某汽车厂总装车间基础一体化设计计算方法

李 亮 英

(上海市机电设计研究院有限公司，上海　200040)

0　引言

一般而言，基础作为连接上部结构和地基的重要承重构件，负担了承受建筑物全部荷载的重任，基础不仅需要自身具有足够的强度和耐久性，还需要保证与地基土之间有效的共同作用，确保地基土体能够承担上部结构传递下来的各种荷载。因此基础设计作为结构设计过程中的重要一环，对整体结构的安全性及经济性起到了非常大的影响。

基础设计不同于上部结构构件的设计，除了需要考虑上部结构不同工况下的荷载组合，还受到地基土物理性质的离散性、土层起伏以及地下水位起伏等诸多因素的影响，造成基础设计的计算量非常庞大。一栋建筑物的上部结构只能有一个结构形式，但其基础却可以同时存在天然基础、桩基础、筏板基础等多个基础形式；对于大底盘基础及联合基础，基础设计时需要考虑的荷载工况数量更是成指数增长。

对于一些地基条件较好，基础形式简单且体型单一的建筑，现已有设计软件可以直接读取上部结构的计算结果，并自动进行基础设计。但对于大型复杂的建筑集群，上部结构往往采用多个软件设计，其中有些软件侧重于上部结构分析，没有对应的基础设计模块，同时输出的柱底反力格式各不相同，因此很难找到一个能兼容所有上部结构设计软件的基础设计软件。以往遇到类似的情况，只能采用手算的方式，计算效率低下，且容易造成安全隐患或材料浪费。

为了解决这种困境，我们回避了让基础设计软件适应所有上部结构设计软件的问题，而是换一种思路，通过一些商业化的数据接口，将上部结构模型转换为格式统一的整体模型，直接将上部结构的计算结果输出到基础设计软件中，具体流程详见图1。这样可以使上部结构的计算与基础设计无缝对接，各工况下的柱底反力可通过计算机直接导入基础设计模型中，不再需要人工输入。再通过地质报告数据文件，做到每一个基础的精细化设计，同时可以验算整体结构的沉降，提高设计效率和质量。

本文的项目通过一些商业化的数据接口，将上部结构模型转换为格式统一的整体模型，直接将上部结构的计算结果输入到基础设计软件中。这样可以使上部结构的计算与基础设计无缝对接，各工况下的柱底反力可通过计算机直接导入基础设计模型中，不再需要人工输入。再通过地质报告数据文件，做到每一个基础的精细化设计，同时可以验算整体结构的沉降，提高设计效率和质量。

1　工程概况

本项目位于上海某汽车工厂的老厂区内，其中总装车间、食堂和生活楼为老建筑拆除后新建的厂房，原址上曾经进行过多次拆建，现有的资料表明从1985年至今，已存在过3个油漆车间，一个总装车间，一个焊装车间，一个冲压车间，一个多层过街悬链天桥，一个5层办公楼，一个2层食堂，一个废水处理站和一个变电所。新建总装车间时这些建筑物的上部结构均被拆除，但地下存留有大量的桩、基础承台、设备基础、水池等无法清理的障碍物。除此之外，车间南侧还有一条河道需要进行改道，将老河道回填，并在新建车间外侧开挖一条新的河道。图2为总装车间上部结构透视图(结构形式包括：网架、桁架、2个5层混凝土框架、内部2个单层混凝土框架，还有一个过河的管廊)。

2　设计过程

2.1　方案确定

本项目由于是在老厂房拆除重建的基础上进行施工，因此现场存在大量的老桩，这些桩在地下已存在20年，在土体自然挤密的作用下，其承载力比原设计更高，沉降也更小，因此在方案设计阶段考虑了两种设计方案，方案一为新建厂房尽量利用老桩，即新老桩共同使用的方式；方案二为废弃所有的老桩，全部采用新的工程桩。按照原有的计算方法，在一个设计周期内完成两套不同的基础设计几乎是不可能的任务，尤其是老桩的位置离散性很大，会出现很多形状不均匀的基础承台，仅仅将老桩输入到计算模型中就是一个艰巨的任务，更是加大了利用老桩基础设计方案的难度。最终经过项目评审，决定选用桩基+独立承台形式，北侧选用钻孔灌注桩，南侧选用PHC管桩，河道回填区采用小直径的PHC管桩对厂房地坪进行加固处理，施工中遇到老桩的时候现场进行调整。

2.2　导入方法

经过对多个软件的测试与比较，我们采用YJK软件来实现基础整体建模。YJK软件具有完善的基础设计模块，可以对天然基础、桩基础、筏板基础等进行承载计算、配筋设计和沉降验算。同时上部结构也支持混凝土结构、钢结构和空间结构的计算，具有较强的通用性。整体模型建模的实现过程分为两步，第一步，将采用不同分析软件计算的上部结构各单体模型转为YJK单体模型；第二步，将得到的各个YJK单体模型拼接为YJK整体模型。

