朱春明 劉鐵銳 劉 華 杜 斌

(中國建筑科學研究院，北京 100013)

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

1 軟件的技術要求

要做好基礎設計軟件，先要換位思考，將自己想象成進行基礎設計的工程師，根據工程設計流程分解工作內容，提出項目需求。可以通過網絡信息、用戶問題、問卷調查、上門咨詢等方式了解基礎設計工作的相關內容及專業(yè)需求，總結出程序以下所要解決的專業(yè)及技術難點。

1)地質資料中有效信息的輸入。地質資料內容多且雜，有些內容對于結構工程師比較生疏，如土的液性指數等物理參數，它對計算有多大影響。許多內容是巖土工程師的知識內容，如土層的標高與建筑物結構標高的關系，地質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)地質資料是進行基礎方案初設計的依據，工程師要根據工程經驗進行基礎方案的選擇。這種工作在程序中無法自動實現時，可以做計算機能做的，特別是重復性的比較工作。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、預制樁等，各種方法承載力計算選用參數是不一樣的。在選用參數時還會遇到規(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關注的，程序對水位信息輸入的處理，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該與專業(yè)人員的處理方法一致，達到專業(yè)軟件專業(yè)化。

4)上部結構的計算結果是基礎設計的依據，由于目前上部結構與基礎設計是分開設計的，基礎設計中不應只關心荷載，同時應關心上部結構的剛度。也許通過規(guī)范的規(guī)定，使單獨進行上部結構計算是合適的、安全的，但基礎設計規(guī)范要求在基礎設計時要考慮上部結構的貢獻，因為只有這樣才使基礎計算更加合理、更加經濟。

5)基礎類型可分為獨立式與整體式，獨立式基礎是獨立受力的基礎，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，對于異型承臺及多柱承臺按照力學方法重求計算公式;整體式基礎是整體受力的基礎，如筏基、格梁基礎、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，主要是如何進行模型的建立，其中約束信息的確定是難題。因為地基的復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是沉降，但是沉降的不確定性及與時間、環(huán)境的相關性使計算變得更加復雜。對復雜性的處理有多種方案，可由土的本構關系入手進行分析，目前的研究水平及勘察資料不足以保證結果的可靠性。可進行多種簡化方案的比較，對非線性處理的經驗的缺乏可用線性結果的修正來解決。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，對基床系數的修正來解決地基土的差異性及相互影響后的邊角效應。工程中還會在特殊情況下用倒樓蓋方法來解決基礎的計算問題?；A計算模型的多樣性及參數影響的關聯(lián)性給基礎設計帶來困難，軟件應該做什么，不應該做什么。軟件不應該做連模型都不確定就自動計算出結果的事，工程設計人員的參與是必須的。

7)設計計算內容的詳細程度與程序越來越相關，如設置后澆帶是結構設計施工中經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。防水板是結構人員為了使受力簡單進行簡化的板，板與土不進行相互傳力。

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，由于上部結構剛度需要上部結構信息，如要考慮上部結構對基礎計算的影響，在建立模型時要將上部結構、基礎、地基約束信息一并輸入，其帶來的工作量及計算結果的可靠性是一般工程設計中不能承受的，計算結果的可靠性也難以保證。JCCAD解決了信息共享的問題，將上部結構計算結果自動讀入，將上部結構作為整體計算的子結構與基礎設計計算一并處理，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的前提下給出各點彎矩分布是一種負責的解決辦法。

9)水浮力對基礎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，還有未知影響如板的內力與配筋計算。對于水浮力的荷載分項系數的確定是沒有統(tǒng)一的規(guī)定，設計人員有按恒載有按活載有按自己經驗給定，這種工程的處理在程序設計中都要根據目前設計習慣進行考慮。

10)沉降的計算可以依據規(guī)范的方法，但考慮到土體的復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性，在2～3年內沉降都會變化。設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果保證安全是程序必須面對的。在默認參數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確認有多種理論，有現場實測法、沉降計算反推法、經驗系數法。這幾種方法計算結果可能相差10倍，直接影響計算結果包括土的反力分布、板的變形、板的內力與配筋。經驗系數法是二十年前相關研究成果及經驗總結，但是二十年前的基礎設計還沒有上下部共同作用計算的概念及規(guī)范規(guī)定，而現在規(guī)范規(guī)定及實際設計過程大都采用考慮上部結構剛度影響的方法，直接采用過去的經驗系數法會使設計不安全。

