建筑結構畢業設計使用PKPM軟件應注意的關鍵問題

摘 要：在分析目前普通本科高校土木工程專業畢業設計現狀的基礎上介紹了利用PKPM軟件進行建筑結構畢業設計的意義.針對學生利用PKPM軟件進行畢業設計時存在的問題，以結構設計理論為基礎，以規范準則為依據，介紹了利用PKPM軟件在建筑結構畢業設計時需要注意的關鍵問題.

關鍵詞:PKPM軟件；土木工程專業；建筑結構；畢業設計;問題

0 引言

畢業設計是土木工程專業本科教育階段最后一個綜合性實踐教學環節[1-2].目前，大部分土木工程專業師生在選擇畢業設計題目時，往往傾向于建筑結構設計類.對于此類畢業設計，一小部分學生會選擇手算手繪施工圖的模式，而大部分學生則選擇利用PKPM軟件進行輔助設計.

如果利用手算手繪施工圖的模式進行結構畢業設計，雖然可以最大程度地訓練學生的專業基本功，但其中計算與手繪施工圖屬于低效勞動，在設計市場早已被淘汰.而目前，PKPM軟件在國內設計行業中占有絕對優勢，擁有用戶上萬家，市場占有率高達90%以上，現已成為國內應用最為普遍的CAD系統[3].利用PKPM軟件進行畢業設計的輔助設計既能很好地考察學生的結構設計理論知識，又可實現與實際設計市場接軌的目的.

許多學生在建筑結構畢業設計中只是機械性地學會了PKPM軟件操作，還存在結構設計概念不清晰、軟件中參數的選取不明確、結構設計所涉及的規范條文不理解、結構設計結果出現問題不知怎樣處理等問題.基于此，針對土木工程專業學生的特點，以結構設計理論為基礎，以規范準則為依據，介紹了PKPM軟件在建筑結構畢業設計中需要注意的關鍵問題.

1 柱、梁截面尺寸估算問題

學生在進行柱、梁建模時一般會忽略截面的估算，直接根據經驗或某些書上的例題確定柱、梁截面尺寸.這些學生中大部分是因為不清楚柱、梁尺寸的估算原理和步驟.

柱截面尺寸的估算步驟為：1)確定建筑物所在地區的抗震設防烈度及設計地震分組；2)確定建筑物的抗震等級；3)進一步確定框架柱的截面形狀與尺寸.

框架柱截面尺寸可初步按下式估算：

≤[μN]， (1)

N=βSgn， (2)

式中，N為地震作用組合下柱的軸向壓力設計值；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值；Ac為柱截面尺寸；[μN]為柱軸壓比值;β為考慮地震作用組合后柱的軸向壓力增大系數，角柱、邊柱均取1.3，中柱等跨度取1.2，中柱不等跨度取1.25；S按簡支狀態計算柱的負荷面積；g為單位建筑面積上的重力荷載代表值，可近似取12～15 kN/m2；n為樓層層數.

《建筑抗震設計規范》(GB —2010)[4](下文中簡稱《抗規》)6.3.5條規定，抗震等級為三級且超過2層的建筑中框架柱的截面寬度和高度不宜小于400 mm且長邊與短邊之比不宜超過3.

2 樓梯布置問題

相比較2001版的《抗規》，2010版《抗規》增加了第6.1.15條，用以考慮樓梯的斜撐作用對結構剛度、承載力以及規則性的影響.

學生在布置樓梯時經常會出現樓梯布置不上或參數設置不合理等情況.解決上述問題的唯一辦法是正確理解“平行兩跑樓梯—智能設計對話框”中各參數的含義及建筑施工圖中結構層高、樓梯的設計參數等.“平行兩跑樓梯—智能設計對話框”如圖1所示.

圖1 平行兩跑樓梯—智能設計對話框

首先,需要注意的是底層樓梯布置需設置“起始高度”，即底層樓梯從室內±0.000標高開始，底層結構高度從基礎頂面開始，兩者之間的差值絕對值即為“起始高度”.其余層的樓梯“起始高度”為0.

其次,注意“起始節點號”的選擇，有時程序默認的“起始節點號”與實際建筑中樓梯的起始位置不一致，此時需要按照建筑圖中樓梯的實際工程情況選擇“起始節點號”以及確定是否勾選“是否是順時針”.

圖1中“各梯段寬”是指梯井邊緣至梁邊的距離，“各梯段寬”=梯井邊緣至墻邊緣的距離-梁邊緣到墻邊緣的距離.

