土木工程设计系列-基于规范的简单基础工程自动设计

前言

本文为土木工程设计智能化自动化的尝试，希望存在错误的多多指出。此程序主要讨论以编程的思想自动实现简单的基础工程设计，并生成对应的计算书。本文的代码基于python编写，源码可见于 https://github.com/Asionm/structure-design ，感兴趣的朋友可以一起继续开发完善这系列的土木工程设计程序。

基础工程设计简介

基础工程设计是土木工程领域的一个重要部分，它涉及到为建筑物或其他结构物设计合适的基础，确保其稳定性和安全性。基础工程的目的是为上部结构提供支撑，抵抗各种荷载（包括自重、使用荷载、风荷载、雪荷载和地震荷载等），并将这些荷载安全地传递到地基中。基础工程设计确保建筑物和结构能够稳定地承载自身重量以及其他作用在其上的荷载，防止不均匀沉降导致的结构损伤。通过合理的设计，基础工程能够提高结构的抗震性能，减少自然灾害如地震、洪水对建筑物的破坏。合理的基础设计可以在保证结构安全的同时，减少不必要的建设成本，实现经济高效的建设目标。

在中国，基础工程设计遵循特定的国家标准和技术规范，确保结构的安全性和可靠性。对于混凝土结构和建筑桩基，主要参照以下两项规范进行设计计算：

1. 混凝土结构设计规范GB50010-2010：这是指导混凝土结构设计的主要规范，它涵盖了混凝土结构设计的基本要求、计算原则、构件设计、施工要求等方面。设计时需考虑混凝土和钢筋的强度等级、受力性能、耐久性等因素，确保结构在各种荷载作用下的安全和稳定。
2. 建筑桩基技术规范 JGJ94-2008：这一规范专门针对桩基础的设计与施工，包括桩的类型选择、承载力计算、桩基础的结构设计、施工及检测等内容。桩基设计需要根据地质条件、荷载特点和建筑物要求，选择合适的桩型（如预制桩、现浇桩）、确定桩的布置形式和数量，以及进行桩基的受力分析和稳定性验证。

基础工程设计的一般步骤如下：

1. 地质勘察和评估：了解建设地点的地质条件，包括土壤类型、承载力、地下水位等，这是设计的基础。
2. 确定设计荷载：计算建筑物及其使用过程中将承受的所有荷载，包括恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、地震荷载等。
3. 选择合适的基础类型：
   • 对于承载力较好的土壤，可采用直接基础（条形基础、板基础等）。
   • 对于软弱土层较厚或荷载较大的情况，可能需要采用深基础（如桩基础）。
4. 基础设计计算：
   • 按GB50010-2010进行混凝土结构设计：包括基础尺寸确定、配筋设计、裂缝宽度控制等。
   • 依据JGJ94-2008进行桩基设计：计算桩的承载力，进行桩基与上部结构的连接设计，确保整体结构的稳定性和安全性。
5. 编制施工图和施工方案：详细的施工图应包括基础的尺寸、构件详情、钢筋配置等信息。施工方案则包括施工方法、材料要求、施工顺序等。

程序组成

源码文件树

文件说明：

• appendix.py：存储了附录的一些数据，包含混凝土弹模、抗拉强度设计值等。
• cap.py：承台类，用于承台设计计算。
• foundation.py：桩基础类，进行桩基础设计计算。
• generate.py：生成计算书，可能会利用template.md作为模板。
• main.py：入口文件，启动文件，整个程序的入口点。
• output.md：输出的计算书，为Markdown格式。
• template.md：渲染模板，用于生成计算书。
• tools.py：一些工具函数，提供程序中使用的通用功能。
• output.assets：存储计算书中使用的一些图片。

程序执行流程

部分接口介绍

• Foundation：桩基础类，里面包含了桩基的一些基本信息与计算方法。
  • auto_calc：接收一些设计参数并调用对应的函数实现完整的简单基础设计
  • register_stratigraphic_info
    • 作用：初始化地层信息
    • 参数说明：
      • stratigraphic_info：完整的地层信息，类型为对象列表。
  • add_stratigraphic_info
    • 作用：添加地层信息
    • 参数说明：
      • info：为要添加的地层信息，顺延添加。类型为字典。
  • remove_stratigraphic_info
    • 作用：去除地层信息
    • 参数说明
      • index 需要去除的地层索引，默认为-1即默认去除最后一个地层。
      • all 是否去除所有地层，默认为0即不去除所有，若为1则去除所有。
  • register_hydrologic_info
    • 作用：注册水文信息
    • 参数说明
      • depth 地下水深度，浮点数。
  • register_fd_params
    • 作用：注册基础参数
    • 参数说明
      • length 桩长 浮点数
      • size 桩截面尺寸 元组
      • auto 是否自动生成 布尔
  • register_force_params
    • 作用：注册受力信息
    • 参数说明
      • force 受力 字典、
  • register_material_params
    • 作用：注册材料信息
    • 参数说明：
      • material_params 材料信息 字典
  • calc_bearing_capacity
    • 作用：单桩承载力计算
    • 参数说明
      • sa 桩中心距
  • calc_settlement
    • 作用：沉降计算
    • 参数说明
      • 仅使用实体深基础中的荷载扩散法进行计算
  • confirm_num_layout
    • 作用：确定桩数
    • 参数说明：
      • auto 是否自动确定
  • check_bearing_capacity
    • 作用：验算桩基承载力
    • 参数说明
  • check_cap_punching
    • 作用：承台抗冲切验算
    • 参数说明
      • type:: 柱下或角桩 below edge
  • check_shear_resist
    • 作用：断面抗剪验算
    • 参数说明
      • section 截面编号 int 1-一号截面 2-二号截面
  • design_pile_body
    • 作用：桩身配筋
  • design_cap
    • 作用：承台配筋
• Cap：承台类，包含承台设计的一些信息与计算方法，被包含在foundation对象中。
  • register_column
    • 作用：注册柱子参数
    • 参数说明
      • size 桩截面尺寸 元组
  • register_cap
    • 作用：注册承台参数
    • 参数说明
      • depth 桩长 浮点数
      • size 桩截面尺寸 元组
      • auto 是否自动生成 布尔
  • register_material_params
    • 作用：注册材料信息
    • 参数说明
      • material_params 材料信息 字典
  • calc_self_weight
    • 作用：计算承台自重
  • cap_design
    • 作用：承台配筋设计
    • 参数说明
      • ::Nmax
      • ::n
      • ::protection_thickness 保护层厚度
      • ::xi 距离中心的距离
    • cap_punching_check
      • 作用：承台冲切验算
      • 参数说明
        • ::type 验算类型 below对应柱的向下冲切验算 edge对应角桩的冲切验算
        • ::a0x 柱边到桩内边缘距离或角桩内边缘引冲切线与承台顶面交点的水平距离 m
        • ::a0y 柱边到桩内边缘距离或角桩内边缘引 冲切线与承台顶面交点的水平距离 m
        • ::c1 角桩内边缘至承台外边缘的距离(角桩验算时） m
        • ::c2 角桩内边缘至承台外边缘的距离(角桩验算时） m

程序使用

程序使用入口为main.py函数，将对应的参数更换为自己的地质参数，以及受力信息即可。输入信息后，会自动计算结果并输出为markdown文件，文件的部分截图如下所示。

源码获取

源码可访问 https://github.com/Asionm/structure-design 获取，感兴趣的朋友可以一起继续开发完善这系列的土木工程设计程序。