地工平台-基礎分析設計模組
一、關鍵挑戰Challenge
說明關鍵技術之研發緣起與應用目標
1. 地工分析網路作業平台(以下簡稱地工平台)之開發構想已於「地工平台-地質鑽探及液化潛能模組」中簡述，請參考該篇之說明。
2. 基礎工程係指將上部結構體之載重，安全地傳遞至土壤或岩盤之結構體。但由於各設計規範對外加荷重考慮之不同，例如極限設計(Limit State Design, LSD)、載重與阻抗係數設計(Load and Resistance Factor Design, LRFD)，乃至於性能設計(Performance Based Design)等，基於可靠度分析(Reliability Analysis)之概念，對各種外加荷重條件及承載力之修正係數各異，因應不同荷重條件，土層對基礎之反應亦不相同，工程師必須針對各種可能的狀況進行考慮。且由於各種基礎之適用條件、分析方式均不相同，故其對設計結果之輸出方式亦異。為提供工程師整合之設計輔助系統，針對各種可能之設計方案進行檢討，故就其設計荷重之考慮、土壤行為分析、基礎設計方法以及設計成果呈現方式等方向，整合各種規範、理論與計算書、設計圖等參考資料，據以於地工平台上開發基礎分析設計模組，使所有設計資料均可數值化留存並便於他人參考，亦讓資淺之工程師能從前人的經驗中學習，使工程設計經驗能得以傳承，工程品質亦可逐步提升。
二、流程Process
1. 基礎分析設計模組係針對一般鐵公路工程常用之橋台淺基礎、單樁基礎以及群樁基礎，發展整合基本規範與分析設計之程序。其中樁基礎因現行市面大部分之商用基樁計算程式，多套用固定理論與既有規範，無法予以變更，例如使用廣泛之群樁分析程式GROUP(Ensoft,2006)，即無法對柔性樁帽進行分析，而可進行柔型樁帽分析之結構分析程式SAP(CSI,2006)，卻無法有效模擬樁與土壤間之高度非線性受力-變形關係。因此，本研究蒐集目前樁基礎分析理論之發展，擇其堪於工程實務上應用者，配合目前已普遍應用之設計程序，自行開發計算核心，以因應未來規範之發展而擴充之彈性需求。
2. 橋梁基礎之分析與設計需要一連串互相關聯之計算與分析，例如完整的樁基礎設計即必須以簡化土層參數之歸納、液化分析、沉陷分析、負摩擦力分析、基樁承載力檢核、基樁側向力分析、樁身配筋以及樁帽配筋等可各自獨立的分析模組所組成，而這些分析模組介面，如果能加以適當的設計，應可重複應用於不同的諸如淺基礎及沉箱基礎設計中，因此，本研究妥善規劃各基礎設計之介面規格，以提供設計者簡易且一致之設計環境。
3. 該模組之規劃與「地工平台」一致，採用Microsoft .NET Framework相關技術，採分散式多層次(Muiti-Tier)處理的方式架構建置；所有程式的使用者介面及資料交換介面均採取Web-Based方式開發。資料庫管理系統(DBMS)及網頁伺服器(Web Server)現階段採用目前本社及中興公司已沿用多年的SQL Server 及Internet Information Server (IIS) 建置。地工平台之服務，採Microsoft之.NET Framework 2.0為骨幹，資料庫之存取、維護以及數值運算以XML Web Service方式建立，所有使用者介面則採ASP.NET配合Javascript技術開發。
三、成果Result
重要計畫成果內容與工程應用價值
1. 本模組之數值計算核心分析結果與現地試樁結果大致相符，但仍需進一步的驗證。
2. 本模組以專案為中心，並將專案內的基礎設計大致分為分析計算、結構配筋以及設計成果輸出與製作三大類功能，如表1所示。
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分析計算
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結構配筋
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設計成果輸出與製作
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淺基礎分析
單樁/沉箱分析
群樁基礎分析
沉陷分析
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沉箱配筋
樁身配筋
基礎版/樁帽配筋
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設計標準圖輸出
設計計算書輸出
數量計算書輸出
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3. 每一工程專案擁有獨立的設計規範參數，諸如安全係數、承載力公式、土壤彈簧模式以及群樁效應折減計算方式等，除常用之計算公式由系統提供使用者選用外，同時亦可視該專案設計規範之規定，由使用者自行定義相關計算公式。工程專案內可包含任意數量之基礎，每基礎則各自擁有至少一組以上之載重組合以及對應之簡化土層參數。使用者可依其設計經驗，透過本系統提供之設計介面來指定基礎之配置，再利用變位分析模組，對所有載重組合進行計算，系統同時針對設計規範進行檢核，使用者可藉計算及檢核結果瞭解對各種載重下單樁荷載之分布、變形、剪力與彎矩與深度之關係，並可針對控制設計之條件，調整其樁群配置，直到符合規範之要求為止。此外，系統亦將自動彙整所有載重下之分析結果，計算樁帽或基礎底板各方向之最大正負彎矩、剪力以及樁身於各深度之軸力、彎矩及剪力，使用者僅需輸入欲配置之各層鋼筋號數、間距等設計值，系統亦會根據鋼筋混凝土設計規範立即檢核該配筋是否足夠，如因彎矩過大等因素造成無法配筋時，則應自基礎之幾何配置重新檢討試算，直到所有設計均符合規範要求為止。相關的模組畫面如圖1~4所示。如此，工程師即可將大部分之心力集中於設計之最佳化上，以提高設計實務上兼顧安全與經濟之品質要求。
圖1 群樁尺寸輸入介面
圖2 群樁簡化土層參數輸入介面
圖3 基礎數值分析結果檢核
圖4 樁帽配筋及檢核功能介面
四、與其他核心技術關連性
1. 地工平台-地質鑽探及液化潛能模組
五、重要發表文獻
1. 王天佑,洪世勳,譚志豪,冀樹勇,陳逸駿,陳錦清,"橋樑基礎整合型設計系統之開發研究" (94年 電子計算機於土木水利工程應用研討會,成大)
2. 陳錦清, 冀樹勇, 洪世勳,王天佑, "樁基礎分析與設計程式之開發" (95/01 中興工程季刑第90期,中興工程顧問社發行)
3. 洪世勳,王天佑,冀樹勇 "地工分析網路作業平台發展" (99/04 中興工程40週年工程技術論文集,中興工程顧問社發行)
