗浮锚杆布置方案存在的问题，采用BIM技术可视化的优势进行优化设计。通过BIM结构分析软件YJK1.70建立包含上部结构、基础和抗浮锚杆的整体模型进行计算分析，在水浮力和上部荷载的共同作用下，BIM技术的三维整体模型可综合考虑上部结构及基础刚度，上部结构、基础与地基的共同受力及变形分布[3]。

基于BIM可视化技术，上浮位移直观地通过三维图形的方式展现。分析同等条件下优化后的基础三维位移情况(图7)，三维位移云图最大正位移：13.0mm最大负位移：-14.6mm(程序规定基础向下位移为正)，最大位移差为27.6mm。(优化前最大正位移：16.8mm和最大位移差为31.4mm)，利用BIM技术和有限元分析，有针对性地定点地优化抗浮锚杆，撤销拉力为零的多余锚杆，加强加密拉力过大的抗浮锚杆，形成新的布置方案，在保证了原来方案抗浮效果的基础上锚杆根数从528根减少为335根，减少了193根锚杆，达到了节约成本、降低工程风险的优化设计目的。

图7 锚杆承受拉力分布图

对比优化前后的方案和原方案的锚杆受力分布区间和基础三维位移云图情况可知：

1)传统方案下，存在大量的拉力为零的锚杆，修改后的方案撤销了大量拉力为零的无效抗浮锚杆，节省了成本，避免了材料的浪费；

2)传统方案下，锚杆承受拉力大多集中在0-10kN，绝大部分锚杆抗拉承载力没有得到充分发挥，修改后的方案锚杆承受拉力区间集中于11-30kN，锚杆受力更加均匀，充分地发挥了锚杆的抗拔作用；

3)分析三维位移云图，相比于传统方案的基础位移利用BIM技术的可视化优势有针对性地优化后基础上浮位移更加均匀，没有明显的峰值位移区。

3 建筑方案变更情况下抗浮锚杆的设计

在结构上部和基础设计和分析调整完成后，建筑师按照业主使用功能的考虑更改了建筑方案，同时，由于商场设备管线的铺设和建筑立面造型的美观，框架结构的层高发生了改变：

1)商场原定的五跨框架层数降低，同时左右各对称增加一跨，层数为三层；

2)商场底层层高改为4.2m，其余层层高为5.1m；

3)商场靠小区内侧的一层屋顶增设屋顶花园和游泳池。

基于BIM技术可联动更新修改的优势，将Revit平台中的建筑方案的修改变更信息跨平台导出到BIM结构分析软件YJK1.70中，联动更新修改YJK软件中的上部结构分析模型。YJK软件的上部结构变动导致的上部荷载和刚度变化情况，可在基础有限元分析模块中重新读取，利用BIM可联动修改更新的技术优势，完成从建筑方案变更到结构联动修改的全过程，避免了传统设计方法中因上部建筑方案变更，结构分析模型从上至下全部调整甚至重建的大量重复的工作。

BIM可视化技术重新对抗浮工况进行模拟分析，在上部结构发生变化后，原有抗浮锚杆布置不变的情况下，基础三维位移云图对比情况如图8。可以看到，商场部分的位移变化情况很明显，需要对抗浮锚杆设计进行调整。

分析基础位移云图，由于靠小区内侧的商场一层屋顶平台增设了屋顶花园和游泳池，恒荷载和活荷载都有较大的增加，该位置的上浮位移大幅度减小，而两侧新增的一跨由于没有设置抗浮锚杆，成为了上浮位移的峰值区域。

通过BIM的联动更新修改和可视化的技术优势，更新了上部结构变更和基础受力变化情况，定点地再次优化了锚杆布置方案，重新分析基础位移云图，上浮位移峰值控制与建筑方案修改之前大致相同水平，锚杆数量从335根进一步减少为296根。

图8 建筑变更前(a)、变更后(b)的基础三维位移云图

图9 上部结构和基础整体结构模型(a)及优化后基础位移云图(b)

