PKPM包絡(luò)設(shè)計軟件介紹

李守功 黃吉鋒 夏緒勇 王曉軍 張艷如 肖 麗 郭華鋒 王雁昆

(建研科技股份有限公司設(shè)計軟件事業(yè)部，北京 100013)

1 引言

PKPM系列設(shè)計軟件功能強大、穩(wěn)定可靠、使用方便，贏得了廣大設(shè)計人員的信賴和喜愛，促進(jìn)了建筑行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。PKPM作為建筑設(shè)計軟件行業(yè)的引領(lǐng)者，不斷追求創(chuàng)新，為工程設(shè)計人員提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

PKPM用戶做工程設(shè)計時經(jīng)常會遇到以下幾類問題:

1)計算模型難定

實際設(shè)計過程中，設(shè)計人員經(jīng)常遇到一些工程，對計算模型如何簡化(如多塔結(jié)構(gòu)的分析模型，樓梯、樓板的模型，是否考慮地下室，關(guān)鍵構(gòu)件的力學(xué)模型等)、計算參數(shù)如何取值(如地下室強制樓板剛性假定是否執(zhí)行、土層水平力系數(shù)的比例系數(shù)等)、約束條件如何確定(約束為剛接、鉸接還是彈簧，若是彈簧支座，剛度系數(shù)取多少)等等這些問題難以把握。通過對不同模型的結(jié)果取包絡(luò)，才能做到安全、可靠。

2)復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計難

規(guī)范規(guī)定復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)需要兩套以上軟件做分析和設(shè)計，然而按哪個計算軟件的結(jié)果，設(shè)計才是安全、可靠的呢?此時可進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。

3)結(jié)構(gòu)性能設(shè)計太繁

規(guī)范規(guī)定結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計，即實現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)計目標(biāo)。因此結(jié)構(gòu)除了要滿足小震條件下的指標(biāo)要求，對某些構(gòu)件還要滿足中震不屈服、中震彈性、大震不屈服或大震彈性的性能指標(biāo)要求。對此，同樣需要做基于性能的包絡(luò)設(shè)計。

總之，實際工程設(shè)計中很多時候都需要做包絡(luò)設(shè)計，而用PKPM系列計算軟件V1．3以下版本軟件做包絡(luò)設(shè)計效率低、可靠性差，開發(fā)PKPM包絡(luò)設(shè)計軟件變得極為必要和緊迫。

2 包絡(luò)設(shè)計軟件關(guān)鍵技術(shù)

包絡(luò)設(shè)計軟件是對多種模型完成分析和設(shè)計，并利用多種模型的結(jié)果生成包絡(luò)數(shù)據(jù)，進(jìn)而輸出施工圖，為此需要突破以下幾項關(guān)鍵技術(shù):

2．1 計算參數(shù)的快速輸入技術(shù)

工程設(shè)計需要輸入大量的計算參數(shù)。不同軟件、不同結(jié)構(gòu)(多塔結(jié)構(gòu)、帶不帶樓梯計算、性能設(shè)計等)雖然有所區(qū)別，但其計算模型是相同或相近的，很多計算參數(shù)是共同的。自動成批輸入計算參數(shù)，不僅能夠保證輸入?yún)?shù)的正確性，也能大大提高輸入的速度。

2．2 計算模型的自動生成技術(shù)

包絡(luò)設(shè)計是對多模型的結(jié)果取包絡(luò)，包括多塔子模型、帶樓梯子模型、性能設(shè)計子模型。如果能夠?qū)崿F(xiàn)多塔結(jié)構(gòu)的自動拆分、帶樓梯結(jié)構(gòu)的自動分離、性能設(shè)計計算模型的自動建立，將顯著提高設(shè)計效率，減少出錯幾率。

2．3 自動分析設(shè)計技術(shù)

在對多模型進(jìn)行分析和設(shè)計時，需要實現(xiàn)自動檢查、整理模型數(shù)據(jù)，自動生成接口數(shù)據(jù)，自動計算內(nèi)力位移，自動設(shè)計配筋計算。

2．4 生成包絡(luò)設(shè)計結(jié)果技術(shù)

分別從多個計算模型、多個計算軟件的計算結(jié)果文件中提取數(shù)據(jù)，生成包絡(luò)設(shè)計結(jié)果，是包絡(luò)設(shè)計軟件的核心技術(shù)。

2．5 包絡(luò)設(shè)計結(jié)果顯示技術(shù)

為便于直觀地查看包絡(luò)設(shè)計結(jié)果或及各個計算的結(jié)果，使設(shè)計人員快速了解計算模型的特性，需要提供結(jié)果的圖形顯示和文本文件。

2．6 包絡(luò)設(shè)計結(jié)果的施工圖技術(shù)

