工程建设规范配套软件的技术更新与管控方法
时间：2023-06-28 09:35:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
张海霞（上海市建设工程安全质量监督总站，上海 200032）
针对我国目前标准化管理和设计质量管理的现状，上海市工程建设标准管理部门和上海市建设工程安全质量监督管理部门建议结构设计的辅助软件分成规范的配套软件和工具性软件两大类。从标准化管理和质量管理的角度需由政府部门加大监管力度的主要是规范的配套软件。对于工具性的软件则采用谁应用谁负责的原则，允许技术发展、以期形成学术上百家争鸣、欣欣向荣的局面，从而避免“不管就乱，一管就死”的尴尬局面。
根据上海市工程建设标准管理部门及规范主编单位的《结构规范的配套软件的认可、管理办法》的有关精神，规范配套软件可归纳为应具备以下四项基本特征。
（1）内容的规范化。配套软件不包括任何超越规范规定的内容，严格遵循规范的编制原则和各项规定，不作任何增减，不包含软件编制人员对规范条文和条文说明的新的理解和新的发展。
（2）计算结果的确定性和唯一性。配套软件保证应有的透明度：软件各部分的细节处理方法、有关规定、缺省的隐含数值都尽可能地交代清楚，力求使其他愿意编程的技术人员，都可能编出计算结果完全一样的程序。
（3）计算结果的准确性。配套软件的功能仅是加快按规范计算的计算速度，提高计算工作的准确率，不提供任何超出规范的计算工具。软件的计算结果应与按规范计算的手算结果完全一致。目前的情况下，对软件最可靠的校核方法是手算校核。
（4）与规范的有机结合。计算机软件不能替代人脑(尤其是有经验人员)的联想和判断。好的设计软件应在运行的各个关节点上不断提醒设计人员进行思考和判断。使计算机高效、准确的运算和设计师的经验判断有机的结合起来。希望在软件的运行过程中帮助用户加深对条文及有关说明的理解和正确运用条文。
在以上四项基本特征中，最主要的精神是通过上述界定，保证软件能给出一个唯一确定的符合规范的标准结果。这也是有关部门加大监管力度的着力点。
另一方面，规范是大量工程实践中成熟经验的总结，规范本身不会鼓励人们进行技术创新，规范是制定确保工程质量和工程安全的最低要求。从这一意义上说，规范总是“落后的”、“偏保守的”。因此，在具体工程实践中应鼓励设计人员努力去探索、去创新，同时也应提供相应的工具性设计计算软件，对这类软件没有必要也没有可能管得太多，但必须坚持一点，即软件中所采用的方法、计算原理及在软件中与方法、原理有关的，对最终计算结果有影响的细节处理都必须向用户交代清楚，以便于设计人员在软件的应用过程中能针对具体问题进行分析，也可通过与规范配套软件的结果进行比较，帮助设计人员作出最终的判断。
软件分为规范的配套软件和工具性的应用软件两类，比较严格地界定规范的配套软件，将重心放在规范配套软件计算结果的确定性和唯一性上，逐步形成一个公认的标准软件。对于工具性软件则不必作过多的限制，只要审查软件采用的方法、原理和有关处理方法的公开性即可，其技术责任由应用者负责。这样有关部门就可花最少的力气取得最大的效果，尽快使设计应用软件由无序变为有序。
超明星(SUPER-STAR)系列软件是在同济大学等编制单位主持下，组织多名博士、硕士、和设计院工程师及规范编制组成员，发挥集体智慧，投入很多人力及财力精心编制成功。目前超明星系列软件已发展成为四个品种，分别是：超明星三维空间基坑非线性分析软件、超明星地基强度及沉降计算软件、同济－理正桩基方案优化设计软件、超明星多能基础内力分析计算软件。
本文述及软件为超明星地基强度及沉降计算软件(SUPER-STAR Ver2.0)（以下简称超明星软件），该软件经上海市住房和城乡建设管理委员会（以下简称“市住建委”）科学技术委员会专家组的鉴定，评为国际先进水平，后经市住建委组织规范编制组专家审查修订，被批准为上海市工程建设规范 DGJ08—11—2010《地基基础设计规范》的配套软件(区别于工具软件)，并根据规范变迁进行了多次升版，该软件具有先进的计算技术，主要用于各种工业与民用建筑的地基强度和沉降计算，能高效地求得任意形状基础和无需布桩条件下复合桩基的桩数－沉降曲线，对工程设计具有指导意义，有利于上海工程技术人员发挥创造性而有效地运用规范。
地基强度及沉降计算的理论和公式严格遵循 DGJ 08—11—2010 所用的理论和公式。但是，为了能计算任意平面形状(方形、矩形、条形、L 形、圆形和不规则形状)的基础沉降以及任意平面形状(方形、矩形、条形、L 形、圆形和不规则形状)的沉降控制复合桩基桩数－沉降曲线(等桩长)，运用先进的变步长辛普森四维积分计算技术，使其得到有效解决。本软件经多家设计及科研部门使用后均深得好评。
