應(yīng)用PKPM進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

李復(fù)炫

（蘭州煤礦設(shè)計(jì)研究院，蘭州 730000）

應(yīng)用PKPM進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

李復(fù)炫

（蘭州煤礦設(shè)計(jì)研究院，蘭州 730000）

PKPM，是目前我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用量最大的軟件之一，其具備了操作簡(jiǎn)單、適用領(lǐng)域?qū)?、界面清晰整潔等特點(diǎn)，被廣大建筑設(shè)計(jì)工作者所喜愛(ài)。如今，PKPM軟件已經(jīng)在我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，為整個(gè)建筑事業(yè)的發(fā)展作出了極大貢獻(xiàn)。本文對(duì)PKPM下各種應(yīng)用軟件對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化作用進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并提出了應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)該注意的幾個(gè)重要問(wèn)題。

PKPM軟件；建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化

0 引言

PKPM，是我國(guó)建筑科學(xué)研究院所研發(fā)的針對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的軟件，其內(nèi)容主要包含建筑、結(jié)構(gòu)（特種結(jié)構(gòu)）、概預(yù)算、設(shè)備。而關(guān)于PKPM下的應(yīng)用程序，則主要包含了SATWE、TAT、PMCAD、JCCAD、PK等。PKPM軟件不僅功能強(qiáng)大、自動(dòng)化程度較高，同時(shí)其應(yīng)用的范圍也極為全面，是目前各種建筑設(shè)計(jì)軟件當(dāng)中最具權(quán)威的軟件，逐漸地成為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員不可或缺的必備工具之一。

1 PKPM下各種應(yīng)用軟件對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用及優(yōu)化作用

1.1 SATWE程序

SATWE程序，其是為了適應(yīng)現(xiàn)代高層建筑、多層建筑的發(fā)展需求而專門研制的一種空間組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件?！敖鉀Q樓板與剪力墻的模型化問(wèn)題；使高層建筑與多層建筑結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化分析模型更加合理；讓模型化的誤差盡量減??；將結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)更好地反映出來(lái)”即是SATWE程序工作中的核心內(nèi)容。SATWE程序的應(yīng)用所采用的是空間桿單元的模擬柱（梁）等桿件，應(yīng)用于在殼元基礎(chǔ)上而凝聚而成的墻元模擬剪力墻上[1]。另外，SATWE程序的功效在高層與多層鋼筋砼框架、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架與剪力墻、砼混合結(jié)構(gòu)與高層鋼結(jié)構(gòu)或鋼的應(yīng)用中能夠得到最大的體現(xiàn)。SATWE程序充分的考慮到了高層與多層建筑當(dāng)中的一些特殊結(jié)構(gòu)形式，如樓板局部開(kāi)大洞、轉(zhuǎn)換層、多塔、錯(cuò)層等。而對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)、恒、活與地震作用下的動(dòng)力時(shí)程分析、內(nèi)力分析以及荷載效應(yīng)組合的計(jì)算而言，通過(guò)SATWE程序的應(yīng)用必然將良好的完成，而同時(shí)也能良好的完成活荷不利布置計(jì)算。在進(jìn)行分析時(shí)，SATWE程序是將建筑結(jié)構(gòu)的上部與地下室看做成一個(gè)整體，不僅能夠有效地對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行截面驗(yàn)算，也能夠?qū)︿摻铐沤Y(jié)構(gòu)進(jìn)行截面配筋計(jì)算。

1.2 TAT程序

作為一個(gè)三維空間分析的程序，TAT程序與SATWE程序有所不同，其采用的是空間桿系計(jì)算柱（梁）等桿件。針對(duì)于剪力墻的計(jì)算，則是通過(guò)薄壁柱原理來(lái)實(shí)現(xiàn)。TAT程序可以用于框架與剪力墻、剪力墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算、高層建筑與多層建筑的框架計(jì)算，平面與立面體型是TAT程序最適用的結(jié)構(gòu)形式。TAT程序能夠有效地完成建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)、恒、活的內(nèi)力計(jì)算以及地震作用下的地震作用計(jì)算。同時(shí)，TAT程序還能夠有效地完成荷載效應(yīng)組合，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否穩(wěn)定的驗(yàn)算、對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的截面配筋計(jì)算以及多層或高層建筑的鋼（鋼結(jié)構(gòu)）與混凝土混合結(jié)構(gòu)的計(jì)算[2]。從總體來(lái)看，TAT程序充分的考慮到了建筑結(jié)構(gòu)中的斜柱、斜支撐以及水平支撐等問(wèn)題，其尤其善于對(duì)高層建筑中特種結(jié)構(gòu)（如錯(cuò)層、多塔等）的處理，具體來(lái)說(shuō)主要包含了中部或上部連接下部多塔的情況、大底盤上部高塔的情況。而針對(duì)于多塔、錯(cuò)層信息的判斷與處理而言，TAT程序能夠根據(jù)實(shí)際的建筑模型來(lái)自動(dòng)的生成。

