凌康棋 許 福 謝大江 李世才，3

(1.湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105； 2.湘潭市規(guī)劃建筑設(shè)計院，湘潭 411100； 3.四川柏慕聯(lián)創(chuàng)工程技術(shù)服務(wù)有限公司，成都 610015)

基于BIM技術(shù)和有限元分析的抗浮錨桿優(yōu)化設(shè)計

凌康棋1許 福1謝大江2李世才1，3

(1.湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105； 2.湘潭市規(guī)劃建筑設(shè)計院，湘潭 411100； 3.四川柏慕聯(lián)創(chuàng)工程技術(shù)服務(wù)有限公司，成都 610015)

建筑的抗浮設(shè)計至關(guān)重要，布置抗浮錨桿是地下室抗浮的主要措施之一。地下室和基礎(chǔ)的變形位移是錨桿受力變化的根本原因，傳統(tǒng)抗浮錨桿設(shè)計方法忽視了基礎(chǔ)變形位移差異和錨桿受力的不均勻性，存在一定不合理性。本文結(jié)合BIM技術(shù)和有限元方法對某工程實例建立包含錨桿、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的整體模型，模擬高水位下筏板基礎(chǔ)的上浮位移情況。在綜合考慮上部結(jié)構(gòu)荷載變化、上部結(jié)構(gòu)剛度和上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)共同變形受力的前提下進行了有限元分析。結(jié)果表明，傳統(tǒng)方案設(shè)計布置的錨桿所受拉力不均勻，存在一定的弊端，造成浪費。通過BIM技術(shù)和有限元分析有針對性地進行優(yōu)化后，抗浮錨桿布置更為合理，達到了節(jié)約成本、降低工程風(fēng)險的優(yōu)化設(shè)計目的； 在上部建筑方案變動時，利用BIM技術(shù)聯(lián)動修改的優(yōu)勢，跨平臺將修改變更信息導(dǎo)入YJK結(jié)構(gòu)計算軟件，更新上部結(jié)構(gòu)分析模型。上部結(jié)構(gòu)變動導(dǎo)致的上部荷載和剛度變化情況在基礎(chǔ)有限元分析模塊中重新讀取，完成從建筑方案變更到結(jié)構(gòu)聯(lián)動修改的全過程，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計流程，更為簡潔合理，為建筑設(shè)計人員和結(jié)構(gòu)設(shè)計人員協(xié)同工作提供了一定的經(jīng)驗參考。

抗??；錨桿；BIM技術(shù)；不均勻受力；可視化

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

引言

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和國內(nèi)城市化進程不斷推進，城市高層建筑越來越多，人口密度也進一步增大，地下空間的開發(fā)和利用變得日益重要。埋深較深的大面積地下室的關(guān)鍵問題之一是抗浮設(shè)計，抗浮設(shè)計的優(yōu)劣通常是整個基礎(chǔ)甚至整個項目安全性和經(jīng)濟性的決定因素[1]?？垢≡O(shè)計需要考慮的影響因素復(fù)雜多變，一般牽涉到地質(zhì)情況、上部結(jié)構(gòu)荷載分布、季節(jié)性水位變化等不確定因素[2]。傳統(tǒng)的抗浮錨桿設(shè)計時，通常采用經(jīng)驗估算的方式均勻布置抗浮錨桿，造成抗浮錨桿的不合理布置； 在上部建筑方案發(fā)生變更時，結(jié)構(gòu)方案隨之發(fā)生變更，基礎(chǔ)抗浮情況可能發(fā)生較大變動，傳統(tǒng)抗浮設(shè)計方法需要重新估算上部荷載和水浮力，推算抗浮錨桿的抗拔承載力和所需錨桿根數(shù)，過程繁瑣重復(fù)且容易出錯。

本文以某帶地下室的商業(yè)綜合體為例，基于BIM技術(shù)對該項目地下室進行抗浮錨桿優(yōu)化設(shè)計，采用YJK基礎(chǔ)有限元模塊，進行有限元分析計算，利用BIM技術(shù)可視化的優(yōu)勢對工程實例中地下室抗浮設(shè)計進行模擬，得出高水位工況下基礎(chǔ)的三維位移情況，并針對性地對抗浮區(qū)域的抗浮錨桿布置和后期優(yōu)化設(shè)計進行討論分析； 利用BIM技術(shù)可聯(lián)動修改的優(yōu)勢，在上部建筑方案變更時將變更信息跨平臺導(dǎo)入結(jié)構(gòu)計算軟件，完成從建筑方案變更到結(jié)構(gòu)聯(lián)動修改的全過程，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計流程，可為BIM技術(shù)在抗浮錨桿設(shè)計中的應(yīng)用提供參考[3-4]。

