工程建設(shè)規(guī)范配套軟件的技術(shù)更新與管控方法

張海霞（上海市建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督總站，上海 200032）

1 本市規(guī)范配套軟件與工具性軟件分類原則

針對我國目前標準化管理和設(shè)計質(zhì)量管理的現(xiàn)狀，上海市工程建設(shè)標準管理部門和上海市建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督管理部門建議結(jié)構(gòu)設(shè)計的輔助軟件分成規(guī)范的配套軟件和工具性軟件兩大類。從標準化管理和質(zhì)量管理的角度需由政府部門加大監(jiān)管力度的主要是規(guī)范的配套軟件。對于工具性的軟件則采用誰應用誰負責的原則，允許技術(shù)發(fā)展、以期形成學術(shù)上百家爭鳴、欣欣向榮的局面，從而避免“不管就亂，一管就死”的尷尬局面。

根據(jù)上海市工程建設(shè)標準管理部門及規(guī)范主編單位的《結(jié)構(gòu)規(guī)范的配套軟件的認可、管理辦法》的有關(guān)精神，規(guī)范配套軟件可歸納為應具備以下四項基本特征。

（1）內(nèi)容的規(guī)范化。配套軟件不包括任何超越規(guī)范規(guī)定的內(nèi)容，嚴格遵循規(guī)范的編制原則和各項規(guī)定，不作任何增減，不包含軟件編制人員對規(guī)范條文和條文說明的新的理解和新的發(fā)展。

（2）計算結(jié)果的確定性和唯一性。配套軟件保證應有的透明度：軟件各部分的細節(jié)處理方法、有關(guān)規(guī)定、缺省的隱含數(shù)值都盡可能地交代清楚，力求使其他愿意編程的技術(shù)人員，都可能編出計算結(jié)果完全一樣的程序。

（3）計算結(jié)果的準確性。配套軟件的功能僅是加快按規(guī)范計算的計算速度，提高計算工作的準確率，不提供任何超出規(guī)范的計算工具。軟件的計算結(jié)果應與按規(guī)范計算的手算結(jié)果完全一致。目前的情況下，對軟件最可靠的校核方法是手算校核。

（4）與規(guī)范的有機結(jié)合。計算機軟件不能替代人腦(尤其是有經(jīng)驗人員)的聯(lián)想和判斷。好的設(shè)計軟件應在運行的各個關(guān)節(jié)點上不斷提醒設(shè)計人員進行思考和判斷。使計算機高效、準確的運算和設(shè)計師的經(jīng)驗判斷有機的結(jié)合起來。希望在軟件的運行過程中幫助用戶加深對條文及有關(guān)說明的理解和正確運用條文。

在以上四項基本特征中，最主要的精神是通過上述界定，保證軟件能給出一個唯一確定的符合規(guī)范的標準結(jié)果。這也是有關(guān)部門加大監(jiān)管力度的著力點。

另一方面，規(guī)范是大量工程實踐中成熟經(jīng)驗的總結(jié)，規(guī)范本身不會鼓勵人們進行技術(shù)創(chuàng)新，規(guī)范是制定確保工程質(zhì)量和工程安全的最低要求。從這一意義上說，規(guī)范總是“落后的”、“偏保守的”。因此，在具體工程實踐中應鼓勵設(shè)計人員努力去探索、去創(chuàng)新，同時也應提供相應的工具性設(shè)計計算軟件，對這類軟件沒有必要也沒有可能管得太多，但必須堅持一點，即軟件中所采用的方法、計算原理及在軟件中與方法、原理有關(guān)的，對最終計算結(jié)果有影響的細節(jié)處理都必須向用戶交代清楚，以便于設(shè)計人員在軟件的應用過程中能針對具體問題進行分析，也可通過與規(guī)范配套軟件的結(jié)果進行比較，幫助設(shè)計人員作出最終的判斷。

軟件分為規(guī)范的配套軟件和工具性的應用軟件兩類，比較嚴格地界定規(guī)范的配套軟件，將重心放在規(guī)范配套軟件計算結(jié)果的確定性和唯一性上，逐步形成一個公認的標準軟件。對于工具性軟件則不必作過多的限制，只要審查軟件采用的方法、原理和有關(guān)處理方法的公開性即可，其技術(shù)責任由應用者負責。這樣有關(guān)部門就可花最少的力氣取得最大的效果，盡快使設(shè)計應用軟件由無序變?yōu)橛行颉?/p>

