正確應(yīng)用PKPM軟件提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的準(zhǔn)確可靠性

【摘要】本文針對在工程設(shè)計過程中PKPM軟件所出現(xiàn)的、結(jié)合自己對PKPM系列建筑結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)軟件的應(yīng)用經(jīng)驗，提出在應(yīng)用PKPM軟件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中應(yīng)注意的問題。

【關(guān)鍵詞】計算機輔助設(shè)計（PKPM）；抗震設(shè)計；概念設(shè)計

隨著計算機硬件技術(shù)的發(fā)展和建筑結(jié)構(gòu)分析理論的日臻完善，計算機輔助設(shè)計（PKPM）系統(tǒng)在建筑設(shè)計領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。尤其是近年來高層建筑結(jié)構(gòu)分析理論的逐步成熟，極大地推動了我國高層建筑的發(fā)展。

結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)用最多的就是平面框排架計算與繪圖軟件（PK），它既是獨立的計算和繪圖軟件，又可作為PKPM系列其它高層分析程序的接口軟件，是結(jié)構(gòu)工程師非常熟悉的。結(jié)構(gòu)平面輔助設(shè)計軟件PMCAD、框排架計算及施工圖繪制軟件PK、高層空間分析軟件TAT、SATW和基礎(chǔ)設(shè)計軟件JCCAD等可組成一個高效的結(jié)構(gòu)分析、計算及繪圖系統(tǒng)。結(jié)合自己的工作實際，簡要介紹在使用這些結(jié)構(gòu)軟件的過程中容易出現(xiàn)的問題及設(shè)計時應(yīng)注意的事項。

一、使用PKPM軟件在設(shè)計中容易出現(xiàn)的問題

在工程設(shè)計以及與其它設(shè)計人員交流的過程中發(fā)現(xiàn)：盡管采用了PKPM進行設(shè)計計算，但許多結(jié)構(gòu)設(shè)計人員并未接受過系統(tǒng)的專業(yè)知識，雖然初步掌握了一些建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件的使用，但是缺乏對整體結(jié)構(gòu)概念的認識，過分相信計算機分析結(jié)果而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)計算模型與實際建筑物的較大差別；或者由于對軟件技術(shù)條件認識不清而導(dǎo)致錯誤的計算結(jié)果，以至于在結(jié)構(gòu)施工圖中出現(xiàn)了許多概念性的錯誤和計算錯誤，有些錯誤可能會導(dǎo)致嚴重的后果。為此，結(jié)合近幾年來在工程實踐中發(fā)現(xiàn)的類似問題，對PKPM軟件的應(yīng)用作一些簡單的分析，以提高應(yīng)用PKPM軟件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的準(zhǔn)確可靠性。

1.超越規(guī)范要求進行設(shè)計，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)存在安全隱患

超規(guī)范設(shè)計問題對中小設(shè)計院來說是禁而未絕的問題。雖然建設(shè)主管部門三令五申的強調(diào)，但是由于缺乏有效的管理手段和約束機制，有的地方設(shè)計審查流于形式，或?qū)υO(shè)計圖紙的審查只限于對建筑造型的審查，使得一些超規(guī)范設(shè)計變成了聳立于城市街頭的建筑物。當(dāng)然，超規(guī)范設(shè)計有設(shè)計單位主觀上的原因，也有的是客觀上造成的。超規(guī)范設(shè)計的問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）磚混結(jié)構(gòu)層數(shù)和高度超規(guī)范問題。在《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱“抗規(guī)”）中，多層砌體房屋由高度和層數(shù)兩個指標(biāo)控制，一般認為，超過了其中的一個控制指標(biāo)即是超規(guī)范設(shè)計。近年來，一些抗震設(shè)防地區(qū)所建磚混建筑物相繼出現(xiàn)八層帶半地下室磚混住宅。嚴格地講，按“抗規(guī)”的規(guī)定，帶半地下室住宅房屋的高度和層數(shù)應(yīng)從地下室地面算起，也就是說，八層帶半地下室建筑的實際層數(shù)應(yīng)為九層。