1 抗浮錨桿的傳統(tǒng)設(shè)計方法

本工程為某大型小區(qū)的一棟高層住宅及配套商業(yè)廣場，該項目位于市中心臨街繁華地段，外圍臨街部分?jǐn)M建一棟多層框架結(jié)構(gòu)商場，內(nèi)部擬建純剪力墻住宅，帶有整體式地下室。原方案擬建的Revit建筑模型如圖1，商場擬建最高層四層五跨，層高均為5.1m，商場中間設(shè)地下室入口。

傳統(tǒng)的抗浮錨桿經(jīng)驗設(shè)計方法的基本流程是將水浮力減去建筑物自重作為錨桿所需要承受的力，并假定錨桿均勻受力，用錨桿所需要承受的力除以單根錨桿的承載力得到所需錨桿數(shù)量，并均勻布置于抗浮區(qū)域[5-6]。

項目采用純筏板的整體式基礎(chǔ)，根據(jù)地勘報告資料和初步估算，設(shè)計6組不同抗浮水位下的工況模擬并分析剪力墻主樓附近位置的基礎(chǔ)位移情況(圖2a)。

圖1 項目總平面圖(a)及建筑方案效果圖(b)

圖2 不同水位下的基礎(chǔ)位移云圖(a)及上浮位移/抗浮水位關(guān)系折線圖(b)

圖3 YJK未采取抗浮措施的基礎(chǔ)模型(a)及位移云圖(b)

表1 國內(nèi)外規(guī)范的水壓力及永久荷載分項系數(shù)

荷載類型丹麥規(guī)范DS145歐洲規(guī)范CEN1992水工荷載規(guī)范DL5077上海規(guī)范DG/TJ08?11-2010澳門地工規(guī)章第60/96/M號水壓力1010101210永久荷載1010(09)09～1009095

根據(jù)不同抗浮水位下的基礎(chǔ)位移情況，繪制上浮位移/抗浮水位關(guān)系曲線圖(如圖2b)，分析圖示統(tǒng)計數(shù)據(jù)曲線圖，當(dāng)抗浮水位從-1.00m升高到-0.50m時，上浮位移增量約為90mm，當(dāng)抗浮水位從-0.50m升高到0.00m時，上浮位移增量接近170mm?？梢?，上浮位移量隨抗浮水位的升高而增加，并呈現(xiàn)出更快的增長趨勢。

整個商業(yè)綜合體的基礎(chǔ)有限元模擬基礎(chǔ)抗浮變形情況(圖3)，驗證了前期的估算結(jié)論，因而考慮設(shè)置抗浮錨桿抵抗水浮力。

采用傳統(tǒng)規(guī)范公式設(shè)計方法進行抗浮錨桿設(shè)計，目前國內(nèi)最新《建筑地下結(jié)構(gòu)抗浮技術(shù)規(guī)范》征求意見稿已經(jīng)通過，地下水浮力是一種特殊的荷載，在《建筑地下結(jié)構(gòu)抗浮技術(shù)規(guī)范》征求意見稿(下稱意見稿)審議通過前，在浮力荷載計算上一般是參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)的相關(guān)規(guī)定，將其作為靜荷載或者永久荷載考慮，永久荷載當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時其分項系數(shù)取1.0，對結(jié)構(gòu)的傾覆、滑移或漂浮驗算，應(yīng)按有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范采用[7]。表一為國內(nèi)外規(guī)范的分項系數(shù)的取值，在意見稿審議通過之前，實際工程設(shè)計時往往從中選取作為參考依據(jù)[8-10]。

依據(jù)意見稿第6.3、6.4條及相關(guān)條文說明，通過初步統(tǒng)計估算，筏板總面積約2 050m2，有剪力墻高層住宅位置的地下室依靠自重能夠抵抗水浮力的作用，多層框架和沒有上部結(jié)構(gòu)的純地下室位置需要采取抗浮措施以抵抗水浮力。

