某汽車廠總裝車間基礎一體化設計計算方法

李 亮 英

(上海市機電設計研究院有限公司，上海　200040)

0　引言

一般而言，基礎作為連接上部結構和地基的重要承重構件，負擔了承受建筑物全部荷載的重任，基礎不僅需要自身具有足夠的強度和耐久性，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上部結構傳遞下來的各種荷載。因此基礎設計作為結構設計過程中的重要一環，對整體結構的安全性及經濟性起到了非常大的影響。

基礎設計不同于上部結構構件的設計，除了需要考慮上部結構不同工況下的荷載組合，還受到地基土物理性質的離散性、土層起伏以及地下水位起伏等諸多因素的影響，造成基礎設計的計算量非常龐大。一棟建筑物的上部結構只能有一個結構形式，但其基礎卻可以同時存在天然基礎、樁基礎、筏板基礎等多個基礎形式；對于大底盤基礎及聯合基礎，基礎設計時需要考慮的荷載工況數量更是成指數增長。

對于一些地基條件較好，基礎形式簡單且體型單一的建筑，現已有設計軟件可以直接讀取上部結構的計算結果，并自動進行基礎設計。但對于大型復雜的建筑集群，上部結構往往采用多個軟件設計，其中有些軟件側重于上部結構分析，沒有對應的基礎設計模塊，同時輸出的柱底反力格式各不相同，因此很難找到一個能兼容所有上部結構設計軟件的基礎設計軟件。以往遇到類似的情況，只能采用手算的方式，計算效率低下，且容易造成安全隱患或材料浪費。

為了解決這種困境，我們回避了讓基礎設計軟件適應所有上部結構設計軟件的問題，而是換一種思路，通過一些商業化的數據接口，將上部結構模型轉換為格式統一的整體模型，直接將上部結構的計算結果輸出到基礎設計軟件中，具體流程詳見圖1。這樣可以使上部結構的計算與基礎設計無縫對接，各工況下的柱底反力可通過計算機直接導入基礎設計模型中，不再需要人工輸入。再通過地質報告數據文件，做到每一個基礎的精細化設計，同時可以驗算整體結構的沉降，提高設計效率和質量。

本文的項目通過一些商業化的數據接口，將上部結構模型轉換為格式統一的整體模型，直接將上部結構的計算結果輸入到基礎設計軟件中。這樣可以使上部結構的計算與基礎設計無縫對接，各工況下的柱底反力可通過計算機直接導入基礎設計模型中，不再需要人工輸入。再通過地質報告數據文件，做到每一個基礎的精細化設計，同時可以驗算整體結構的沉降，提高設計效率和質量。

1　工程概況

本項目位于上海某汽車工廠的老廠區內，其中總裝車間、食堂和生活樓為老建筑拆除后新建的廠房，原址上曾經進行過多次拆建，現有的資料表明從1985年至今，已存在過3個油漆車間，一個總裝車間，一個焊裝車間，一個沖壓車間，一個多層過街懸鏈天橋，一個5層辦公樓，一個2層食堂，一個廢水處理站和一個變電所。新建總裝車間時這些建筑物的上部結構均被拆除，但地下存留有大量的樁、基礎承臺、設備基礎、水池等無法清理的障礙物。除此之外，車間南側還有一條河道需要進行改道，將老河道回填，并在新建車間外側開挖一條新的河道。圖2為總裝車間上部結構透視圖(結構形式包括：網架、桁架、2個5層混凝土框架、內部2個單層混凝土框架，還有一個過河的管廊)。

2　設計過程

2.1　方案確定

本項目由于是在老廠房拆除重建的基礎上進行施工，因此現場存在大量的老樁，這些樁在地下已存在20年，在土體自然擠密的作用下，其承載力比原設計更高，沉降也更小，因此在方案設計階段考慮了兩種設計方案，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。按照原有的計算方法，在一個設計周期內完成兩套不同的基礎設計幾乎是不可能的任務，尤其是老樁的位置離散性很大，會出現很多形狀不均勻的基礎承臺，僅僅將老樁輸入到計算模型中就是一個艱巨的任務，更是加大了利用老樁基礎設計方案的難度。最終經過項目評審，決定選用樁基+獨立承臺形式，北側選用鉆孔灌注樁，南側選用PHC管樁，河道回填區采用小直徑的PHC管樁對廠房地坪進行加固處理，施工中遇到老樁的時候現場進行調整。