4 结论

经过上述工程实例的方案变更和抗浮设计分析，对变更前后抗浮锚杆设计方案的优化效果对比，得到如下结论：

(1)传统方法抗浮锚杆设计在某些抗浮区域存在抗拔承载力冗余，在某些区域又存在不足，锚杆的布置不合理；

(2)随着抗浮水位的升高，基础上浮位移量并非呈现线性增长，而是以更快的速率增加，在基础抗浮设计时要特别注意季节性地下水位变化，选取更为可靠的抗浮设计水位；

(3)BIM技术的可视化优势可为抗浮设计提供可靠直观的三维唯一图，便于结构设计人员更准确的判断基础抗浮情况，同时，改进抗浮锚杆设计方法，锚杆的布置和受力更合理为相关工程应用BIM技术提供参考;

(4)BIM技术的三维整体模型分析计算以及BIM技术可联动更新修改的优势，综合考虑了上部建筑结构变化对基础受力及抗浮的影响，同时还避免了传统设计方法中因上部建筑方案变更，结构分析模型从上至下全部调整甚至重建的大量重复的工作，节约了结构设计人员的时间和精力，为建筑设计人员和结构设计人员协同工作提供了一定的经验参考。

[1]孙树勋. 大型地下工程抗浮锚杆整体优化研究[J].工程质量， 2015(03)： 76-80.

[2]GB 50007-2011 建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社， 2011.

[3]基础设计软件YJK-F用户手册及技术条件[M].北京盈建科软件有限责任公司， 2014.

[4]孙绍东. 抗浮锚杆合理设计探讨[J].建筑结构， 2013.(22)： 80-85.

[5]吴铮. 地下室底板抗浮锚杆合理布置与工程应用[J].建筑结构， 2015(11)： 97-99.

[6]王家林. 抗浮锚杆的布置方式及防水板的设计探讨[J].建筑结构， 2012:518-519.

[7]GB 50009-2012 建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社， 2012.

[8]郭丰涛. 浅析抗浮锚杆的抗浮设计[J].建筑结构， 2013:675-676.

[9]CECS 22:2005 岩土锚杆(索)技术规程[S].北京：中国计划出版社， 2005.

[10]GB 50330-2013 建筑边坡工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社， 2013.

Optimization Design of Anti-floating Anchor Rod based on BIM Technology and Finite Element Analysis

Ling Kangqi1， Xu Fu1， Xie Dajiang2， Li Shicai1,3

(1.CollegeofCivilEngineeringandMechanics,Xiangtan411105,China; 2.XiangtanCityPlanningandArchitecturalDesignInstitute,Xiangtan411100,China; 3.SiChuanLianChuangEngineeringTechnicalServiceLimitedCompany,Chengdu610015,China)

The anti-floating design of building is very important，and the arrangement of anti-floating anchor is one of the main measures for anti-floating in the basement.The deformation displacement of the basement and foundation is the root cause of the change of anchor force.The traditional anti-floating anchor design method ignores the difference of foundation deformation displacement and the uneven force of the bolt.Based on the BIM technology and the finite element method，the whole model of the anchor，foundation and superstructure was established to simulate the floating displacement of raft foundation under high water level.The finite element analysis is carried out under the premise of considering the upper structure load variation，the upper structure stiffness，the upper structure and the foundation.The results show that the tension of the anchor rod which is arranged by the traditional scheme design is not uniform，and there are some disadvantages，which result in waste.Anti-floating anchor arrangement is more reasonable by using BIM technology and finite element analysis and save the cost and reduce the project risk.During the change of the superstructure，the advantage of BIM technology is used to modify the data，and the cross platform will change the information into the YJK structure calculation software，and update the upper structure analysis model.The upper load and stiffness leads to changes in the re-read module based on finite element analysis of changes in the superstructure，completes the whole process from the construction project changes to the structure of linkage modification，structures the optimization design process，makes it more brief and reasonable.

Anti-floating； Anchor Rod； BIM Technology； Non Uniform Force； Visualization

凌康棋(1992-),男，硕士,主要研究方向：BIM技术在建筑结构设计中的应用；

许 福(1980-)，男，副教授，博士，主要从事建筑工业化与建筑工程信息技术研究。

TU17;TU32

A

1674-7461(2016)06-0001-07