擬定單根抗浮錨桿抗拔承載力為60kN，采用常規(guī)的面狀均勻排布， 2.0m×2.0m間距，共計528根錨桿，均勻布置于抗浮區(qū)域。根據(jù)地勘報告，本項目抗浮水位為-0.5m，將上述抗浮錨桿布置方案采用BIM技術(shù)進行模擬，選取1.0×恒載-1.2×水浮力基本組合進行抗浮工況模擬分析，考慮上部結(jié)構(gòu)的荷載和剛度以及上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)共同受力變形的情況下，基礎(chǔ)三維位移情況及抗浮效果如圖4所示。

分析圖4(b)可知，離剪力墻主樓較遠的地下室角落是基礎(chǔ)上浮峰值區(qū)域，該位置抗浮錨桿需要加強，框架結(jié)構(gòu)商場角落位置上浮位移很小，此處錨桿存在一定程度的浪費?？拱纬休d力驗算圖(圖5)，驗證了此推斷，同時看到在剪力墻主樓附近存在大量沒有發(fā)揮抗拔作用即拉力為0的錨桿。

上述分析表明傳統(tǒng)方法設(shè)計的各抗浮錨桿受力不均，導(dǎo)致部分區(qū)域抗浮能力不足，部分區(qū)域錨桿布置無效，存在一定程度的浪費和安全隱患。

2 BIM技術(shù)和有限元分析的抗浮錨桿優(yōu)化設(shè)計

圖4 YJK基礎(chǔ)模塊中設(shè)置抗浮錨桿的基礎(chǔ)模型(a)及位移云圖(b)

圖5 錨桿抗拔承載力驗算結(jié)果截圖

圖6 優(yōu)化前(a)、優(yōu)化后(b)基礎(chǔ)位移云圖對比

針對傳統(tǒng)規(guī)范公式方法設(shè)計的抗浮錨桿布置方案存在的問題，采用BIM技術(shù)可視化的優(yōu)勢進行優(yōu)化設(shè)計。通過BIM結(jié)構(gòu)分析軟件YJK1.70建立包含上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和抗浮錨桿的整體模型進行計算分析，在水浮力和上部荷載的共同作用下，BIM技術(shù)的三維整體模型可綜合考慮上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)剛度，上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基的共同受力及變形分布[3]。

基于BIM可視化技術(shù)，上浮位移直觀地通過三維圖形的方式展現(xiàn)。分析同等條件下優(yōu)化后的基礎(chǔ)三維位移情況(圖7)，三維位移云圖最大正位移：13.0mm最大負(fù)位移：-14.6mm(程序規(guī)定基礎(chǔ)向下位移為正)，最大位移差為27.6mm。(優(yōu)化前最大正位移：16.8mm和最大位移差為31.4mm)，利用BIM技術(shù)和有限元分析，有針對性地定點地優(yōu)化抗浮錨桿，撤銷拉力為零的多余錨桿，加強加密拉力過大的抗浮錨桿，形成新的布置方案，在保證了原來方案抗浮效果的基礎(chǔ)上錨桿根數(shù)從528根減少為335根，減少了193根錨桿，達到了節(jié)約成本、降低工程風(fēng)險的優(yōu)化設(shè)計目的。

圖7 錨桿承受拉力分布圖

對比優(yōu)化前后的方案和原方案的錨桿受力分布區(qū)間和基礎(chǔ)三維位移云圖情況可知：

1)傳統(tǒng)方案下，存在大量的拉力為零的錨桿，修改后的方案撤銷了大量拉力為零的無效抗浮錨桿，節(jié)省了成本，避免了材料的浪費；

2)傳統(tǒng)方案下，錨桿承受拉力大多集中在0-10kN，絕大部分錨桿抗拉承載力沒有得到充分發(fā)揮，修改后的方案錨桿承受拉力區(qū)間集中于11-30kN，錨桿受力更加均勻，充分地發(fā)揮了錨桿的抗拔作用；

3)分析三維位移云圖，相比于傳統(tǒng)方案的基礎(chǔ)位移利用BIM技術(shù)的可視化優(yōu)勢有針對性地優(yōu)化后基礎(chǔ)上浮位移更加均勻，沒有明顯的峰值位移區(qū)。

3 建筑方案變更情況下抗浮錨桿的設(shè)計

在結(jié)構(gòu)上部和基礎(chǔ)設(shè)計和分析調(diào)整完成后，建筑師按照業(yè)主使用功能的考慮更改了建筑方案，同時，由于商場設(shè)備管線的鋪設(shè)和建筑立面造型的美觀，框架結(jié)構(gòu)的層高發(fā)生了改變：

