对首批商品化港口工程计算机软件的评述

陆东汉
（中交第三航务工程勘察设计院 上海 200032）

港口工程计算机软件的发展概况

交通部早在上个世纪70年代初就组织过港口工程计算机软件的开发。详细可见参考资料[1]、[2]。当时机器用的是国产晶体管技术的档次。开发者把软件的使用说明和源程序全部刊登在杂志上，需要者可以任意复制并移植成适合各自机器和编译系统环境下的执行程序。就当时而言，应当可以说，那一批港口工程的计算机程序在国内建筑行业中是处于领先的水平。随着计算机软硬件水平的提高，港口工程计算机软件又经历了小规模集成电路的国产计算机、引进日本的超级小型机、低档的PC机时代直到现在的大规模集成电路为基础的P4和WINDOWS操作系统时代。每一次机器的升级，都伴有软件开发环境的改变。开发软件的人员需要不断地学习新的软硬件系统环境，并把用惯了的成熟程序进行移植和加以改进。特别值得一提的是，自从引进以MV/8000II为主机的CAD系统后，使得港口工程计算机软件从纯粹搞科学计算的时代一下子跨入了计算机图形时代。当时开发人员的人数达到了顶峰，不仅开发出像《港口工程CAD系统》这样比较复杂的系统软件，而且也为后来在微型机上开发图形软件打下了基础。当然必须指出，自90年代初开始，虽然计算机软硬件环境的快速发展能为港口工应用软件的开发提供比以往任何时候有更多的方便。但是，各主要设计院都各自为政，都希望把计算机软件搞成自家的看家本领，不得外传。最终造成低水平的重复开发。再加上，因开发人员为跟上不断发展的开发环境，需要经常更新知识。而与此同时，开发人员的经济效益却得不到保证，导致软件开发队伍逐步走向衰落。再加上种种其他原因，造成了港口工程计算机软件目前的水平远远落后于建筑行业的其他专业的应用水平。在新世纪来临的头几年，正当交通部98系列规范推出不久，急需开发与之相适应的新版港口工程计算机软件之时，除了个别设计院开发了一些专门供自用的软件外，同时还出现了私营公司在开发商品化的港口工程计算机软件，并已经成功推向了市场，似乎又给港口工程计算机软件的开发带来了新的活力和生机。
笔者分别在2002年和2003年两次有幸参加了由交通部主持召开的，对丰海技术咨询服务（上海）有限公司开发的港口工程专用软件审定会，并担任了测试组组长和专家审定组副组长。亲身体验了我国第一批共5个商业化港口工程计算机软件的特点。本文打算就其中3个比较具有特色的程序进行一些评述，供大家参考。它们分别是《PJJS码头排架计算系统》、《BZJS板桩计算系统》和《TPWD土坡稳定计算系统》。

对《PJJS码头排架计算系统》的评述

该系统是一个专门用于高桩梁板式码头排架计算的软件。该系统给人一个总的感觉是，能在一个集成化的环境中进行数据录入、核心计算、后处理以及用户数据管理的专用应用系统。
数据录入子系统采用了WINDOWS界面，具有较友好的输入环境，使用者只要是专业设计者，非常容易入门。见下面图1的输入界面。

(图一)
各输入的页面都十分专业。无论是截面、材料、几何信息、荷载信息的输入都有相应的输入对话框，方便用户输入；在效应组合的输入方法中，见图2输入界面。系统既保留了人工逐个输入的功能，还具有让使用者在选定相互不矛盾，并可同时出现的几个标准荷载的集合后，由程序自动对这些荷载进行可能的有关效应组合。比如：恒载、挤靠力、门机、均布荷载的工况号分别为1、2、3、4则系统会自动产生如下组合数据：1、2；1、3；1、4；1、2、3；1、2、4；1、3、4 共6种效应组合的数据；如果另外再选几种不会互相矛盾，并可能同时出现的荷载集合，系统序会自动再生成相应的组合数据加入原来的组合数据中。