11)有限元計算比較難處理的是單元劃分，由于實際工程的復雜性，單元自動劃分的難度會加大，如何對單元劃分進行干預也是軟件必須解決的，單元的優(yōu)劣影響計算結果的精度及準確性。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，有基于底層網格進行自動劃分，有基于墻、柱、樁位進行劃分。

12)土的復雜性直接決定了地下結構設計的復雜性，考慮土、基礎、地下結構、地上結構共同作用的進行計算分析是未來結構設計的趨勢。土與結構相互影響是復雜的、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的處理辦法，有必要開發(fā)新的軟件來解決。

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

2 JCCAD軟件工程應用

PM建模、SATWE計算、基礎設計是PKPM應用的主要環(huán)節(jié)。基礎軟件是目前用戶較多的產品，在設計過程中不可或缺，用戶上萬家。通過這幾年軟件改進、積極服務、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優(yōu)勢:

1)能解決大底盤(裙房)多塔基礎的設計計算

2)實現上部結構—基礎—樁—土共同作用的計算

3)及時針對新樁基規(guī)范需求實現了變剛度調平的設計

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)多種基礎形式聯(lián)用時的沉降計算

7)多種地基計算模型適應不同地基情況

目前中國建筑科學研究院地基所用JCCAD進行了許多工程的實踐，解決設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)望京內環(huán)路與南湖渠東路交叉路口的東北側。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之上，基礎平面尺寸約180×48 m。主樓平面尺寸39．9×27．3 m，地上27～28層，地下4層，框架核心筒結構，樁筏基礎;裙房一部分為純地下室，一部分為地上4層，框架結構，筏板基礎。整個工程基礎埋深相同，約 －17．60 m，建筑面積 22 萬 m2。

該工程建筑結構三維圖如圖1。

圖1 建筑結構三維圖

圖2 悠樂匯B區(qū)建筑、樁基縱剖面圖

2．2 地質條件

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

場地內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，地下水對混凝土結構無腐蝕性。

2．3 基礎設計

1)樁基設計方案

本工程樁基采用現場灌注樁結合后壓漿專利技術，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、樁底復式壓漿。

抗壓樁樁徑 800 mm，樁身強度 C30，樁長16．5 m，樁端持力層為細中砂⑤或圓礫⑥層，單樁抗壓極限承載力標準值取8 600 kN。

通過基礎筏板受力分析，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，考慮上部結構以及基礎剛度的分布。布樁時強化剛度大、荷載集中的內筒區(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筒、柱下筏板的沖切破壞錐體之內。

每座主樓下布樁186根，三座主樓共布樁558根。

3)基礎計算分析

在變剛度調平概念設計的基礎上，進行地基基礎與上部結構共同工作計算分析。通過共同作用計算調整布樁，使差異沉降趨于最小，筏板內力最小。

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月基礎施工完成開始進行沉降觀測，主體結構封頂前1個月的沉降量見圖5。

3 基于BIM技術的基礎及地下空間設計軟件研發(fā)介紹

正在進行研發(fā)的PKPM新產品軟件是基于BIM技術的新一代產品，基于BIM技術的地基基礎軟件采用軟件工程的方法，上部結構、地下空間設計統(tǒng)一考慮，從建模、計算到施工圖按大結構的概念進行統(tǒng)一規(guī)劃。在數據結構上保證上下部結構數據的統(tǒng)一，在數據中考慮基礎設計的要素、水文地質資料的描述、非線性計算所需參數等等。程序架構上符合多人合作開發(fā)的思路。采用面向對象的編程方式重新編寫代碼，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。

新產品在基礎詳細階段時，要盡量兼容老用戶的操作習慣，保留上部結構計算-讀取荷載-基礎布置-計算的操作流程。對于用戶普遍反應的舊有軟件操作不順暢、修改上部結構丟數據、參數設計繁瑣分散、不同菜單計算結果不統(tǒng)一等問題要予以根除。

新產品要增加對基礎方案設計階段的支持、增加上部結構地基基礎整體計算分析功能、增加地下空間結構計算功能、增加對鋼筋算量方案的支持。

主要模塊劃分如圖6。

4 結論

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

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

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［6］JGJ94-2008建筑樁基技術規(guī)范［S］．