基于BIM技術和有限元分析的抗浮錨桿優化設計

凌康棋 許 福 謝大江 李世才，3

(1.湘潭大學土木工程與力學學院，湘潭 411105； 2.湘潭市規劃建筑設計院，湘潭 411100； 3.四川柏慕聯創工程技術服務有限公司，成都 610015)

基于BIM技術和有限元分析的抗浮錨桿優化設計

凌康棋1許 福1謝大江2李世才1，3

(1.湘潭大學土木工程與力學學院，湘潭 411105； 2.湘潭市規劃建筑設計院，湘潭 411100； 3.四川柏慕聯創工程技術服務有限公司，成都 610015)

建筑的抗浮設計至關重要，布置抗浮錨桿是地下室抗浮的主要措施之一。地下室和基礎的變形位移是錨桿受力變化的根本原因，傳統抗浮錨桿設計方法忽視了基礎變形位移差異和錨桿受力的不均勻性，存在一定不合理性。本文結合BIM技術和有限元方法對某工程實例建立包含錨桿、基礎和上部結構的整體模型，模擬高水位下筏板基礎的上浮位移情況。在綜合考慮上部結構荷載變化、上部結構剛度和上部結構與基礎共同變形受力的前提下進行了有限元分析。結果表明，傳統方案設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技術和有限元分析有針對性地進行優化后，抗浮錨桿布置更為合理，達到了節約成本、降低工程風險的優化設計目的； 在上部建筑方案變動時，利用BIM技術聯動修改的優勢，跨平臺將修改變更信息導入YJK結構計算軟件，更新上部結構分析模型。上部結構變動導致的上部荷載和剛度變化情況在基礎有限元分析模塊中重新讀取，完成從建筑方案變更到結構聯動修改的全過程，優化結構設計流程，更為簡潔合理，為建筑設計人員和結構設計人員協同工作提供了一定的經驗參考。

抗浮；錨桿；BIM技術；不均勻受力；可視化

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

引言

隨著我國社會經濟的快速發展和國內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，地下空間的開發和利用變得日益重要。埋深較深的大面積地下室的關鍵問題之一是抗浮設計，抗浮設計的優劣通常是整個基礎甚至整個項目安全性和經濟性的決定因素[1]。抗浮設計需要考慮的影響因素復雜多變，一般牽涉到地質情況、上部結構荷載分布、季節性水位變化等不確定因素[2]。傳統的抗浮錨桿設計時，通常采用經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； 在上部建筑方案發生變更時，結構方案隨之發生變更，基礎抗浮情況可能發生較大變動，傳統抗浮設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，過程繁瑣重復且容易出錯。

本文以某帶地下室的商業綜合體為例，基于BIM技術對該項目地下室進行抗浮錨桿優化設計，采用YJK基礎有限元模塊，進行有限元分析計算，利用BIM技術可視化的優勢對工程實例中地下室抗浮設計進行模擬，得出高水位工況下基礎的三維位移情況，并針對性地對抗浮區域的抗浮錨桿布置和后期優化設計進行討論分析； 利用BIM技術可聯動修改的優勢，在上部建筑方案變更時將變更信息跨平臺導入結構計算軟件，完成從建筑方案變更到結構聯動修改的全過程，優化結構設計流程，可為BIM技術在抗浮錨桿設計中的應用提供參考[3-4]。

1 抗浮錨桿的傳統設計方法

本工程為某大型小區的一棟高層住宅及配套商業廣場，該項目位于市中心臨街繁華地段，外圍臨街部分擬建一棟多層框架結構商場，內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，商場中間設地下室入口。

傳統的抗浮錨桿經驗設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量，并均勻布置于抗浮區域[5-6]。

項目采用純筏板的整體式基礎，根據地勘報告資料和初步估算，設計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 不同水位下的基礎位移云圖(a)及上浮位移/抗浮水位關系折線圖(b)

圖3 YJK未采取抗浮措施的基礎模型(a)及位移云圖(b)

表1 國內外規范的水壓力及永久荷載分項系數

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

根據不同抗浮水位下的基礎位移情況，繪制上浮位移/抗浮水位關系曲線圖(如圖2b)，分析圖示統計數據曲線圖，當抗浮水位從-1.00m升高到-0.50m時，上浮位移增量約為90mm，當抗浮水位從-0.50m升高到0.00m時，上浮位移增量接近170mm。可見，上浮位移量隨抗浮水位的升高而增加，并呈現出更快的增長趨勢。

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

采用傳統規范公式設計方法進行抗浮錨桿設計，目前國內最新《建筑地下結構抗浮技術規范》征求意見稿已經通過，地下水浮力是一種特殊的荷載，在《建筑地下結構抗浮技術規范》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《建筑結構荷載規范》(GB 50009-2012)的相關規定，將其作為靜荷載或者永久荷載考慮，永久荷載當其效應對結構有利時其分項系數取1.0，對結構的傾覆、滑移或漂浮驗算，應按有關結構設計規范采用[7]。表一為國內外規范的分項系數的取值，在意見稿審議通過之前，實際工程設計時往往從中選取作為參考依據[8-10]。