“各標準跑詳細設計數據”中第1跑的“起始位置”與第2跑的“結束位置”相等，第1跑的“結束位置”與第2跑的“起始位置”數值相等，而且“平臺寬度”=第1跑“結束位置”.

最后,注意圖1中的其他參數需要根據建筑施工圖中樓梯的實際工程情況進行填寫.

3 模塊中參數理解問題

在模塊中進行各參數補充定義時，部分學生存在參數理解不清楚、參數選值不確定等問題.

3.1 “分析與設計參數補充定義(必須執行)”選項中需要注意的參數

3.1.1 對所有樓板強制采用剛性樓板假定：根據實際工程情況選擇是否勾選.

《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3—2010)[5](下文簡稱《高規》)5.1.5條規定，進行高層建筑內力與位移計算時，可假定樓板在其自身平面內無限剛性.一般建筑結構僅在計算位移比時建議選擇，在進行結構內力分析和配筋計算時可不選擇.

3.1.2 X、Y向結構基本周期：此項用于X向和Y向風荷載的計算.計算完成后，得到了準確的結構自振周期，再回到此處將新的周期值填入，然后重新計算，以得到更為準確的風荷載.

對于比較規則的結構，可采用近似方法計算基本周期.框架結構T=(0.08～0.1)N；框剪結構、框筒結構T=(0.06～0.08)N；剪力墻結構、筒中筒結構T=(0.05～0.06)N，其中N為結構層數.

結構基本周期主要是計算風荷載中的風振系數用的，設計人員可以先按照程序給定的缺省值對結構進行計算.計算完成后再將程序輸出的第一平動周期值填入即可.如果不想考慮風振系數的影響，則可在此處輸入一個小于0.25的值.

3.1.3 柱配筋計算原則：根據實際工程情況確定.

若按單偏壓計算,程序按單偏壓計算公式分別計算柱兩個方向的配筋；若按雙偏壓計算，程序按雙偏壓計算公式計算柱兩個方向的配筋.

《高規》6.2.4條規定：抗震設計時，框架角柱應按雙向偏心受力構件進行正截面承載力設計.

一般情況下，設計信息中選擇“按單偏壓計算”，然后在柱施工圖歸并選筋后，再進行雙偏壓驗算.

3.2 “結構內力，配筋計算”選項中需要注意的參數

3.2.1 層剛度比計算：《抗規》3.4.2和3.4.3條建議的計算方法是地震剪力與地震層間位移比.對于多層(砌體、磚混底框)，宜采用剪切剛度；對于帶斜撐的鋼結構，宜采用彎剪剛度；多數結構宜采用地震剪力與地震層間位移比(所有結構均可采用該方法進行層剛度比計算).

3.2.2 地震作用分析方法：“側剛分析方法”是指按側剛模型進行結構振動分析，“總剛分析方法”是指按總剛度模型進行結構的振動分析.當考慮樓板的彈性變形(某層局部或整體有彈性樓板單元)或有較多的錯層構件(如錯層結構、空曠的工業廠房、體育館所等)時，建議采用“總剛分析法”.

4 計算結果分析問題

利用模塊對所建結構模型進行內力與配筋計算后，大部分學生不會根據模塊輸出的結果圖形與文本顯示進行分析，即使發現問題也不知怎樣對模型或參數進行調整.

要想解決上述問題，需要結合規范準則、結構設計理論知識及結構設計經驗最終確定修改方案.

4.1 文本文件輸出

“文本文件輸出”選項中需要重點檢查“結構設計信息”“周期、振型、地震力”“結構位移”選項.

4.1.1 “結構設計信息”選項中一般從以下三個方面對計算結果進行檢查

4.1.1.1 進一步校對、復核中“分析與設計參數補充定義”的參數有無錯誤，包括總信息、風荷載信息、地震信息、活荷載信息、調整信息、配筋信息、設計信息、荷載組合信息等輸入信息.

4.1.1.2 查看“各層的質量、質心坐標信息”“各層構件數量、構件材料和層高”“風荷載信息”“各樓層偶然偏心信息”“各層樓等效尺寸”等信息.核對“各樓層單位面積質量”，各層樓的單位面積質量=結構總重量/建筑面積.一般情況下，框架結構的單位面積質量大約為11～14 kN/m2，框剪結構大約為13～15kN/m2，剪力墻結構大約在15 kN/m2左右.