進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計后，需要以施工圖的形式展示包絡(luò)設(shè)計結(jié)果，完成工程設(shè)計。

2．7 多模型的管理技術(shù)

多模型涉及到多種不同的類型，在模型的生成、刪除、編輯、求解、后處理等環(huán)節(jié)也有不同的處理方式，如何進(jìn)行有效地管理是一項關(guān)鍵技術(shù)。

3 包絡(luò)設(shè)計軟件實現(xiàn)方法

針對上面的關(guān)鍵技術(shù)，提出了相應(yīng)的解決方案，編寫了包絡(luò)設(shè)計軟件，程序菜單如圖1所示。

圖1 包絡(luò)設(shè)計軟件菜單

3．1 設(shè)置公共計算參數(shù)

將需要錄入的大量工程計算參數(shù)，進(jìn)行分類整理，形成公共的計算參數(shù)和個別軟件獨有的參數(shù)，參數(shù)分類列表見圖2。設(shè)置好公共計算參數(shù)后，在軟件自動生成多模型時，會將公共計算參數(shù)傳遞給每個模型，從而減少計算參數(shù)輸入工作。

3．2 計算模型的自動形成

軟件可自動生成三類子模型:多塔子模型、帶樓梯的子模型、性能設(shè)計子模型，生成菜單見圖3。

圖2 公共計算參數(shù)菜單

1)多塔結(jié)構(gòu)的自動拆分

程序首先根據(jù)結(jié)構(gòu)的多塔定義，自動生成各個多塔子模型所包含的構(gòu)件;然后用戶可在此基礎(chǔ)上，做一些補充定義，比如將裙房的構(gòu)件添加到各個子模型中;最后程序會根據(jù)原模型的構(gòu)件劃分，生成多塔子模型，將數(shù)據(jù)文件放在工程目錄下各自對應(yīng)的文件里面。

2)帶樓梯結(jié)構(gòu)的自動生成

軟件在運行時，首先建立樓梯目錄，將工程數(shù)據(jù)庫拷貝到該目錄中;然后將樓梯轉(zhuǎn)換成梁單元生成帶樓梯結(jié)構(gòu)的計算模型。

3)性能設(shè)計計算模型的自動建立

軟件首先根據(jù)構(gòu)件性能指標(biāo)的定義情況，確定最終參與計算的性能設(shè)計子模型的數(shù)量和類型;然后建立各性能子模型的目錄;最后將工程文件拷貝到相應(yīng)目錄，并自動設(shè)置各自的性能設(shè)計參數(shù)。

圖3 子模型生成菜單

3．3 自動計算原理

包絡(luò)設(shè)計會涉及到幾個到十幾個甚至更多的模型，需要對這些模型進(jìn)行自動計算。軟件首先交互指定參與計算的子模型，然后根據(jù)各自的計算軟件，自動調(diào)用相應(yīng)的程序，完成分析、設(shè)計和結(jié)果輸出，如圖4所示。

圖4 多模型自動計算菜單

3．4 自動生成包絡(luò)設(shè)計結(jié)果

軟件首先要交互指定參與包絡(luò)設(shè)計的子模型，然后從這些子模型的路徑里根據(jù)計算軟件找到設(shè)計結(jié)果，最后根據(jù)空間位置對應(yīng)關(guān)系，對構(gòu)件的結(jié)果按照一定的規(guī)則取最大值。

3．5 包絡(luò)設(shè)計結(jié)果的顯示

結(jié)果顯示包含各個參與包絡(luò)設(shè)計的子模型的結(jié)果，也包含包絡(luò)設(shè)計的結(jié)果，軟件可根據(jù)子模型的計算軟件類別，調(diào)用相應(yīng)軟件提取結(jié)果，也能夠查看包絡(luò)的結(jié)果，如圖5所示。

圖5 包絡(luò)設(shè)計結(jié)果顯示菜單

3．6 包絡(luò)設(shè)計結(jié)果的施工圖實現(xiàn)

包絡(luò)設(shè)計軟件會生完整的設(shè)計結(jié)果，包括構(gòu)件的幾何信息、設(shè)計信息，調(diào)用施工圖繪制程序，按照施工圖繪制參數(shù)及規(guī)范繪制施工圖。

3．7 多個計算模型的管理

多模型管理涉及到子模型的添加、刪除、編輯、求解、結(jié)果提取等包絡(luò)設(shè)計的整個過程。包絡(luò)設(shè)計軟件既可以將自動生成子模型的路徑添加到目錄中，也可手動添加、刪除子模型(如圖6所示)，還可以根據(jù)各個模型的計算軟件調(diào)用相應(yīng)程序完成編輯、求解和輸出。

圖6 多模型管理菜單

4 包絡(luò)設(shè)計軟件應(yīng)用

4．1 多塔包絡(luò)