2 超明星地基強度與沉降計算軟件簡介

超明星(SUPER-STAR)系列軟件是在同濟大學等編制單位主持下，組織多名博士、碩士、和設(shè)計院工程師及規(guī)范編制組成員，發(fā)揮集體智慧，投入很多人力及財力精心編制成功。目前超明星系列軟件已發(fā)展成為四個品種，分別是：超明星三維空間基坑非線性分析軟件、超明星地基強度及沉降計算軟件、同濟－理正樁基方案優(yōu)化設(shè)計軟件、超明星多能基礎(chǔ)內(nèi)力分析計算軟件。

本文述及軟件為超明星地基強度及沉降計算軟件(SUPER-STAR Ver2.0)（以下簡稱超明星軟件），該軟件經(jīng)上海市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)管理委員會（以下簡稱“市住建委”）科學技術(shù)委員會專家組的鑒定，評為國際先進水平，后經(jīng)市住建委組織規(guī)范編制組專家審查修訂，被批準為上海市工程建設(shè)規(guī)范 DGJ08—11—2010《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》的配套軟件(區(qū)別于工具軟件)，并根據(jù)規(guī)范變遷進行了多次升版，該軟件具有先進的計算技術(shù)，主要用于各種工業(yè)與民用建筑的地基強度和沉降計算，能高效地求得任意形狀基礎(chǔ)和無需布樁條件下復合樁基的樁數(shù)－沉降曲線，對工程設(shè)計具有指導意義，有利于上海工程技術(shù)人員發(fā)揮創(chuàng)造性而有效地運用規(guī)范。

3 超明星軟件的基本計算理論及計算技術(shù)

地基強度及沉降計算的理論和公式嚴格遵循 DGJ 08—11—2010 所用的理論和公式。但是，為了能計算任意平面形狀(方形、矩形、條形、L 形、圓形和不規(guī)則形狀)的基礎(chǔ)沉降以及任意平面形狀(方形、矩形、條形、L 形、圓形和不規(guī)則形狀)的沉降控制復合樁基樁數(shù)－沉降曲線(等樁長)，運用先進的變步長辛普森四維積分計算技術(shù)，使其得到有效解決。本軟件經(jīng)多家設(shè)計及科研部門使用后均深得好評。

計算地基的沉降，首先要確定地基計算模型，而后求得地基中的豎向應力 σz，一般通常采用的方法有布辛涅斯克(Boussinesq)解、明德林(Mindlin)解、鮑勒斯(Polous)解等[1]；該軟件對任意形狀域基礎(chǔ)下地基按規(guī)范采用布氏公式與明德林公式及其解析積分解相結(jié)合對地基中應力進行數(shù)值積分求解。

因為在大多數(shù)情況下碰到的基礎(chǔ)形式均為不規(guī)則，那么求解不規(guī)則任意多連同域基礎(chǔ)下的土體應力，就只能以數(shù)值積分的方式進行[2-3]，作為規(guī)范配套軟件，一切計算均應該嚴格按照 DGJ 08—11—2010 的規(guī)定，但在計算技術(shù)上則可利用了計算數(shù)學、測量學及計算機圖形學上知識，在嚴謹性、科學性、適應性方面發(fā)揮多學科結(jié)合優(yōu)勢提高計算效率，同時能充分體現(xiàn) DGJ 08—11—2010 在復合樁基計算方面底層理論及特點。

超明星軟件編制組利用測量學中成熟的求積儀原理，任何空間域都可以先從平面域著手，平面域的積分完成，再利用明德林-哥特斯解沿深度方向進行一次線性積分就可以完成整個四維空間積分。但是否能成為規(guī)范配套軟件，則需要通過規(guī)范考題及驗算結(jié)果對比。

4 規(guī)范算例對比

針對文獻 DGJ 08—11—1999《上海市地基基礎(chǔ)設(shè)計》規(guī)范編制組給出的考題，根據(jù) DGJ 08—11—1999、DGJ 08—11—2018《上海市地基基礎(chǔ)設(shè)計》規(guī)范要求，為確定有效控制沉降樁數(shù)，該軟件通過提升計算技術(shù)水平，可高效自動生成計算樁數(shù)－沉降曲線。