（图二）
另外，对所有的输入数据能直观地、方便地进行修改、添加、删除数据。这种交互式的输入数据方式明显比过去一直使用的由用户对照程序的使用说明书在一个数据文件中依据规定格式要求逐一输入数据的方式要好得多。过去的输入方式最大的缺点是因输入方式不直观而容易出错。而现在的输入方式能在最大程度上避免输入时的错误。从而为提高整个计算效率提供了有利条件之一。
在核心计算子系统方面，该系统采用了工程上最常用的有限单元法，基桩模式为假想嵌固点法，并具有上下端都固结、上端铰接下端固接、上端固接下端铰接和上下端都铰接4种方式。在恒载计算中，可以考虑由自重产生的桩下端内力初始值。在改进的2.0版中，横梁断面可以是变断面的，这比较符合常见的码头排架型式。因为在码头的靠船一侧的横梁断面绝大多数是都有加大的现象。这比一般情况下都采用常断面的方式来计算码头排架的程序要更合理些。系统除了能计算各标准荷载作用下的效应外，还可以对每一跨梁均分十段共11个截面计算承载能力极限状态下的持久组合、短暂组合和偶然组合以及正常使用极限状态下的持久状况的短期效应组合、持久状况的长期效应组合和短暂状况组合共6种效应组合。对每一种效应组合中的多个组合结果进行包络值筛选；对于承载能力极限状态下各种组合，如持久组合、短暂组合及偶然组合都计算的话，系统还进行总的包络值筛选；同样，对正常使用极限状态下各种组合也可以进行总的包络值筛选。另外，由于在输入数据时考虑了荷载性质的区别，所以在效应组合时可以根据组合的状态自动选取相应的分项系数，程序在处理承载能力极限状态的持久组合时，对恒载的3种分项系数能自动选取合理的数值，此种做法提高了计算的自动化程度。这比人们用Excel进行处理要方便，而且迅速得多。这一优点，在专家组的审定意见中得到了充分肯定。
在后处理子系统方面，该系统既能显示及打印承载能力极限状态或正常使用极限状态下每种组合包络值的图形外，还提供各种状态下的总包络图的显示及打印功能。对设计者了解排架整体受力特性很有帮助。在2.0版本中还提供输入荷载的图形显示和打印以及所有计算结果的汇总结果。
该系统是一个在WINDOWS环境下应用的，而且当系统在各种效应组合过程中需要读取大量的荷载作用标准值来进行处理，因此对计算机的硬件要求比一般在纯DOS操作环境下的程序要高些。机器至少应当配置PIII 500以上的档次。内存在256Mb以上，可用硬盘体积100Mb以上。当然，对于目前P4都已经基本普及的今天，应当不成为什么问题。
虽然，对于码头排架计算，特别是横梁变断面的情况，也可以采用通用有限元系统来进行，如SAP5、SAP84、ROBOT等。但是严格说来，所有的通用有限元系统最多只能计算作用效应的标准值，不可能完全按照交通部港口工程98系列规范中的组合方法进行效应组合。充其量只能进行荷载组合。而荷载组合与效应组合是两个不同的概念，因此组合的结果是不同的。
在该系统的测试过程中，对有限元模型采用了通用结构有限元ROBOT程序进行对比；对截面惯性矩等基本参数以及各种效应组合结果都采用手工核算。经全功能测试的对比结果表明，系统计算结果符合性非常好。
总的说来，该系统操作界面友好，计算效率高，具有半自动效应组合和良好的后处理功能，在整体水平上，至少目前国内还没有看到功能如此全面、系统性强的系统。是港工界的同行值得一试的软件。当然，如果系统能够再加入横梁截面的配筋计算和理论配筋图及增加桩在入土段的m法计算那么就更加完善了。

对《BZJS板桩计算系统》的评述

该系统是一个针对板桩结构的专用计算机软件。既可用于板桩码头也适合于板桩驳岸的计算。该系统的输入子系统、计算核心子系统、后处理子系统都能在统一的WINDOWS环境下进行操作。
输入子系统界面友好，见图3。

