正確應用PKPM軟件提高建筑結構設計的準確可靠性

【摘要】本文針對在工程設計過程中PKPM軟件所出現的、結合自己對PKPM系列建筑結構CAD系統軟件的應用經驗，提出在應用PKPM軟件進行結構設計的過程中應注意的問題。 　

【關鍵詞】計算機輔助設計（PKPM）；抗震設計；概念設計 　　

隨著計算機硬件技術的發展和建筑結構分析理論的日臻完善，計算機輔助設計（PKPM）系統在建筑設計領域得到越來越廣泛的應用。尤其是近年來高層建筑結構分析理論的逐步成熟，極大地推動了我國高層建筑的發展。 　　
結構工程師應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，是結構工程師非常熟悉的。結構平面輔助設計軟件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和基礎設計軟件JCCAD等可組成一個高效的結構分析、計算及繪圖系統。結合自己的工作實際，簡要介紹在使用這些結構軟件的過程中容易出現的問題及設計時應注意的事項。 　　

一、使用PKPM軟件在設計中容易出現的問題 　　

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

1.超越規范要求進行設計，導致結構存在安全隱患 　　
超規范設計問題對中小設計院來說是禁而未絕的問題。雖然建設主管部門三令五申的強調，但是由于缺乏有效的管理手段和約束機制，有的地方設計審查流于形式，或對設計圖紙的審查只限于對建筑造型的審查，使得一些超規范設計變成了聳立于城市街頭的建筑物。當然，超規范設計有設計單位主觀上的原因，也有的是客觀上造成的。超規范設計的問題主要表現在以下幾個方面： 　　
（1）磚混結構層數和高度超規范問題。在《建筑抗震設計規范》（以下簡稱“抗規”）中，多層砌體房屋由高度和層數兩個指標控制，一般認為，超過了其中的一個控制指標即是超規范設計。近年來，一些抗震設防地區所建磚混建筑物相繼出現八層帶半地下室磚混住宅。嚴格地講，按“抗規”的規定，帶半地下室住宅房屋的高度和層數應從地下室地面算起，也就是說，八層帶半地下室建筑的實際層數應為九層。 　　
（2）底層框架磚房超規范設計問題。底層框架磚房除存在上述高度和層數超規范問題以外，還存在底層框架本身的設計超規范問題。“抗規”所謂的底層框架是指底層為框架-抗震墻承重的結構，且宜采用鋼筋混凝土抗震墻，但抗震烈度為6度和7度地區可采用嵌砌于框架之間的磚墻。根據了解的情況，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構，而且在抗震區總層數達到八層。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，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。這種結構形式大都出現在臨街的住宅設計中，尤其近年來在房地產開發商所建的商品房中居多，這種結構形式的建筑在地震中的表現是非常脆弱的。所以，一旦有地震發生，其后果將十分嚴重。 　　
（3）舊房改造設計中的超規范問題。某些過去設計建造的房屋在建設當時該地區的抗震設防烈度低于現行的設防烈度，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，而某些設計單位未進行加固設計而進行了加層設計，有的加層設計還超過現行規范要求。在加層施工中原結構有不同程度的破壞，加層設計對該建筑的抗震性能來說無疑是雪上加霜。調查發現，導致超規范設計的主要原因有如下幾方面：一是某些設計人員遵循規范的意識淡薄，對規范規定模糊不清、學習不夠，甚至有些結構設計人員從來沒有考慮過規范的要求。二是建筑設計的人員結構概念模糊，從建筑設計方案階段造成結構設計是超規范的，而又片面地強調所謂的建筑形式等要求，使結構難以滿足規范要求。三是某些建設單位由于從投資的限制、土地利用率等方面出發而提出不滿足規范要求的結構形式，而設計部門為得到工程的設計任務故意違反規范規定，有的設計單位領導為了眼前的利益，迫使設計人員進行超規范設計；四是設計審查部門遷就建設單位的意圖，使超規范設計在某些地方合法化甚至成為不成文的地方標準和習慣作法。筆者認為，設計規范作為國家制定的規程是指導建筑設計的綱領，作為建筑設計工作者，在任何時候都不應當違反。 　　