4.1.1.3 查看“計算信息”.“計算信息”中重點檢查以下4項：

(1)“各層剛心、偏心率、相鄰層側移剛度比等計算信息”中“剛度比”需要重點檢查，通過檢查“剛度比”判斷結構豎向有無薄弱層.

(2)“結構整體抗傾覆驗算結果”中的“零應力區”需要檢查，一般情況下“零應力區”數值不允許大于15.根據《抗規》4.2.4條規定，高寬比大于4的高層建筑，在地震作用下基礎底面不宜出現零應力區；其他建筑，基礎底面與地基土之間的零應力面積不應超過基礎底面積的15%.

(3)“結構整體穩定驗算結果”中的“剛重比”需要檢查.

剛重比：主要為控制結構的穩定性，以免結構產生滑移和傾覆.當結構剛重比大于10時，能夠通過《高規》5.4.4條的穩定驗算；當結構剛重比大于20時，可以不考慮重力二階效應.

(4)“樓層抗剪承載力及承載力比值”中的“最小樓層抗剪承載力之比”需要檢查.

《高規》3.5.3條規定，A級高度高層建筑的樓層抗側力結構的層間受剪承載力不宜小于其相鄰上一層受剪承載力的80%，不應小于其相鄰上一層受剪承載力的65%；B級高度高層建筑的樓層抗側力結構的層間受剪承載力不應小于其相鄰上一層受剪承載力的75%.

4.1.2 “周期、振型、地震力”選項中一般對以下3個計算結果進行檢查

4.1.2.1 檢查“考慮扭轉聯耦時的振動周期(秒)、X,Y方向的平動系數、扭轉系數”計算結果，主要核算結構的“周期比”是否滿足規范要求以及檢查“地震作用最大的方向”值的大小.

周期比主要用來控制結構扭轉效應，減小扭轉對結構產生的不利影響.《高規》第3.4.5條規定：結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比，A級高度高層建筑不應大于0.9.如果出現不能滿足要求的情況，一般通過調整平面布置來改善.總的調整原則是加強結構外圍墻、柱或梁的剛度，適當削弱結構中間墻、柱或梁的剛度.

當地震作用最大方向的計算結果大于15度時，需要將夾角計算結果輸入到“水平力與整體坐標夾角”中重新計算.

4.1.2.2 檢查“各層X、Y方向的作用力”計算結果.

主要檢查結構“X向、Y向各層剪重比”以及“X向、Y向的有效質量系數”是否滿足規范要求.

剪重比：主要為控制各樓層最小地震剪力，確保結構安全性，具體要求參見《抗規》表5.2.5及《高規》表4.3.12.

有效質量系數：《抗規》5.2.2條文說明及《高規》第5.1.13條第1款要求，有效質量系數不應小于90%.

4.1.3 “結構位移”選項中主要檢查X、Y向在各工況下的“最大層間位移角”以及“最大位移比”是否滿足規范要求.

《抗規》表5.5.1中規定了各種結構類型的彈性層間位移角的限值，其中鋼筋混凝土框架結構的層間位移角限值為1/550.《抗規》3.4.3條規定：在規定水平力作用下，樓層的最大彈性水平位移(或層間位移)，大于該樓層兩端彈性水平位移(或層間位移)平均值的1.2倍，則結構屬于扭轉不規則.

如果結構的“最大層間位移角”“最大層間位移與平均層間位移的比值”以及“最大位移與層平均位移的比值”出現不滿足規范要求的情況，可以通過人工調整改變結構平面布置，減小結構剛心與形心的偏心距.

4.2 圖形文件輸出

“圖形文件輸出”選項中需要重點檢查“混凝土構件配筋及鋼構件驗算簡圖”選項.其中梁配筋信息中有紅色字體出現，則代表梁超筋；柱配筋信息中出現紅色字體，則代表柱超筋或軸壓比超限.

造成梁超筋的原因主要有兩種：第一種是梁抗剪承載力不足，第二種是梁抗彎承載力不足.具體是哪種原因造成的超筋需要單擊“構件信息”中的“梁信息”，如圖2所示，然后鼠標左鍵紅色的梁，則會彈出記事本，如圖3所示.圖3中框內信息即是超筋的原因：抗剪承載力不足.