1)商場原定的五跨框架層數(shù)降低，同時左右各對稱增加一跨，層數(shù)為三層；

2)商場底層層高改為4.2m，其余層層高為5.1m；

3)商場靠小區(qū)內(nèi)側(cè)的一層屋頂增設(shè)屋頂花園和游泳池。

基于BIM技術(shù)可聯(lián)動更新修改的優(yōu)勢，將Revit平臺中的建筑方案的修改變更信息跨平臺導(dǎo)出到BIM結(jié)構(gòu)分析軟件YJK1.70中，聯(lián)動更新修改YJK軟件中的上部結(jié)構(gòu)分析模型。YJK軟件的上部結(jié)構(gòu)變動導(dǎo)致的上部荷載和剛度變化情況，可在基礎(chǔ)有限元分析模塊中重新讀取，利用BIM可聯(lián)動修改更新的技術(shù)優(yōu)勢，完成從建筑方案變更到結(jié)構(gòu)聯(lián)動修改的全過程，避免了傳統(tǒng)設(shè)計方法中因上部建筑方案變更，結(jié)構(gòu)分析模型從上至下全部調(diào)整甚至重建的大量重復(fù)的工作。

BIM可視化技術(shù)重新對抗浮工況進行模擬分析，在上部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后，原有抗浮錨桿布置不變的情況下，基礎(chǔ)三維位移云圖對比情況如圖8?？梢钥吹?，商場部分的位移變化情況很明顯，需要對抗浮錨桿設(shè)計進行調(diào)整。

分析基礎(chǔ)位移云圖，由于靠小區(qū)內(nèi)側(cè)的商場一層屋頂平臺增設(shè)了屋頂花園和游泳池，恒荷載和活荷載都有較大的增加，該位置的上浮位移大幅度減小，而兩側(cè)新增的一跨由于沒有設(shè)置抗浮錨桿，成為了上浮位移的峰值區(qū)域。

通過BIM的聯(lián)動更新修改和可視化的技術(shù)優(yōu)勢，更新了上部結(jié)構(gòu)變更和基礎(chǔ)受力變化情況，定點地再次優(yōu)化了錨桿布置方案，重新分析基礎(chǔ)位移云圖，上浮位移峰值控制與建筑方案修改之前大致相同水平，錨桿數(shù)量從335根進一步減少為296根。

圖8 建筑變更前(a)、變更后(b)的基礎(chǔ)三維位移云圖

圖9 上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)模型(a)及優(yōu)化后基礎(chǔ)位移云圖(b)

4 結(jié)論

經(jīng)過上述工程實例的方案變更和抗浮設(shè)計分析，對變更前后抗浮錨桿設(shè)計方案的優(yōu)化效果對比，得到如下結(jié)論：

(1)傳統(tǒng)方法抗浮錨桿設(shè)計在某些抗浮區(qū)域存在抗拔承載力冗余，在某些區(qū)域又存在不足，錨桿的布置不合理；

(2)隨著抗浮水位的升高，基礎(chǔ)上浮位移量并非呈現(xiàn)線性增長，而是以更快的速率增加，在基礎(chǔ)抗浮設(shè)計時要特別注意季節(jié)性地下水位變化，選取更為可靠的抗浮設(shè)計水位；

(3)BIM技術(shù)的可視化優(yōu)勢可為抗浮設(shè)計提供可靠直觀的三維唯一圖，便于結(jié)構(gòu)設(shè)計人員更準(zhǔn)確的判斷基礎(chǔ)抗浮情況，同時，改進抗浮錨桿設(shè)計方法，錨桿的布置和受力更合理為相關(guān)工程應(yīng)用BIM技術(shù)提供參考;

(4)BIM技術(shù)的三維整體模型分析計算以及BIM技術(shù)可聯(lián)動更新修改的優(yōu)勢，綜合考慮了上部建筑結(jié)構(gòu)變化對基礎(chǔ)受力及抗浮的影響，同時還避免了傳統(tǒng)設(shè)計方法中因上部建筑方案變更，結(jié)構(gòu)分析模型從上至下全部調(diào)整甚至重建的大量重復(fù)的工作，節(jié)約了結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的時間和精力，為建筑設(shè)計人員和結(jié)構(gòu)設(shè)計人員協(xié)同工作提供了一定的經(jīng)驗參考。

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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，碩士,主要研究方向：BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用；

許 福(1980-)，男，副教授，博士，主要從事建筑工業(yè)化與建筑工程信息技術(shù)研究。

TU17;TU32

A

1674-7461(2016)06-0001-07