2.2　導入方法

經過對多個軟件的測試與比較，我們采用YJK軟件來實現基礎整體建模。YJK軟件具有完善的基礎設計模塊，可以對天然基礎、樁基礎、筏板基礎等進行承載計算、配筋設計和沉降驗算。同時上部結構也支持混凝土結構、鋼結構和空間結構的計算，具有較強的通用性。整體模型建模的實現過程分為兩步，第一步，將采用不同分析軟件計算的上部結構各單體模型轉為YJK單體模型；第二步，將得到的各個YJK單體模型拼接為YJK整體模型。

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

2.3　整體模型基礎設計流程

整體模型基礎設計與常規的基礎設計流程相似。完成整體模型拼裝、上部結構計算參數設置并完成計算后，打開基礎建模模塊，重新讀取數據后，進行參數設置，在參數“與基礎相接的樓層號輸入方式”輸入各與基礎相接的層號。其余參數根據各工程實際情況選取，完成參數設置之后需要點擊“重新讀取”操作，方可顯示所有與基礎連接樓層的柱子。

完成廣義層設置后，可按照地勘報告輸入地質資料，隨后在菜單“荷載”中設置荷載組合參數。與一般簡單模型的基礎計算不同，整體基礎模型必須再選擇“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算結果，將該結果與各單體模型相應工況下各柱底反力計算結果進行比對，判斷導入基礎計算的柱底反力是否丟失或出現異常，如與單體模型相比出現明顯的差異，必須返回查找原因并將其排除。

完成對導入基礎計算的柱底反力判斷后，即可進行基礎構件的布置，YJK軟件常見基礎布置菜單集成于一體，可以根據工程情況方便的進行基礎布置操作。完成基礎布置后進入“基礎計算及結果輸出”模塊，核對計算參數、生成數據并檢查計算簡圖和荷載后即可進行基礎計算。除建模計算過程明確方便以外軟件也有方便的基礎計算結果輸出界面，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軟件計算，該軟件缺少方便的基礎計算模塊，常規基礎設計方法是人工讀取基礎數據，手動輸入結構設計工具箱計算設計。該廠房荷載分布復雜，各柱底內力差異較大，從圖2可以看出，若按此方法操作，設計任務繁重，難以滿足目前項目設計周期短，變更頻繁的設計現狀。且該項目設有多個抗震縫，造成較多的聯合承臺，按照以往的設計方法更是事倍功半。根據之前項目類似的設計經驗，采用人工計算的方法，僅基礎部分的計算就花費超過1個月的時間，完成計算后的繪圖也花費了近1個月，后期因上部荷載變化，又花費3個星期的時間進行校核，效率極其低下。為此該項目采用整體建模設計方法進行基礎設計，結果計算和繪圖總共不到1月的時間，期間還經歷了一次軸線移動和荷載變化的重大變更，證明該方法可以極大地提高基礎部分的設計效率。

為確保安全，分別對各工況下的柱底荷載進行了仔細比較。表1為總裝車間主廠房單體模型(3D3S計算)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向風計算結果差別較大外，恒載、活載、X/Y向地震工況計算結果均非常接近。而X/Y向風荷載整體模型計算結果大于軟件3D3S單體模型計算結果。

表1　3D3S單體模型與YJK整體模型柱腳反力比較表

經過分析與研究，查明風載計算結果差異的原因是軟件計算假定造成的，3D3S風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荷載，這種假定方式更適用于多高層結構，對高寬比較小的工業廠房不太適合，這個問題現在已經通過后期增加適合工業廠房計算風載計算模式加以解決了。同時為了查明風荷載偏大對本工程造價的影響，采用另一不計算風載的模型與之比較，發現樁的數量、承臺大小及配筋均未發生變化，表明工況X/Y向風對本工程不起控制作用，不會因此造成投資成本的增加。

此外，對比所有區域單體模型與整體模型恒載工況與活載工況柱底反力計算的結果，兩者差異均滿足工程精度。

3　結語

本文詳細介紹了總裝車間復雜基礎的一體化設計計算方法，以及建模設計過程中需要注意的要點，以實際工程證明基礎的整體建模設計方法具有良好的適應性，不僅可以減少基礎設計的計算工作量，更可以通過導入CAD圖紙的方式加快基礎部分的建模速度，能極大地提高工作效率和設計精度，在今后的工程項目中可廣泛推廣。

通過本工程實例，可以匯總出一體化建模設計方法相較傳統計算方法的優點：

1)一體化建模方法一次性完成設計、計算、出圖，計算效率更高。

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

3)基礎平面圖由計算軟件可直接生成，確保了計算與圖紙的一致性。

4)設計完成后如果上部結構發生變更，可直接修改整體模型并驗算已有基礎是否可靠。