计算地基的沉降，首先要确定地基计算模型，而后求得地基中的竖向应力 σz，一般通常采用的方法有布辛涅斯克(Boussinesq)解、明德林(Mindlin)解、鲍勒斯(Polous)解等[1]；
该软件对任意形状域基础下地基按规范采用布氏公式与明德林公式及其解析积分解相结合对地基中应力进行数值积分求解。
因为在大多数情况下碰到的基础形式均为不规则，那么求解不规则任意多连同域基础下的土体应力，就只能以数值积分的方式进行[2-3]，作为规范配套软件，一切计算均应该严格按照 DGJ 08—11—2010 的规定，但在计算技术上则可利用了计算数学、测量学及计算机图形学上知识，在严谨性、科学性、适应性方面发挥多学科结合优势提高计算效率，同时能充分体现 DGJ 08—11—2010 在复合桩基计算方面底层理论及特点。
超明星软件编制组利用测量学中成熟的求积仪原理，任何空间域都可以先从平面域着手，平面域的积分完成，再利用明德林-哥特斯解沿深度方向进行一次线性积分就可以完成整个四维空间积分。但是否能成为规范配套软件，则需要通过规范考题及验算结果对比。
针对文献 DGJ 08—11—1999《上海市地基基础设计》规范编制组给出的考题，根据 DGJ 08—11—1999、DGJ 08—11—2018《上海市地基基础设计》规范要求，为确定有效控制沉降桩数，该软件通过提升计算技术水平，可高效自动生成计算桩数－沉降曲线。
按照DGJ 08—11—2010、DGJ 08—11—2018 算法以及超明星编制组软件数值积分算法，计算成果的对比如表1。
表1 计算成果对比表
根据以上表1对比可见，本文方法与 DGJ 08—11—2010“准确解”偏大约 2.6%，在工程设计计算合理偏差范围内。根据我们和 DGJ 08—11—2010 配套软件 SFC 编制专家组的讨论，所谓准确解也只是规范方法手算或同心圆方法的近似解，称为准确解实际上只是提供一种比对方法，而并无“准”与“不准”分别，是差别而不是误差。到此，可以认为该软件已经达到规范配套软件的评判标准。
笔者作为管理者之一，在当时面临两个问题：一是DGJ 08—11—2010 主编单位上海现代建筑设计集团已经编制有SFC地基出设计规范配套软件，是否允许同时存在两个配套软件存在？二是超明星软件计算采用了高效变步长四维辛普森数值积分手段，是基于规范计算理论在数值计算技术上的提高与延展，是否与配套软件的精神违背？针对这两个问题，笔者单位进行了广泛调研和征询，最终决定允许超明星软件进入配套软件评审。当时的技术路径及管控手段简述如下。
（1）原有规范配套软件 SFC 虽然是严格按照规范进行编制，但是计算手段相对单一，采用角点法及同心圆方法计算基础沉降时效率较低，应该允许先进的计算手段对规范计算方法进行革新，应予注意更新的是计算方法和手段，而不是底层计算理论。
（2）严格管控软件编制，除了计算方式公开以外，委托SFC的编制单位的专家对超明星软件的计算结果进行广泛校核，尤其是规范考题，其计算结果与手算、SFC 结算结果相比的差异性须控制在合理范围内。
（3）组织专家评审会，在软件原来评审结论的基础上，重新由工程建设标准化管理部门组织规范编制专家进行评审，严格核实计算理论及算例结果，同时进行多算例容错测试。按照以上要求，由现代集团申元岩土工程公司进行专业的校核，由现代建筑设计集团、中船第九设计研究院和同济大学等单位专家共同组成评委会对软件进行评审，最终超明星软件得以成为 DGJ 08—11—2010 的第二套配套软件。
在保证基础理论严格按照 DGJ 08—11—2010 规定的前提下，通过上述管控流程，新规范配套软件《超明星地基强度及沉降计算软件 SUPER-STAR Ver2.1(for Windows)》实现了以下功能：
（1）自动将基底力、桩力离散为面力和半空间体积力。
（2）自动剖分平面多连通域为三角形域、剖分空间域为三角棱柱域。
（3）自动完成面力及半空间体积力在地基应力中的积分。
（4）自动根据变形控制要求进行多工况计算及插值，确定承台面积及桩数。
计算准确度高、差异性小。新计算方法大大提高了计算效率，使得原来 SFC 利用角点法、同心圆法需要数天时间计算才能确定的地基基础方案，仅需数分钟就可完成。目前该软件在工程中的大量应用，提高了生产效率，为上海地区地基基础设计手段与技能的提升提供了多种手段和工具。
实践证明，在有效管控、底层计算理论不变下，可以形成技术手段层面的百家争鸣、百花齐放的局面，管理部门批准了两套规范配套软件，由设计人员自愿选择，增加了选择面。实践也表明，严格的底层理论管控、技术监督、结果校核，规范与技术进步形成统一体，与标准化并不矛盾，而结合技术进步同时行之有效的管控，才是标准化配套软件发展的必由之路。
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