TowerPeak ( 高層建築結構與基礎整體分析和設計軟體 )

高層建築結構與基礎整體分析和設計軟體（TowerPeak） 本軟體全名為：“高層建築結構與基礎整體分析和設計軟體（TowerPeak）”（簡稱TowerPeak），由“廣州天武軟體有限公司”所開發。TowerPeak屬於建築行業方面的用於結構分析和設計的專用軟體。已於2012年12月獲得中國住建部的“建築行業科技成果評估證書”（見建科評 [2012] 139號），評估結果屬“世界先進水準”。 TowerPeak已完全套用中國所有相關最新現行規範。 眾所周知，把上部結構和基礎人為地分開設計，是十分無奈和存在不少隱憂的方法，其結果是該安全的地方不安全，該節省的地方不節省，嚴重程度雖不至於出現倒塌，但建成之後不久出現眾多的裂縫就是整個結構（特別是靠近地面的幾層）進行應力重分佈的明證，它縮短了建築物的壽命和增加建築物的維修費用，這種方法先天不足，禍害無窮，遲早會被棄用。 開發高層建築上部結構和基礎的聯合分析和設計之高效、高精度的實用程式是一項艱辛的任務，經過我們堅持不懈的努力，終於實現了工程界盼望已久的集大成軟體。TowerPeak的橫空出世，給廣大工程設計人員帶來了極大的便利，讓無數未來的高樓大廈以高效精准的分析和設計從而避免不安全和浪費，具有不可估量的實用價值。 自行開發的“所見即所要”Proform介面，將計算資料儲存於可自動顯示的CD或DVD，以代替大量的列印工作，從而節省時間、紙張，更容易保存和查閱。 TowerPeak軟體可分為下述3個部分：

1. 單獨對上部結構進行分析和設計（TowerPeak-1）；

2. 單獨對基礎進行分析和設計（TowerPeak-2）；

3. 對上部結構和基礎結構所構成的整體進行分析和設計（TowerPeak-3）。

根據工程的實際情況, 可分別採用上述3個部分的某部分功能進行分析和設計。

第一部分

TowerPeak-1把樓板、牆體、柱、梁作為結構構件一次過全部同時納入計算，對它們的每個結點均作六個自由度考慮，對杆件（如柱、梁）按結構力學方法分析，對樓板、牆肢按“厚薄板”殼元之有限元方法分析。以這樣的模型來進行分析和設計必能得出高精度和協調的結果，再也不必對特定的結構作特定的假設、簡化和分析，任何局部的受力狀態都可顯示出來。 借助目前十分流行的繪圖軟體AutoCAD，TowerPeak-1具備了對標準層的所有構件（如樓板、梁、柱、牆等）和作用於樓板上的荷載（面荷載或點荷載）等所有幾何的圖形輸入。可在TowerPeak-1和AutoCAD之間互動地進行圖形輸入和輸出。在AutoCAD和TowerPeak-1上自動繪製立體圖、平面圖、各種構件的配筋圖等功能。 歸納起來，TowerPeak-1的主要功能如下：

一、TowerPeak-1核心技術是運用了結構的剛度以每個樓層為單位，並將它在各層傳遞回代從而求解整個高層建築物的位移和內力等結果的新計算方法，一舉滿足既要精度又要速度的要求。

二、TowerPeak-1採用空間模型，將樓板、牆肢離散為凸多邊形殼元，再將梁、柱作為杆件，利用有限元方法對這一空間體系進行分析。在目前情況下，TowerPeak-1除要求樓板為水平面板、牆肢為垂直面板外（通過對軟體的進一步完善，在不久的將來，將沒有這些限制），對結構沒有別的簡化和假設，故由它產生的計算模型，完全吻合建築物的實際形狀，因此對絕大部分的高層建築，計算模型是唯一的，其計算結果也是唯一的。TowerPeak-1也考慮了樓板的開洞、厚度不均、牆肢面上的開洞、厚度沿水準方向線性變化等。因此，TowerPeak-1完全解決了諸如：

