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(duì)我國(guó)目前標(biāo)準(zhǔn)化管理和設(shè)計(jì)質(zhì)量管理的現(xiàn)狀，上海市工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)于工具性的軟件則采用誰應(yīng)用誰負(fù)責(zé)的原則，允許技術(shù)發(fā)展、以期形成學(xué)術(shù)上百家爭(zhēng)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(biāo)準(zhǔn)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(rèn)可、管理辦法》的有關(guān)精神，規(guī)范配套軟件可歸納為應(yīng)具備以下四項(xiàng)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(yán)格遵循規(guī)范的編制原則和各項(xiàng)規(guī)定，不作任何增減，不包含軟件編制人員對(duì)規(guī)范條文和條文說明的新的理解和新的發(fā)展。

（2）計(jì)算結(jié)果的確定性和唯一性。配套軟件保證應(yīng)有的透明度：軟件各部分的細(xì)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(jì)算結(jié)果完全一樣的程序。

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

（4）與規(guī)范的有機(jī)結(jié)合。計(jì)算機(jī)軟件不能替代人腦(尤其是有經(jīng)驗(yàn)人員)的聯(lián)想和判斷。好的設(shè)計(jì)軟件應(yīng)在運(yùn)行的各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)上不斷提醒設(shè)計(jì)人員進(jìn)行思考和判斷。使計(jì)算機(jī)高效、準(zhǔn)確的運(yùn)算和設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)判斷有機(jī)的結(jié)合起來。希望在軟件的運(yùn)行過程中幫助用戶加深對(duì)條文及有關(guān)說明的理解和正確運(yùn)用條文。

在以上四項(xiàng)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(gè)唯一確定的符合規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果。這也是有關(guān)部門加大監(jiān)管力度的著力點(diǎn)。

另一方面，規(guī)范是大量工程實(shí)踐中成熟經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，規(guī)范本身不會(huì)鼓勵(lì)人們進(jìn)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(shí)踐中應(yīng)鼓勵(lì)設(shè)計(jì)人員努力去探索、去創(chuàng)新，同時(shí)也應(yīng)提供相應(yīng)的工具性設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，對(duì)這類軟件沒有必要也沒有可能管得太多，但必須堅(jiān)持一點(diǎn)，即軟件中所采用的方法、計(jì)算原理及在軟件中與方法、原理有關(guān)的，對(duì)最終計(jì)算結(jié)果有影響的細(xì)節(jié)處理都必須向用戶交代清楚，以便于設(shè)計(jì)人員在軟件的應(yīng)用過程中能針對(duì)具體問題進(jìn)行分析，也可通過與規(guī)范配套軟件的結(jié)果進(jìn)行比較，幫助設(shè)計(jì)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(yīng)用軟件兩類，比較嚴(yán)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(jì)算結(jié)果的確定性和唯一性上，逐步形成一個(gè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)軟件。對(duì)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(zé)任由應(yīng)用者負(fù)責(zé)。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(jì)應(yīng)用軟件由無序變?yōu)橛行颉?/p>

2 超明星地基強(qiáng)度與沉降計(jì)算軟件簡(jiǎn)介

超明星(SUPER-STAR)系列軟件是在同濟(jì)大學(xué)等編制單位主持下，組織多名博士、碩士、和設(shè)計(jì)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(cái)力精心編制成功。目前超明星系列軟件已發(fā)展成為四個(gè)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(qiáng)度及沉降計(jì)算軟件、同濟(jì)－理正樁基方案優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件、超明星多能基礎(chǔ)內(nèi)力分析計(jì)算軟件。

本文述及軟件為超明星地基強(qiáng)度及沉降計(jì)算軟件(SUPER-STAR Ver2.0)（以下簡(jiǎn)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(huì)（以下簡(jiǎn)稱“市住建委”）科學(xué)技術(shù)委員會(huì)專家組的鑒定，評(píng)為國(guó)際先進(jìn)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(zhǔn)為上海市工程建設(shè)規(guī)范 DGJ08—11—2010《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(jìn)行了多次升版，該軟件具有先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)，主要用于各種工業(yè)與民用建筑的地基強(qiáng)度和沉降計(jì)算，能高效地求得任意形狀基礎(chǔ)和無需布樁條件下復(fù)合樁基的樁數(shù)－沉降曲線，對(duì)工程設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)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(yùn)用規(guī)范。

3 超明星軟件的基本計(jì)算理論及計(jì)算技術(shù)

地基強(qiáng)度及沉降計(jì)算的理論和公式嚴(yán)格遵循 DGJ 08—11—2010 所用的理論和公式。但是，為了能計(jì)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(fù)合樁基樁數(shù)－沉降曲線(等樁長(zhǎng))，運(yùn)用先進(jìn)的變步長(zhǎng)辛普森四維積分計(jì)算技術(shù)，使其得到有效解決。本軟件經(jīng)多家設(shè)計(jì)及科研部門使用后均深得好評(píng)。

計(jì)算地基的沉降，首先要確定地基計(jì)算模型，而后求得地基中的豎向應(yīng)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(duì)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(duì)地基中應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值積分求解。