其中网架模型采用MST模型，混凝土框架采用PKPM模型，桁架采用3D3S模型，过河管廊采用YJK模型，这些模型均转化为YJK模型，然后在工程拼装里面拼接成为整体模型。

2.3　整体模型基础设计流程

整体模型基础设计与常规的基础设计流程相似。完成整体模型拼装、上部结构计算参数设置并完成计算后，打开基础建模模块，重新读取数据后，进行参数设置，在参数“与基础相接的楼层号输入方式”输入各与基础相接的层号。其余参数根据各工程实际情况选取，完成参数设置之后需要点击“重新读取”操作，方可显示所有与基础连接楼层的柱子。

完成广义层设置后，可按照地勘报告输入地质资料，随后在菜单“荷载”中设置荷载组合参数。与一般简单模型的基础计算不同，整体基础模型必须再选择“上部荷载显示”，显示某一荷载工况下整体模型各柱底反力计算结果，将该结果与各单体模型相应工况下各柱底反力计算结果进行比对，判断导入基础计算的柱底反力是否丢失或出现异常，如与单体模型相比出现明显的差异，必须返回查找原因并将其排除。

完成对导入基础计算的柱底反力判断后，即可进行基础构件的布置，YJK软件常见基础布置菜单集成于一体，可以根据工程情况方便的进行基础布置操作。完成基础布置后进入“基础计算及结果输出”模块，核对计算参数、生成数据并检查计算简图和荷载后即可进行基础计算。除建模计算过程明确方便以外软件也有方便的基础计算结果输出界面，能快速生成符合11G101—3要求的图纸，从而提高出图效率。

主厂房管桁架采用3D3S软件计算，该软件缺少方便的基础计算模块，常规基础设计方法是人工读取基础数据，手动输入结构设计工具箱计算设计。该厂房荷载分布复杂，各柱底内力差异较大，从图2可以看出，若按此方法操作，设计任务繁重，难以满足目前项目设计周期短，变更频繁的设计现状。且该项目设有多个抗震缝，造成较多的联合承台，按照以往的设计方法更是事倍功半。根据之前项目类似的设计经验，采用人工计算的方法，仅基础部分的计算就花费超过1个月的时间，完成计算后的绘图也花费了近1个月，后期因上部荷载变化，又花费3个星期的时间进行校核，效率极其低下。为此该项目采用整体建模设计方法进行基础设计，结果计算和绘图总共不到1月的时间，期间还经历了一次轴线移动和荷载变化的重大变更，证明该方法可以极大地提高基础部分的设计效率。

为确保安全，分别对各工况下的柱底荷载进行了仔细比较。表1为总装车间主厂房单体模型(3D3S计算)与YJK整体模型某一柱底各工况反力的比较，从中可以看出除工况X/Y向风计算结果差别较大外，恒载、活载、X/Y向地震工况计算结果均非常接近。而X/Y向风荷载整体模型计算结果大于软件3D3S单体模型计算结果。

表1　3D3S单体模型与YJK整体模型柱脚反力比较表

经过分析与研究，查明风载计算结果差异的原因是软件计算假定造成的，3D3S风荷载仅在最外围的柱子上布置，而YJK软件则在所有柱上布置风荷载，这种假定方式更适用于多高层结构，对高宽比较小的工业厂房不太适合，这个问题现在已经通过后期增加适合工业厂房计算风载计算模式加以解决了。同时为了查明风荷载偏大对本工程造价的影响，采用另一不计算风载的模型与之比较，发现桩的数量、承台大小及配筋均未发生变化，表明工况X/Y向风对本工程不起控制作用，不会因此造成投资成本的增加。

此外，对比所有区域单体模型与整体模型恒载工况与活载工况柱底反力计算的结果，两者差异均满足工程精度。

3　结语

本文详细介绍了总装车间复杂基础的一体化设计计算方法，以及建模设计过程中需要注意的要点，以实际工程证明基础的整体建模设计方法具有良好的适应性，不仅可以减少基础设计的计算工作量，更可以通过导入CAD图纸的方式加快基础部分的建模速度，能极大地提高工作效率和设计精度，在今后的工程项目中可广泛推广。

通过本工程实例，可以汇总出一体化建模设计方法相较传统计算方法的优点：

1)一体化建模方法一次性完成设计、计算、出图，计算效率更高。

2)多柱联合基础直接生成柱底反力，可考虑所有荷载工况和组合，不会留下安全隐患。

3)基础平面图由计算软件可直接生成，确保了计算与图纸的一致性。

4)设计完成后如果上部结构发生变更，可直接修改整体模型并验算已有基础是否可靠。