1. 多塔樓（見圖1.1.1）、

2. 牆肢面上任意形狀的開洞（見圖1.1.2）、

3. 錯層（見圖1.1.3）、

4. 塔基處的柱和牆可落在不同的樓層上（見圖1.1.4）、

5. 連層柱和牆（見圖1.1.5）、

6. 不規則形狀的樓板、

7. 任意形狀的剪力牆截面、

8. 斜撐（見圖1.1.6）、厚板或巨型框架轉換層等複雜結構的高精度分析和設計， 它既不需要長時間計算，也不必使用大型電腦，它只使用目前個人電腦及十幾分鐘的時間， 便可完成對中等規模的高層建築物（如30層單塔樓）的大部分計算工作。隨著個人電腦的計 算速度越來越快，大型的高層建築結構，需要的計算時間也將越來越短，TowerPeak-1將發 揮更大的作用。圖1.1.1 至1.1.6如下:

圖1.1.1 多塔樓

圖1.1.2 標準層平面佈置

圖1.1.3 錯層立體圖

圖1.1.4 塔基處的柱和牆可落在不同的樓層上

圖1.1.5 連層柱和牆

圖1.1.6斜撐轉換層

三、在結構的動力分析方面，TowerPeak-1也採用空間質點模型，它不把每一層視為一個質點，而是把上下層連結處的結點（柱頂及牆肢與樓板或梁的交點）都作為質點，對於不屬於質點的其它結點，其剛度、品質和轉動慣量則利用靜力凝聚方法凝聚到這些質點中去，因此，它自動考慮了結構的扭轉耦聯（因為它是空間質點）。TowerPeak-1在多遇地震情況下，對水準、豎向用振型分解反應譜法和彈性時程分析法（用振型分解法）進行計算。

四、TowerPeak-1也把地下室納入到整體結構之中，因為TowerPeak-1允許在牆肢上施加荷載(如土荷載和水荷載等）、在各樓層處水平面上添加彈簧支座（如土彈簧支座），而地下室屬於牆肢。

五、在程式設計技術方面，TowerPeak-1除了採用新的計算方法外，還採用了多執行緒和單機併發（同時開啟若干個相同的可執行程式去完成一個計算任務）方法，充分利用多核CPU進行同步計算的功能，以加快計算速度。

六、在運算速度方面，不會因為大規模的高精度計算而減慢。例如對一個45層單塔樓的工程，使用目前市面上普通配備的個人電腦,在多遇地震情況下進行全面分析和設計只需80分鐘,此時的計算規模為: 結點數=45×(495+145*4)+495＝48870，總自由度=48870×6＝293220;

七、TowerPeak-1還具有下列的重要功能：

1. 對整個結構（包括多塔樓）進行施工模擬計算。

2. 用分層法對活荷載進行最不利組合。

3. 對整個結構自動進行完整的有限元劃分，完成後不必再用人手調整。

4. 自動計算風荷載。

5. 自動檢索結果，可把臨界值標示在平面圖上。

6. 構件的截面可取任何形狀，可由多種材料組成（如鋼骨混凝土和鋼管混凝土）。

7. 可對上述構件的截面進行設計及配筋計算。

8. 利用計算後的組合應力自動調整梁的厚度。

9. 自動快速計算工程量。

10. 可把目前業界普遍應用的高層結構分析軟體Etabs的計算模型全部導入到TowerPeak-1，而不必重新在TowerPeak-1上建立計算模型。

綜上所述，TowerPeak-1最大的作用在於：

一、減少設計工作量從而節省設計成本和設計週期。

二、更容易滿足規範的各項要求，可以避開錯層、不規則平面佈置、牆肢面上任意形狀的開洞等的限制，因為TowerPeak-1可以精確地處理它們。

TowerPeak-1（上部結構部分）也已成功通過香港屋宇署審批和認證並獲得批文，註冊號為S0634。

第二部分

TowerPeak-2把承台、地基梁和樁作為結構構件一次過全部同時納入計算，對它們的每個結點均作六個自由度考慮，對杆件（如地基梁、各承台間的連系和樁）按結構力學方法分析，對承台按“厚薄板”殼元之有限元方法分析。以這樣的模型來進行分析和設計必能得出高精度和協調的結果，再也不必對特定的結構作特定的假設、簡化和分析，任何局部的受力狀態都可顯示出來。 借助目前十分流行的繪圖軟體AutoCAD，TowerPeak-2具備了對基礎的所有構件（如地基梁、各承台間的連系和樁）和作用於承臺上的荷載（面荷載或點荷載）等所有幾何的圖形輸入。可在TowerPeak-2和AutoCAD之間互動地進行圖形輸入和輸出。