因?yàn)樵诖蠖鄶?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(yīng)力，就只能以數(shù)值積分的方式進(jìn)行[2-3]，作為規(guī)范配套軟件，一切計(jì)算均應(yīng)該嚴(yán)格按照 DGJ 08—11—2010 的規(guī)定，但在計(jì)算技術(shù)上則可利用了計(jì)算數(shù)學(xué)、測(cè)量學(xué)及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)上知識(shí)，在嚴(yán)謹(jǐn)性、科學(xué)性、適應(yīng)性方面發(fā)揮多學(xué)科結(jié)合優(yōu)勢(shì)提高計(jì)算效率，同時(shí)能充分體現(xiàn) DGJ 08—11—2010 在復(fù)合樁基計(jì)算方面底層理論及特點(diǎn)。

超明星軟件編制組利用測(cè)量學(xué)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(jìn)行一次線性積分就可以完成整個(gè)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(yàn)算結(jié)果對(duì)比。

4 規(guī)范算例對(duì)比

針對(duì)文獻(xiàn) DGJ 08—11—1999《上海市地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)》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(jì)》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(jì)算技術(shù)水平，可高效自動(dòng)生成計(jì)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(jì)算成果的對(duì)比如表1。

表1 計(jì)算成果對(duì)比表

根據(jù)以上表1對(duì)比可見，本文方法與 DGJ 08—11—2010“準(zhǔn)確解”偏大約 2.6%，在工程設(shè)計(jì)計(jì)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(zhǔn)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(zhǔn)確解實(shí)際上只是提供一種比對(duì)方法，而并無“準(zhǔn)”與“不準(zhǔn)”分別，是差別而不是誤差。到此，可以認(rèn)為該軟件已經(jīng)達(dá)到規(guī)范配套軟件的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

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(dāng)時(shí)面臨兩個(gè)問題：一是DGJ 08—11—2010 主編單位上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)已經(jīng)編制有SFC地基出設(shè)計(jì)規(guī)范配套軟件，是否允許同時(shí)存在兩個(gè)配套軟件存在？二是超明星軟件計(jì)算采用了高效變步長(zhǎng)四維辛普森數(shù)值積分手段，是基于規(guī)范計(jì)算理論在數(shù)值計(jì)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(duì)這兩個(gè)問題，筆者單位進(jìn)行了廣泛調(diào)研和征詢，最終決定允許超明星軟件進(jìn)入配套軟件評(píng)審。當(dāng)時(shí)的技術(shù)路徑及管控手段簡(jiǎn)述如下。

（1）原有規(guī)范配套軟件 SFC 雖然是嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行編制，但是計(jì)算手段相對(duì)單一，采用角點(diǎn)法及同心圓方法計(jì)算基礎(chǔ)沉降時(shí)效率較低，應(yīng)該允許先進(jìn)的計(jì)算手段對(duì)規(guī)范計(jì)算方法進(jìn)行革新，應(yīng)予注意更新的是計(jì)算方法和手段，而不是底層計(jì)算理論。

（2）嚴(yán)格管控軟件編制，除了計(jì)算方式公開以外，委托SFC的編制單位的專家對(duì)超明星軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行廣泛校核，尤其是規(guī)范考題，其計(jì)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(píng)審會(huì)，在軟件原來評(píng)審結(jié)論的基礎(chǔ)上，重新由工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化管理部門組織規(guī)范編制專家進(jìn)行評(píng)審，嚴(yán)格核實(shí)計(jì)算理論及算例結(jié)果，同時(shí)進(jìn)行多算例容錯(cuò)測(cè)試。按照以上要求，由現(xiàn)代集團(tuán)申元巖土工程公司進(jìn)行專業(yè)的校核，由現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)、中船第九設(shè)計(jì)研究院和同濟(jì)大學(xué)等單位專家共同組成評(píng)委會(huì)對(duì)軟件進(jìn)行評(píng)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(yǔ)

在保證基礎(chǔ)理論嚴(yán)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(qiáng)度及沉降計(jì)算軟件 SUPER-STAR Ver2.1(for Windows)》實(shí)現(xiàn)了以下功能：

（1）自動(dòng)將基底力、樁力離散為面力和半空間體積力。

（2）自動(dòng)剖分平面多連通域?yàn)槿切斡?、剖分空間域?yàn)槿抢庵颉?/p>

（3）自動(dòng)完成面力及半空間體積力在地基應(yīng)力中的積分。

（4）自動(dòng)根據(jù)變形控制要求進(jìn)行多工況計(jì)算及插值，確定承臺(tái)面積及樁數(shù)。

計(jì)算準(zhǔn)確度高、差異性小。新計(jì)算方法大大提高了計(jì)算效率，使得原來 SFC 利用角點(diǎn)法、同心圓法需要數(shù)天時(shí)間計(jì)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(yīng)用，提高了生產(chǎn)效率，為上海地區(qū)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)手段與技能的提升提供了多種手段和工具。

實(shí)踐證明，在有效管控、底層計(jì)算理論不變下，可以形成技術(shù)手段層面的百家爭(zhēng)鳴、百花齊放的局面，管理部門批準(zhǔn)了兩套規(guī)范配套軟件，由設(shè)計(jì)人員自愿選擇，增加了選擇面。實(shí)踐也表明，嚴(yán)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(jìn)步形成統(tǒng)一體，與標(biāo)準(zhǔn)化并不矛盾，而結(jié)合技術(shù)進(jìn)步同時(shí)行之有效的管控，才是標(biāo)準(zhǔn)化配套軟件發(fā)展的必由之路。