（图三）
无论是对所需计算的板桩结构类型还是设计水位、土层划分及土的物理力学指标、材料特性、几何尺寸以及标准荷载的输入都非常直观明了。
计算核心子系统中比较有特色的是它既可以计算无锚板桩又可以计算单锚板桩系统。所谓单锚板桩系统是指计算中能够把板桩、拉杆、锚锭板（锚锭墙或锚锭叉桩）作为一个整体系统来进行计算。计算内容包括板桩的踢脚稳定分析、锚锭系统的稳定分析、板桩和锚杆以及锚锭系统的承载能力计算。所有计算可按照不同设计水位分别进行。板桩的入土段既可以采用以m法假定的竖向弹性地基梁模式也可以采用上海市地基规范中的m和KH组合模式。采用竖向弹性地基梁的这种方法已经过许多工程使用比以往的所谓弹性线法在理论上更为合理。因为，老的弹性线法是建立在板桩墙后作用主动土压力，墙前作用被动土压力的前提下进行的计算，而且这种假定还认为锚杆的位置无水平变形。众所周知，被动土压力的产生条件是土体必须有较大的位移。事实上，随着入土深度的增加，板桩的水平位移在正常情况下是会逐步减小到0甚至是反方向的变形。由此可见，原来的弹性线法的计算前提都存在不足，因此其计算结果的可靠度可想而知。相反，该系统采用的竖向弹性地基梁计算假定中，土对板桩的约束作用是同板桩入土段各点的水平位移大小以及各点的深度有关。再加上该系统采用了有限元的计算方法，能合理地考虑锚杆本身的弹性和规范所规定的锚锭结构弹性，使得计算结果更趋合理；另外，系统对计算中各种水位条件下的土压力全部由系统自行计算；系统除了对钢板桩进行应力复核外，对混凝土板桩可进行配筋和裂缝宽度的验算。
在后处理子系统方面的主要特点是一方面能够提供各种标准荷载的效应图形显示及打印功能外，还能够将计算结果以一种比较标准化的模式生成计算书。其中既有计算前提以及各种原始数据外，还提供各种计算情况的详细结果和相应的汇总结果。当计算结果不理想时，能及时提供修改方向的信息，直至调整到所需满意结果后输出最终计算书。这种输出方式在同类港口工程计算机软件中尚属首次。
由于该系统能处理较多的计算内容以及自动生成较完整的计算书，必须处理大量的数据，因而对计算机硬件系统的要求较高。建议的CPU档次在PIII 500以上，内存256Mb以上，可用硬盘体积在100Mb以上。
对该系统测试时，结构计算采用与通用有限元对比；稳定计算及承载力计算采用与手工计算对比。对比结果表明符合性极佳。
纵上所述，该系统具有操作界面友好、计算内容较全面、计算效率高、后处理功能较强、把板桩和锚锭结构作为一个系统一起计算，至少目前国内还没有看到功能如此全面、系统性强的系统。是港工界的同行值得一试的软件。当然，如果在系统中能够再增加锚锭桩或锚锭板桩的计算，那么系统功能就更加完善了。

对《TPWD土坡稳定计算系统》的评述

该系统是专门用于土坡圆弧滑动稳定分析的软件。该系统的输入子系统、计算核心子系统、后处理子系统都能在统一的WINDOWS环境下进行操作。
在输入子系统中最大的特点是采用可视化的数据录入，当输入数据后可立即在屏幕上看到土层线的图形、各土层的物理力学指标以及荷载图形，见图4。能为数值计算之前有一个比较直观的感觉，不容易造成根本性的数据错误。此外，在输入土层线数据的过程中，凡是重复的线条可以不输入，这样做的结果，虽然在系统计算和判别工作量会加大难度，但可减少使用者的录入数据量，当然也就可以减少出错机会，有利于提高最终的计算效率。因输入图形比较简单，系统没有采用专门的CAD系统作为图形软件的支承平台，既可以减少系统开销，又达到了输入直观的目的。这一点在同类不多的土坡计算系统中是有新意的。