在AutoCAD和TowerPeak-2上自動繪製立體圖、平面圖、各種構件的配筋圖等功能。 TowerPeak-2的基礎部分是在本公司已開發程式《Foundation Design on Elastic Cap》(FDE)的基礎上發展起來的，可看作是FDE的擴充版本，但其功能有質的飛躍，它把一建築物下的所有基礎用連系梁連起來作為一個空間整體來分析，不要求各承台位於同一水平面上，連結各承台的連系梁可以是傾斜的，但只要求各承台本身是水準的。 為避免樁作為空間構件納入空間整體分析，把它作為子結構，從樁尖向樁頭進行剛度凝聚(注意，沿樁身有分佈土彈簧支座，樁端處有一等效軸向彈簧支座)，把凝聚後在樁頭的一點（6個自由度）的等效剛度才納入上述的空間整體分析，使貌似複雜無比的空間結構得以大幅度簡化，讓分析和設計得以高精度和快速地進行。 計算樁頭的等效軸向剛度可借助本公司已開發的計算單樁和群樁沉降的程式：《樁基沉降分析》（PSA） 計算樁頭的等效側向剛度可借助本公司已開發的計算彈性支座連續梁程式：《廣義彈性支承連續梁》(ESB) 歸納起來，TowerPeak-2的主要功能如下：

一、TowerPeak-2採用空間模型，將基礎承台離散為凸多邊形殼元，地基梁和各承台間的連系梁作為杆件，利用有限元方法對這一空間體系進行分析。在目前情況下，TowerPeak-2除要求基礎承台為水平面板（通過對軟體的進一步完善，在不久的將來，將沒有這些限制），對結構沒有別的簡化和假設。TowerPeak-2也考慮了承台的開洞和厚度不均。 如果只進行靜力分析，TowerPeak-2還考慮了筏板基礎與地基之間及樁和基礎承台之間的接觸脫離問題，可對筏板基礎與地基之間進行摩擦力模擬，這些都用反覆運算方法進行逼近。

二、在程式設計技術方面，TowerPeak-2除了採用新的計算方法外，還採用了多執行緒方法，充分利用多核CPU進行同步計算的功能，以加快計算速度。

三、TowerPeak-2還具有下列的重要功能：

1. 對結構自動進行完整的有限元劃分，完成後不必再用人手調整。

2. 自動檢索結果，可把臨界值標示在平面圖上。

3. 構件的截面可取任何形狀，可由多種材料組成（如鋼骨混凝土和鋼管混凝土）。

4. 可對上述構件的截面進行設計及配筋計算。

5. 利用計算後的組合應力自動調整地基梁和基礎間的連系梁的厚度。

6. 自動快速計算工程量。

7. 實現樁基礎設計的半自動化。

TowerPeak-2（地基基礎部分）也已成功通過香港屋宇署審批和認證並獲得批文，註冊號為S0627。

第三部分

如果把上部結構和基礎人為地分開，然後各自進行獨立分析，其結果的精確度是不可信的，因為對某些結構，由此得到的結構自振週期是實際的幾倍，其效應也相差幾倍。還有，溫差所產生的應力也會相差幾倍以上。為了解決上述問題，我們也開發了對上部結構和基礎聯合在一起作為整體來進行靜力和動力分析的軟體。 如果只進行靜力分析，TowerPeak-3還考慮了筏板基礎與地基之間及樁和基礎承台之間的接觸脫離問題，可對筏板基礎與地基之間進行摩擦力模擬，這些都用反覆運算方法進行逼近。 在進行動力分析和抗震設計時，也把基礎納入一起考慮。上部結構部分的空間節點的選取見第一篇，基礎部分的空間節點的選取則以承台與柱、牆肢、連系梁和樁的交點當作主自由度的結點，其餘為副自由度結點。分析方法見第一篇相關部分。 在進行施工模擬時，基礎也納入一起考慮，基礎和上部結構第一層都作為施工次序1，處理方法見第一篇相關部分。 在建立上部結構（對應的檔案：SSD和MSD）和基礎結構（對應的檔案：IFD和GFD）的模型後，利用檔案SFD將兩者結合在一起，便可進行上部結構和基礎聯合分析。 TowerPeak-3（上部結構+地基基礎）也已成功通過香港屋宇署審批和認證並獲得批文，註冊號為S0715（結構分析部分）和S0731（構件設計部分）。