（2）底層框架磚房超規(guī)范設(shè)計問題。底層框架磚房除存在上述高度和層數(shù)超規(guī)范問題以外，還存在底層框架本身的設(shè)計超規(guī)范問題?！翱挂?guī)”所謂的底層框架是指底層為框架-抗震墻承重的結(jié)構(gòu)，且宜采用鋼筋混凝土抗震墻，但抗震烈度為6度和7度地區(qū)可采用嵌砌于框架之間的磚墻。根據(jù)了解的情況，有些工程底層框架雖有抗震墻但截面面積明顯不足。一些工程竟采用底層純框架結(jié)構(gòu)，而且在抗震區(qū)總層數(shù)達到八層。并有底一上七、底二上六、甚至底三上五的底層純框架形式出現(xiàn)，并且在實際工程中底層有限的幾片磚墻還常常是按填充墻來考慮。這種結(jié)構(gòu)形式大都出現(xiàn)在臨街的住宅設(shè)計中，尤其近年來在房地產(chǎn)開發(fā)商所建的商品房中居多，這種結(jié)構(gòu)形式的建筑在地震中的表現(xiàn)是非常脆弱的。所以，一旦有地震發(fā)生，其后果將十分嚴重。

（3）舊房改造設(shè)計中的超規(guī)范問題。某些過去設(shè)計建造的房屋在建設(shè)當(dāng)時該地區(qū)的抗震設(shè)防烈度低于現(xiàn)行的設(shè)防烈度，或由于建筑時的材料所限，其抗震能力較差，已屬于抗震加固對象，而某些設(shè)計單位未進行加固設(shè)計而進行了加層設(shè)計，有的加層設(shè)計還超過現(xiàn)行規(guī)范要求。在加層施工中原結(jié)構(gòu)有不同程度的破壞，加層設(shè)計對該建筑的抗震性能來說無疑是雪上加霜。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致超規(guī)范設(shè)計的主要原因有如下幾方面：一是某些設(shè)計人員遵循規(guī)范的意識淡薄，對規(guī)范規(guī)定模糊不清、學(xué)習(xí)不夠，甚至有些結(jié)構(gòu)設(shè)計人員從來沒有考慮過規(guī)范的要求。二是建筑設(shè)計的人員結(jié)構(gòu)概念模糊，從建筑設(shè)計方案階段造成結(jié)構(gòu)設(shè)計是超規(guī)范的，而又片面地強調(diào)所謂的建筑形式等要求，使結(jié)構(gòu)難以滿足規(guī)范要求。三是某些建設(shè)單位由于從投資的限制、土地利用率等方面出發(fā)而提出不滿足規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)形式，而設(shè)計部門為得到工程的設(shè)計任務(wù)故意違反規(guī)范規(guī)定，有的設(shè)計單位領(lǐng)導(dǎo)為了眼前的利益，迫使設(shè)計人員進行超規(guī)范設(shè)計；四是設(shè)計審查部門遷就建設(shè)單位的意圖，使超規(guī)范設(shè)計在某些地方合法化甚至成為不成文的地方標(biāo)準(zhǔn)和習(xí)慣作法。筆者認為，設(shè)計規(guī)范作為國家制定的規(guī)程是指導(dǎo)建筑設(shè)計的綱領(lǐng)，作為建筑設(shè)計工作者，在任何時候都不應(yīng)當(dāng)違反。

2.過分依賴計算機分析結(jié)果，忽視抗震概念和構(gòu)造設(shè)計

在實際工程中，不同程度地存在著忽視抗震概念設(shè)計和構(gòu)造設(shè)計的問題。例如：某6度抗震區(qū)建筑，設(shè)計為六層帶半地下室磚混住宅，上部結(jié)構(gòu)布置均勻規(guī)整，但是上部作為主要承重和抗震墻體的內(nèi)縱墻卻沒有基礎(chǔ)，而是坐落于地下室的內(nèi)橫墻上，也就是說，上部六層墻體的線荷載，變?yōu)榧泻奢d傳于地下室橫墻上，這種結(jié)構(gòu)的傳力路線是最為不利的。再如：某六層磚混結(jié)構(gòu)商品樓，下部三層為商業(yè)網(wǎng)點，上部三層為住宅，初看起來好象并無不妥，但是下部一層均為貫通整個進深的單間門市部，開間為3米～3.9米，實際上就是一層只有橫墻而沒有縱墻，這樣的建筑其縱向的抗震能力很小，是不能夠按磚混結(jié)構(gòu)來設(shè)計的。雖然其層數(shù)及高度均不超規(guī)范，但是它的抗震性能是極差的，是不能滿足抗震要求的。