本算例為一3塔框筒結(jié)構(gòu)，如圖7(a)所示，包絡(luò)軟件自動對整體模型進(jìn)行拆分成3個多塔子模型，如圖7(a)、(b)、(c)所示。

圖7 多塔結(jié)構(gòu)自動拆分

對以上4個模型自動進(jìn)行計算，然后取包絡(luò)，查看結(jié)果發(fā)現(xiàn)構(gòu)件配筋和驗算信息已取包絡(luò)。比如第5層的某根柱(如圖8圓圈所示)，結(jié)果如圖9所示，單邊配筋、斜截面抗剪箍筋、節(jié)點域抗剪箍筋均取了最大值。本算例說明包絡(luò)設(shè)計軟件不僅能夠正確地自動拆分多塔子模型，也能夠正確地做包絡(luò)設(shè)計。

圖8 某根柱的標(biāo)識

圖9 多塔包絡(luò)結(jié)果

4．2 性能設(shè)計

本算例為一15層的框支結(jié)構(gòu)，如圖10所示，抗震設(shè)防烈度為7度。在公共參數(shù)定義中指定第一層左側(cè)四根柱和梁的性能指標(biāo)，如圖11所示。

圖10 某框支結(jié)構(gòu)

圖11 性能指標(biāo)定義

包絡(luò)軟件會自動生成性能設(shè)計模型，經(jīng)計算、取包絡(luò)得性能設(shè)計結(jié)果，其中大震不屈服的結(jié)果如圖12所示。從這些結(jié)果中可以得出，包絡(luò)設(shè)計軟件能夠正確進(jìn)行性能設(shè)計。

4．3 有無地下室包絡(luò)

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，帶不帶地下室做分析和設(shè)計往往對結(jié)果有一定的影響。本算例為一11層的框架結(jié)構(gòu)，地下5層，如圖13所示。

圖12 柱、梁大震不屈服性能設(shè)計結(jié)果

圖13 某帶地下室框架結(jié)構(gòu)

同時建立不含地下室的上部6層框架結(jié)構(gòu)模型，并將該模型手動添加到多模型目錄中，之后做包絡(luò)設(shè)計，地上第一層的某些梁、柱構(gòu)件的設(shè)計結(jié)果如圖14所示。

圖14 有無地下室包絡(luò)設(shè)計結(jié)果

有無地下室的包絡(luò)設(shè)計方法可做一定的推廣，比如修改原模型的一些設(shè)計參數(shù)(結(jié)構(gòu)體系類型、剛性樓板假定等)后作為一個子模型，手動添加到多模型目錄中，再做包絡(luò)設(shè)計。

4．4 多軟件包絡(luò)

對于一些復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)，規(guī)范規(guī)定需要兩套軟件分別做分析和設(shè)計，相互驗證。PKPM包絡(luò)設(shè)計軟件可選擇用SATWE和PMSAP做分析、設(shè)計，然后對結(jié)果取包絡(luò)?，F(xiàn)對圖10的結(jié)構(gòu)分別用SATWE和PMSAP做包絡(luò)設(shè)計，結(jié)果如圖15所示?？梢钥闯?，包絡(luò)設(shè)計軟件在處理這類問題時的正確性和高效性。

圖15 多軟件包絡(luò)設(shè)計結(jié)果

5 結(jié)論

本文介紹了PKPM包絡(luò)設(shè)計軟件的基本情況和應(yīng)用。除此之外，該軟件通過了三百多個實際工程的測試驗證。我們可以得出:

1)PKPM包絡(luò)設(shè)計軟件能夠處理多種類型結(jié)構(gòu)的包絡(luò)設(shè)計，包括:①多塔結(jié)構(gòu)的包絡(luò)設(shè)計;②帶樓梯結(jié)構(gòu)的包絡(luò)設(shè)計;③性能設(shè)計的包絡(luò)設(shè)計;④多軟件的包絡(luò)設(shè)計;⑤手工指定多個計算模型的包絡(luò)設(shè)計;

2)包絡(luò)設(shè)計的結(jié)果是正確無誤的;

3)包絡(luò)設(shè)計軟件具有高效、易用的特點。

［1］中國建筑科學(xué)研究院．SATWE多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件用戶手冊［M］，2010．

［2］中國建筑科學(xué)研究院．PMSAP復(fù)雜多、高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件用戶手冊［M］，2010．

［3］軟件質(zhì)量保證，Daniel Galin著．

［4］高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［M］，2010-10-21

［5］混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［M］，2010-8-18

［6］建筑抗震設(shè)計規(guī)范［M］，2010-5-31

［7］建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［M］，2011-7-26

［8］建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［M］，2012-5-28

［9］結(jié)構(gòu)力學(xué)教程，龍馭球、包世華

［10］鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［M］，2003-4-25