依據意見稿第6.3、6.4條及相關條文說明，通過初步統計估算，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構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，均勻布置于抗浮區域。根據地勘報告，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，考慮上部結構的荷載和剛度以及上部結構和基礎共同受力變形的情況下，基礎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上浮峰值區域，該位置抗浮錨桿需要加強，框架結構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。抗拔承載力驗算圖(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揮抗拔作用即拉力為0的錨桿。

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

2 BIM技術和有限元分析的抗浮錨桿優化設計

圖4 YJK基礎模塊中設置抗浮錨桿的基礎模型(a)及位移云圖(b)

圖5 錨桿抗拔承載力驗算結果截圖

圖6 優化前(a)、優化后(b)基礎位移云圖對比

針對傳統規范公式方法設計的抗浮錨桿布置方案存在的問題，采用BIM技術可視化的優勢進行優化設計。通過BIM結構分析軟件YJK1.70建立包含上部結構、基礎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技術的三維整體模型可綜合考慮上部結構及基礎剛度，上部結構、基礎與地基的共同受力及變形分布[3]。

基于BIM可視化技術，上浮位移直觀地通過三維圖形的方式展現。分析同等條件下優化后的基礎三維位移情況(圖7)，三維位移云圖最大正位移：13.0mm最大負位移：-14.6mm(程序規定基礎向下位移為正)，最大位移差為27.6mm。(優化前最大正位移：16.8mm和最大位移差為31.4mm)，利用BIM技術和有限元分析，有針對性地定點地優化抗浮錨桿，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上錨桿根數從528根減少為335根，減少了193根錨桿，達到了節約成本、降低工程風險的優化設計目的。

圖7 錨桿承受拉力分布圖

對比優化前后的方案和原方案的錨桿受力分布區間和基礎三維位移云圖情況可知：

1)傳統方案下，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，節省了成本，避免了材料的浪費；

2)傳統方案下，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揮，修改后的方案錨桿承受拉力區間集中于11-30kN，錨桿受力更加均勻，充分地發揮了錨桿的抗拔作用；

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

3 建筑方案變更情況下抗浮錨桿的設計

在結構上部和基礎設計和分析調整完成后，建筑師按照業主使用功能的考慮更改了建筑方案，同時，由于商場設備管線的鋪設和建筑立面造型的美觀，框架結構的層高發生了改變：

1)商場原定的五跨框架層數降低，同時左右各對稱增加一跨，層數為三層；

2)商場底層層高改為4.2m，其余層層高為5.1m；

3)商場靠小區內側的一層屋頂增設屋頂花園和游泳池。

基于BIM技術可聯動更新修改的優勢，將Revit平臺中的建筑方案的修改變更信息跨平臺導出到BIM結構分析軟件YJK1.70中，聯動更新修改YJK軟件中的上部結構分析模型。YJK軟件的上部結構變動導致的上部荷載和剛度變化情況，可在基礎有限元分析模塊中重新讀取，利用BIM可聯動修改更新的技術優勢，完成從建筑方案變更到結構聯動修改的全過程，避免了傳統設計方法中因上部建筑方案變更，結構分析模型從上至下全部調整甚至重建的大量重復的工作。

BIM可視化技術重新對抗浮工況進行模擬分析，在上部結構發生變化后，原有抗浮錨桿布置不變的情況下，基礎三維位移云圖對比情況如圖8。可以看到，商場部分的位移變化情況很明顯，需要對抗浮錨桿設計進行調整。

分析基礎位移云圖，由于靠小區內側的商場一層屋頂平臺增設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，而兩側新增的一跨由于沒有設置抗浮錨桿，成為了上浮位移的峰值區域。

通過BIM的聯動更新修改和可視化的技術優勢，更新了上部結構變更和基礎受力變化情況，定點地再次優化了錨桿布置方案，重新分析基礎位移云圖，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)的基礎三維位移云圖

圖9 上部結構和基礎整體結構模型(a)及優化后基礎位移云圖(b)

4 結論

經過上述工程實例的方案變更和抗浮設計分析，對變更前后抗浮錨桿設計方案的優化效果對比，得到如下結論：

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

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

(3)BIM技術的可視化優勢可為抗浮設計提供可靠直觀的三維唯一圖，便于結構設計人員更準確的判斷基礎抗浮情況，同時，改進抗浮錨桿設計方法，錨桿的布置和受力更合理為相關工程應用BIM技術提供參考;

(4)BIM技術的三維整體模型分析計算以及BIM技術可聯動更新修改的優勢，綜合考慮了上部建筑結構變化對基礎受力及抗浮的影響，同時還避免了傳統設計方法中因上部建筑方案變更，結構分析模型從上至下全部調整甚至重建的大量重復的工作，節約了結構設計人員的時間和精力，為建筑設計人員和結構設計人員協同工作提供了一定的經驗參考。

[1]孫樹勛. 大型地下工程抗浮錨桿整體優化研究[J].工程質量， 2015(03)： 76-80.

[2]GB 50007-2011 建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社， 2011.

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[9]CECS 22:2005 巖土錨桿(索)技術規程[S].北京：中國計劃出版社， 2005.

[10]GB 50330-2013 建筑邊坡工程技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社， 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，碩士,主要研究方向：BIM技術在建筑結構設計中的應用；

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

TU17;TU32

A

1674-7461(2016)06-0001-07