建筑物抗震設(shè)計包括三部分，即概念設(shè)計、構(gòu)造設(shè)計和結(jié)構(gòu)計算。大家都知道，地震是一種復(fù)雜的現(xiàn)象，我們對建筑物的地震破壞機理還不十分清楚，對地震的破壞現(xiàn)象也只是停留在感性認識階段，建筑物抗震計算的原理只是一種近似。所以，我們在進行建筑物抗震設(shè)計時，一定要遵循“抗規(guī)”提出的抗震設(shè)計原則和抗震設(shè)計構(gòu)造要求，正確應(yīng)用PKPM軟件，提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量。例如底層框架結(jié)構(gòu)上部的磚房的構(gòu)造措施比多層磚房的構(gòu)造措施要嚴格一些，要求構(gòu)造柱的縱向鋼筋不宜小于4Φ14，箍筋間距不宜大于200mm等，不能按磚房的抗震措施來設(shè)計，也不能單憑計算結(jié)果來判斷結(jié)構(gòu)的可靠性，象上述的兩個例子，結(jié)構(gòu)的靜力計算是沒有問題的，而縱向抗震能力明顯不足。

3.對軟件技術(shù)條件不清楚，導(dǎo)致計算和繪圖結(jié)果錯誤

每一種計算理論都有它的假定條件，每一個軟件的編制都符合特定的技術(shù)條件，我們熟悉的PKPM系列軟件也不例外，如果沒有很好地理解軟件技術(shù)條件，便不能很好地利用軟件來解決實際問題。一些對結(jié)構(gòu)概念不很清楚的設(shè)計人員可能會過分地相信計算機而出現(xiàn)嚴重的設(shè)計錯誤。例如某六層磚混結(jié)構(gòu)，其中第六層為大空間會議室，而且第六層沿縱墻外挑1200mm。也就是說，第六層的屋面、墻體等荷載最終傳于第五層的外挑梁上，而挑梁向內(nèi)的平衡長度不夠或挑梁上的平衡荷載不足，顯然挑梁的抗傾覆能力不足。設(shè)計者認為：挑梁的計算數(shù)據(jù)是由PMCAD軟件生成的，其配筋是經(jīng)過PK軟件計算的，計算結(jié)果沒有問題。其實，由于設(shè)計者對軟件技術(shù)條件不明，在操作時有荷載漏項，導(dǎo)致計算結(jié)果錯誤。

二、使用PKPM軟件在設(shè)計中應(yīng)注意的

1.結(jié)構(gòu)平面輔助設(shè)計軟件PMCAD的應(yīng)用

PMCAD是PKPM系列軟件的核心模塊，是建筑與結(jié)構(gòu)連接的接口軟件，也是結(jié)構(gòu)平面設(shè)計軟件，在這個模塊中建立的結(jié)構(gòu)模型應(yīng)力求準(zhǔn)確，能夠反應(yīng)結(jié)構(gòu)的實際情況。

（1）交互式結(jié)構(gòu)模型的建立。結(jié)構(gòu)模型中所有的構(gòu)件均在此項操作中輸入，應(yīng)當(dāng)注意的是：凡是結(jié)構(gòu)布置形式及構(gòu)件尺寸和荷載不同的結(jié)構(gòu)層均應(yīng)描述為不同的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層，對于上下層柱變截面情況用構(gòu)件相對于節(jié)點的偏心描述，注意在節(jié)點過密的時候墻體及梁布置的連續(xù)性。在布置過兩個或更多的標(biāo)準(zhǔn)層后，不能使用圖案編輯菜單對某一層或某一部分拖動或平移，因為所有的節(jié)點位置都是用相對于原點的位置描述的，拖動或平移會造成上下層節(jié)點錯位。全樓的組裝必須是自下而上的標(biāo)準(zhǔn)層組裝，不能把后一個標(biāo)準(zhǔn)層組裝于前一個標(biāo)準(zhǔn)層之前。填充墻不能作為墻體輸入。在此輸入的荷載值應(yīng)是荷載標(biāo)準(zhǔn)值，不是設(shè)計值。

（2）PK文件的生成。對于磚混結(jié)構(gòu)，按連梁生成的墻梁的PK文件，在沒有進行磚混抗震驗算時梁上沒有上部墻體及以上層樓板傳來的荷載。底框磚房的底層框架梁不可以用生成連梁的方法生成PK文件，否則會引起框架上地震荷載的漏項，而用PK所畫的梁施工圖其節(jié)點構(gòu)造不滿足“抗規(guī)”要求。在此項操作中生成的連梁PK文件應(yīng)打開修改支座情況，主要是依據(jù)實際情況修改梁與柱的鉸接還是固接。在此菜單生成的框架PK文件應(yīng)打開修改梁慣性矩增大系數(shù)和梁端彎矩調(diào)幅系數(shù)，否則PK軟件按梁混凝土彈性工作配筋，使支座鋼筋偏大而跨中鋼筋偏小。