按照DGJ 08—11—2010、DGJ 08—11—2018 算法以及超明星編制組軟件數(shù)值積分算法，計算成果的對比如表1。

表1 計算成果對比表

根據(jù)以上表1對比可見，本文方法與 DGJ 08—11—2010“準確解”偏大約 2.6%，在工程設(shè)計計算合理偏差范圍內(nèi)。根據(jù)我們和 DGJ 08—11—2010 配套軟件 SFC 編制專家組的討論，所謂準確解也只是規(guī)范方法手算或同心圓方法的近似解，稱為準確解實際上只是提供一種比對方法，而并無“準”與“不準”分別，是差別而不是誤差。到此，可以認為該軟件已經(jīng)達到規(guī)范配套軟件的評判標準。

5 規(guī)范配套軟件在超明星軟件編制中管控思路

筆者作為管理者之一，在當時面臨兩個問題：一是DGJ 08—11—2010 主編單位上海現(xiàn)代建筑設(shè)計集團已經(jīng)編制有SFC地基出設(shè)計規(guī)范配套軟件，是否允許同時存在兩個配套軟件存在？二是超明星軟件計算采用了高效變步長四維辛普森數(shù)值積分手段，是基于規(guī)范計算理論在數(shù)值計算技術(shù)上的提高與延展，是否與配套軟件的精神違背？針對這兩個問題，筆者單位進行了廣泛調(diào)研和征詢，最終決定允許超明星軟件進入配套軟件評審。當時的技術(shù)路徑及管控手段簡述如下。

（1）原有規(guī)范配套軟件 SFC 雖然是嚴格按照規(guī)范進行編制，但是計算手段相對單一，采用角點法及同心圓方法計算基礎(chǔ)沉降時效率較低，應該允許先進的計算手段對規(guī)范計算方法進行革新，應予注意更新的是計算方法和手段，而不是底層計算理論。

（2）嚴格管控軟件編制，除了計算方式公開以外，委托SFC的編制單位的專家對超明星軟件的計算結(jié)果進行廣泛校核，尤其是規(guī)范考題，其計算結(jié)果與手算、SFC 結(jié)算結(jié)果相比的差異性須控制在合理范圍內(nèi)。

（3）組織專家評審會，在軟件原來評審結(jié)論的基礎(chǔ)上，重新由工程建設(shè)標準化管理部門組織規(guī)范編制專家進行評審，嚴格核實計算理論及算例結(jié)果，同時進行多算例容錯測試。按照以上要求，由現(xiàn)代集團申元巖土工程公司進行專業(yè)的校核，由現(xiàn)代建筑設(shè)計集團、中船第九設(shè)計研究院和同濟大學等單位專家共同組成評委會對軟件進行評審，最終超明星軟件得以成為 DGJ 08—11—2010 的第二套配套軟件。

6 結(jié) 語

在保證基礎(chǔ)理論嚴格按照 DGJ 08—11—2010 規(guī)定的前提下，通過上述管控流程，新規(guī)范配套軟件《超明星地基強度及沉降計算軟件 SUPER-STAR Ver2.1(for Windows)》實現(xiàn)了以下功能：

（1）自動將基底力、樁力離散為面力和半空間體積力。

（2）自動剖分平面多連通域為三角形域、剖分空間域為三角棱柱域。

（3）自動完成面力及半空間體積力在地基應力中的積分。

（4）自動根據(jù)變形控制要求進行多工況計算及插值，確定承臺面積及樁數(shù)。

計算準確度高、差異性小。新計算方法大大提高了計算效率，使得原來 SFC 利用角點法、同心圓法需要數(shù)天時間計算才能確定的地基基礎(chǔ)方案，僅需數(shù)分鐘就可完成。目前該軟件在工程中的大量應用，提高了生產(chǎn)效率，為上海地區(qū)地基基礎(chǔ)設(shè)計手段與技能的提升提供了多種手段和工具。

實踐證明，在有效管控、底層計算理論不變下，可以形成技術(shù)手段層面的百家爭鳴、百花齊放的局面，管理部門批準了兩套規(guī)范配套軟件，由設(shè)計人員自愿選擇，增加了選擇面。實踐也表明，嚴格的底層理論管控、技術(shù)監(jiān)督、結(jié)果校核，規(guī)范與技術(shù)進步形成統(tǒng)一體，與標準化并不矛盾，而結(jié)合技術(shù)進步同時行之有效的管控，才是標準化配套軟件發(fā)展的必由之路。