2.過分依賴計算機分析結果，忽視抗震概念和構造設計 　　
在實際工程中，不同程度地存在著忽視抗震概念設計和構造設計的問題。例如：某6度抗震區建筑，設計為六層帶半地下室磚混住宅，上部結構布置均勻規整，但是上部作為主要承重和抗震墻體的內縱墻卻沒有基礎，而是坐落于地下室的內橫墻上，也就是說，上部六層墻體的線荷載，變為集中荷載傳于地下室橫墻上，這種結構的傳力路線是最為不利的。再如：某六層磚混結構商品樓，下部三層為商業網點，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，是不能夠按磚混結構來設計的。雖然其層數及高度均不超規范，但是它的抗震性能是極差的，是不能滿足抗震要求的。 　　
建筑物抗震設計包括三部分，即概念設計、構造設計和結構計算。大家都知道，地震是一種復雜的現象，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計時，一定要遵循“抗規”提出的抗震設計原則和抗震設計構造要求，正確應用PKPM軟件，提高建筑結構設計質量。例如底層框架結構上部的磚房的構造措施比多層磚房的構造措施要嚴格一些，要求構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計，也不能單憑計算結果來判斷結構的可靠性，象上述的兩個例子，結構的靜力計算是沒有問題的，而縱向抗震能力明顯不足。 　　

3.對軟件技術條件不清楚，導致計算和繪圖結果錯誤 　　
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條件，便不能很好地利用軟件來解決實際問題。一些對結構概念不很清楚的設計人員可能會過分地相信計算機而出現嚴重的設計錯誤。例如某六層磚混結構，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。設計者認為：挑梁的計算數據是由PMCAD軟件生成的，其配筋是經過PK軟件計算的，計算結果沒有問題。其實，由于設計者對軟件技術條件不明，在操作時有荷載漏項，導致計算結果錯誤。 　　

二、使用PKPM軟件在設計中應注意的 　　

1.結構平面輔助設計軟件PMCAD的應用 　　
MCAD是PKPM系列軟件的核心模塊，是建筑與結構連接的接口軟件，也是結構平面設計軟件，在這個模塊中建立的結構模型應力求準確，能夠反應結構的實際情況。 　　
（1）交互式結構模型的建立。結構模型中所有的構件均在此項操作中輸入，應當注意的是：凡是結構布置形式及構件尺寸和荷載不同的結構層均應描述為不同的結構標準層，對于上下層柱變截面情況用構件相對于節點的偏心描述，注意在節點過密的時候墻體及梁布置的連續性。在布置過兩個或更多的標準層后，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點錯位。全樓的組裝必須是自下而上的標準層組裝，不能把后一個標準層組裝于前一個標準層之前。填充墻不能作為墻體輸入。在此輸入的荷載值應是荷載標準值，不是設計值。 　　
（2）PK文件的生成。對于磚混結構，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點構造不滿足“抗規”要求。在此項操作中生成的連梁PK文件應打開修改支座情況，主要是依據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文件應打開修改梁慣性矩增大系數和梁端彎矩調幅系數，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等模塊聯合使用。 　　
（1）框架繪圖。有時計算結果顯示梁柱超筋時，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，必須修改計算數據文件后，梁柱計算都不超筋時其繪圖結果才是可信的。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，使顯示結果與繪圖結果一致。 　　
（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.獨立基礎及條形基礎設計軟件JCCAD的應用 　　
（1）對磚混結構而言，一般應在荷載組合中加入經PMCAD軟件進行磚混抗震計算后的荷載。 　　
（2）對框架結構而言，一般應計入經PK軟件計算的PK荷載，并在PK荷載中計入地震荷載組合，并經縱橫兩個方向的驗算后確定基礎選用的合理值，或計入經TAT、SATWE計算的荷載組合。若只經PM恒、活荷載計算，則結果在地震區會明顯偏小。 　　
（3）對彈性地基梁及筏板基礎的計算還應注意以下幾個方面：①應根據現場勘探情況利用軟件對地基進行驗算；②應根據地基及設計情況不同選用適當的地基剛度系數；③根據上部結構及場地情況，選取適當的基礎形式和計算方法；④經過反復地試算，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《建筑抗震設計規范》計算模型的建立、必要的簡化計算預處理，應符合結構的實際工作狀況；所以，在框架結構計算中應考慮樓梯構件的影響?？紤]到樓梯的梯板等具有斜撐的受力狀態，對結構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對折三跑、四跑樓梯。程序可自動將樓梯轉化為折梁，此后接力SATWE等的結構計算即包含了樓梯構件的影響，使結構計算更符合結構的實際工作狀況。 　　

三、結束語 　　

在工程設計時，即從模型簡化、荷載匯總、結構計算到施工圖繪制的全過程中，我們應認真的考慮設計的每一環節，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，而且應注意設計軟件的適用條件及其技術條件，正確的使用CAD軟件，保證計算結果準確；更要加強規范的，加強概念設計，保證結構滿足各項構造措施的要求，使建筑結構能夠承受可能出現的各種作用，保證結構具有良好的工作性能和耐久性能。