2.平面框排架及繪圖軟件PK的應(yīng)用

PK是PKPM系列軟件的重要組成部分，不但可以單獨使用，而且還可以和SATWE、TAT等模塊聯(lián)合使用。

（1）框架繪圖。有時計算結(jié)果顯示梁柱超筋時，往往能夠通過繪圖，但是要注意此時的繪圖結(jié)果有時是錯誤的，其顯示的配筋情況可能比計算小得多，必須修改計算數(shù)據(jù)文件后，梁柱計算都不超筋時其繪圖結(jié)果才是可信的。另外，在修改鋼筋操作中對梁鋼筋進行了通長修改后，一定要對所形成的施工圖進行檢查，使顯示結(jié)果與繪圖結(jié)果一致。

（2）注意審查每一個柱的軸壓比信息。PK軟件對柱的超筋控制是以最大配筋率來控制的，有時雖然軟件未顯示柱的超筋信息，但并不能說明我們所選的柱截面是合適的。

3.獨立基礎(chǔ)及條形基礎(chǔ)設(shè)計軟件JCCAD的應(yīng)用

（1）對磚混結(jié)構(gòu)而言，一般應(yīng)在荷載組合中加入經(jīng)PMCAD軟件進行磚混抗震計算后的荷載。

（2）對框架結(jié)構(gòu)而言，一般應(yīng)計入經(jīng)PK軟件計算的PK荷載，并在PK荷載中計入地震荷載組合，并經(jīng)縱橫兩個方向的驗算后確定基礎(chǔ)選用的合理值，或計入經(jīng)TAT、SATWE計算的荷載組合。若只經(jīng)PM恒、活荷載計算，則結(jié)果在地震區(qū)會明顯偏小。

（3）對彈性地基梁及筏板基礎(chǔ)的計算還應(yīng)注意以下幾個方面：①應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場勘探情況利用軟件對地基進行驗算；②應(yīng)根據(jù)地基及設(shè)計情況不同選用適當(dāng)?shù)牡鼗鶆偠认禂?shù)；③根據(jù)上部結(jié)構(gòu)及場地情況，選取適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)形式和計算方法；④經(jīng)過反復(fù)地試算，最后確定較為合適的梁截面和翼緣寬度。一般認為，如果我們確定了一種梁截面或翼緣厚度時，加大或減小其截面尺寸都會引起配筋量的增加，那就說明我們選定的這個截面是較為合適的；⑤根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》計算模型的建立、必要的簡化計算預(yù)處理，應(yīng)符合結(jié)構(gòu)的實際工作狀況；所以，在框架結(jié)構(gòu)計算中應(yīng)考慮樓梯構(gòu)件的影響?？紤]到樓梯的梯板等具有斜撐的受力狀態(tài)，對結(jié)構(gòu)的整體剛度有較明顯的影響。PKPM08版給出了計算中考慮樓梯影響的解決方案：在PKPM的模型輸入中輸入樓梯，可在四邊形房間輸入二跑或?qū)φ廴?、四跑樓梯。程序可自動將樓梯轉(zhuǎn)化為折梁，此后接力SATWE等的結(jié)構(gòu)計算即包含了樓梯構(gòu)件的影響，使結(jié)構(gòu)計算更符合結(jié)構(gòu)的實際工作狀況。

三、結(jié)束語

在工程設(shè)計時，即從模型簡化、荷載匯總、結(jié)構(gòu)計算到施工圖繪制的全過程中，我們應(yīng)認真的考慮設(shè)計的每一環(huán)節(jié)，不僅保證計算模型的簡化與工程實際相吻合，使計算假定與實際情況相一致，而且應(yīng)注意設(shè)計軟件的適用條件及其技術(shù)條件，正確的使用CAD軟件，保證計算結(jié)果準(zhǔn)確；更要加強規(guī)范的，加強概念設(shè)計，保證結(jié)構(gòu)滿足各項構(gòu)造措施的要求，使建筑結(jié)構(gòu)能夠承受可能出現(xiàn)的各種作用，保證結(jié)構(gòu)具有良好的工作性能和耐久性能。