（图四）
计算核心子系统主要采用了《港口工程地基规范JTJ250-98》所推荐的基于圆弧滑动的简单条分法和考虑土条间相互作用的毕肖普法两个公式。系统采用的土条划分数量以200条为缺省值，用户也可以根据自己的需要修改土条数量。不过经大量实际计算证明，对同一个圆弧的计算时，随着土条数的增加，抗力分项系数的计算精度是呈波浪式逐渐收敛的。当土条数达到200时，其计算精度早已达到工程上的要求。计算中，圆心的范围是由系统自动确定在一个较为可靠的范围之内。最小抗力分项系数的寻找是采用了比较常用的网格法。即在规定的范围里用一定的步长沿水平方向和竖向的网格点上，逐点计算各滑弧的抗力系数，从中找到较小的值。然后再在其附近一个初始步长范围里用缩小的步长的方法继续搜索最小抗力分项系数。采用该计算方法时，只要计算步长足够小，计算结果还是能满足工程精度的。虽然系统已经提供了两个抗力分项系数的计算方法。但本人认为，使用简单条分法既可满足《港口工程地基规范JTJ250-98》的要求,同时在考虑地震时满足《水运工程抗震设计规范JTJ225-98》的要求。而且，经验表明，使用简单条分法计算的抗力分项系数较小。这主要是由于在实际工程中无法知道超空隙水压力值的大小，因此在使用毕肖普法公式时只考虑了有利的因素而未考虑不利因素所致。此外，系统能避免计算中因圆弧划进纯砂性土中而造成结算出特别小的抗力分项系数的不合理现象。这也是一个考虑比较细致之处。至于，程序对多个滑弧高程的计算采用了并行处理的算法，在计算机软件技术上有意义外，但因目前都是单CPU的计算机，而无法充分发挥该技术的优越性。唯一的优点是可以充分调动系统资源。
后处理子系统的主要特点是能将各滑弧高程的分项系数用图形直接显示在屏幕上，其中描述最小的抗力分项系数的圆弧可以单独显示和打印。同时，对计算结果能生成比较完整的计算书。
该系统的测试完全采用手工对比的方法，结果表明系统计算结果与手工计算一致。
由此可见，该系统具有操作界面友好，输入图形简单，计算效率高，后处理功能较强，在土坡稳定计算中采用参数图形输入的方法在同类软件中属于比较先进的技术。该系统也是港工界的同行值得一试的软件。

结语

正当港工98系列规范推出之后，需要开发与之相应的专业软件之际，港工界的专用软件开发队伍却进入了低潮。在这样的环境下，出现了由丰海技术咨询服务（上海）有限公司投资并开发出既实用而又有一定水平的，并经过交通部组织审定过的港口工程专用软件，对港口工程专用软件的发展带来了新的希望。
经30多年港口工程计算机软件发展的历史证明，所有的软件都是有生命周期的。如果该公司能够继续冒着投资风险，根据用户提出的新要求不断进行软件升级，那么在对港工界做出贡献同时也一定会给公司带来相应的回报。
港口工程专用软件和其他软件一样，它是一种能提高设计效率的“工具”。可以说，它是一种先进的生产力。谁首先掌握这种先进生产力，谁就能在市场竞争中处于有利的地位。过去各单位都希望自己掌握主动，自行生产这种“工具”。但事实上，因各种原因的缘故，该道路越走越窄。现在看来，走社会分工的道路，即由专门的公司来开发并实现市场化操作，不失为是一条现实的路径之一。
参考文献：
[1] 水利水运科技情报 1975年第3－4期合订本
[2] 水利水运科技情报 1975年第5期
作者简介：陆东汉（1939－）男 上海市人 教授级高级工程师 从事港口工程设计及CAD研究