圖2 構件信息

圖3 超筋信息

不同原因造成的超筋問題的解決方案不同：

(1)針對抗剪承載力不足引起的超筋問題的解決方案

抗剪差的原因主要是和梁垂直搭接次梁傳來的力太大，超過本根梁能超過的范圍.有兩種解決辦法，主要減小傳來梁的剪力:一是在PKPM-特殊構件定義中將傳來梁的定義為鉸接，這是解決此類問題的很好的辦法；二是提高本梁的剛度，主要方法是加大梁的截面和提高混凝土等級等.

(2)針對抗彎承載力不足引起的超筋問題的解決方案

如果是抗彎承載力不足引起的超筋，造成梁抗彎承載力不足的原因有很多，例如輸入的荷載錯誤，有可能是荷載輸入過大；梁截面過??；混凝土的強度等級過低等.針對以上原因，解決辦法是根據實際工程情況減小荷載、加大梁的截面尺寸或者適當提高混凝土強度.

除了上述介紹的造成梁超筋的常見原因外，還有很多其他原因，需要設計人員根據實際工程情況進行判斷并提出解決方案.

針對軸壓比超限的常見解決方法有：①加大柱子截面面積；②采用高強度混凝土.

引起柱超筋的原因很多，需要針對不同原因提出相對應的解決方法.

(1)如果是框架結構整體剛度不足，在地震力的作用下傾覆力矩太大而超筋，這時結構的位移角基本上也不會滿足規范要求，可以通過查看“結構位移”確定.這種情況下可以增大柱截面或是增加柱數量，也可以嘗試增加斜撐或者阻尼支撐，甚至可以增加一些剪力墻.

(2)如果是與柱相連的梁線剛度太小(尤其是大跨度結構)，梁受彎時會傳遞很大的彎矩給柱端，彎矩將造成柱端出現很大的偏心，從而導致柱超筋.這種情況在豎向力較小時(比如頂層)比較常見,此時增大梁高或者減小柱距就能有效解決問題.

(3)如果是結構平面局部薄弱，平面剛度突變而出現柱超筋，這主要是由水平力作用下的應力集中引起的.這種情況下可以增大薄弱部位處的剛度(增大柱截面或者增加柱根數)，或者直接在平面薄弱部位處設置抗震縫，將結構斷開成兩個單體.

(4)如果是結構平面扭轉較大，局部(尤其是邊角)形成很大的剪力而造成超筋，這時首先考慮對整體結構進行調整，平衡剛度，使結構剛度中心與質量中心盡量重合以減少扭矩.如果上述措施還不能解決柱超筋問題，可以再考慮增大柱截面.

(5)如果結構豎向存在薄弱層，軟件在計算時會將該薄弱層乘以放大系數，這種情況也容易引起超筋.薄弱層一般是因為上層的剛度太大，所以除了增大本層剛度外，還可以嘗試降低上層剛度.

5 結語

利用PKPM軟件進行建筑結構畢業設計不僅僅是軟件的簡單操作，其中涉及大量結構設計理論知識、規范條文、參數含義等，并要求學生具備分析計算結果并解決問題的能力.

本文針對PKPM軟件設計過程中學生比較容易出現問題的地方進行了詳細分析與解釋，可以在一定程度上提高土木工程專業學生的結構設計能力及畢業設計質量.

參 考 文 獻

[1]曹云，孟云梅. 土木工程專業畢業設計教學改革與實踐[J]. 中國電力教育，2012(28)：117-118.

[2]孫文彬. 土木工程專業畢業設計教學改革與實踐[J]. 長沙大學學報，2006，20(5)：101-104.

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[4]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑抗震設計規范GB —2010 [S]. 北京：中國建筑工業出版社， 2010．

[5]中華人民共和國住房和城鄉建設部.高層建筑混凝土結構技術規程JGJ 3—2010[S]. 北京：中國建筑工業出版社， 2010．

[6]劉于，王龍海，羅德海. 淺談PKPM軟件在建筑結構課程教學中的應用[J]. 綠色環保建材，2018(5)：270.

[7]代發能. PKPM框架結構設計分析[J]. 建材與裝飾，2018(30)：113-114.

中圖分類號：G 642.0

文章編號：1671-6132(2019)03-0039-05

基金項目：河南省科技攻關計劃項目(5)；河南省高等學校重點科研項目()；南陽師范學院校級專項項目()

作者簡介：王曉飛(1987— )，女，山東臨沂人，南陽師范學院講師，博士，主要從事土木工程方面的教學與研究.