1.3 PMCAD程序

作為PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件當(dāng)中最為基礎(chǔ)的程序，PMCAD程序所采用的是人機(jī)交互的方式。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)人員的引導(dǎo)，來(lái)逐層的布置各層樓面與平面，然后再通過(guò)層高的輸入建立起一套能夠?qū)ㄖ镎w結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分描述的數(shù)據(jù)。其實(shí)，PMCAD程序的運(yùn)行過(guò)程即是為結(jié)構(gòu)計(jì)算而建立起模型的過(guò)程。PMCAD程序具有超強(qiáng)的傳導(dǎo)計(jì)算功能與荷載統(tǒng)計(jì)功能，不僅能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的自重進(jìn)行精密的計(jì)算，同時(shí)也能夠自動(dòng)的完成“從樓板到次梁→從次梁到主梁→從主梁到承重柱墻→從上部結(jié)構(gòu)到基礎(chǔ)”整個(gè)過(guò)程的精密計(jì)算，而由于局部區(qū)域往往會(huì)存在外加荷載，因此可以為整棟建筑建立起荷載數(shù)據(jù)。而通過(guò)建立整棟建筑的荷載數(shù)據(jù)之后，PMCAD程序的應(yīng)用即能夠有效的為PKPM各個(gè)功能設(shè)計(jì)程序有效的數(shù)據(jù)接口。

1.4 JCCAD程序

JCCAD程序的應(yīng)用能夠有效地完成墻下條形基礎(chǔ)、墻下筏板、柱下獨(dú)立基礎(chǔ)、柱下平板、柱下獨(dú)立樁基承臺(tái)基礎(chǔ)、帶肋筏板、彈性地基梁、樁格梁基礎(chǔ)、樁筏基礎(chǔ)以及單樁的設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，JCCAD程序的應(yīng)用還能夠?qū)δ欠N由上述多種基礎(chǔ)所組合起來(lái)的大型混合基礎(chǔ)進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)，并且在處理的過(guò)程當(dāng)中，一次處理的筏板塊數(shù)能夠達(dá)到10塊之多。而其也能夠?qū)痘?、條基以及獨(dú)基進(jìn)行良好的處理，筏板基礎(chǔ)的梁肋不僅可以朝下，也能夠朝上。另外，通過(guò)JCCAD程序的應(yīng)用能夠有效的讀取上部結(jié)構(gòu)當(dāng)中首層的異形樁，比如鋼管混凝土柱等，在基礎(chǔ)平面圖與交互輸入中將建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)繪制而出。另外，JCCAD具有極強(qiáng)的繪圖功能與交互功能，其能夠通過(guò)基礎(chǔ)交互輸入菜單即可對(duì)各種類型、各種形狀的基礎(chǔ)進(jìn)行方便的布置，讓各種計(jì)算的參數(shù)得以確定，并將這些確定出的參數(shù)應(yīng)用于之后的計(jì)算分析之中。通過(guò)JCCAD程序的應(yīng)用，不僅能良好的完成設(shè)計(jì)，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)主要工程量的統(tǒng)計(jì)，比如鋼筋用量、墊層用量、砌體用量、混凝土用量等，最終為概預(yù)算軟件提供有利數(shù)據(jù)。

1.5 PK程序

所謂PK程序，即是集建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備為一體的集成化軟件。就目前的情況來(lái)看，其在我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，深為廣大建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員所熟悉。尤其是在對(duì)連續(xù)梁、排架以及框架進(jìn)行計(jì)算與繪圖時(shí)，PK程序的應(yīng)用顯然是最佳的手段。通過(guò)繪圖補(bǔ)充數(shù)據(jù)文件與相關(guān)結(jié)構(gòu)計(jì)算的數(shù)據(jù)文件的準(zhǔn)備，PK程序通過(guò)3步操作即可有效地完成計(jì)算與繪圖。

2 PKPM軟件在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題

2.1 地震作用

一是針對(duì)于剛度與質(zhì)量的分布存在著嚴(yán)重不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)而言，應(yīng)該將其計(jì)入到雙向水平地震作用之下的扭轉(zhuǎn)影響之中。通過(guò)計(jì)算得知，在雙向水平地震作用下，規(guī)則框架的角柱配筋將出現(xiàn)10%上下的增大，而其他柱并不會(huì)出現(xiàn)任何變化。而不規(guī)則框架角柱、邊柱、中柱的配筋都會(huì)出現(xiàn)明顯的增大。采用雙偏壓計(jì)算、柱按單偏壓計(jì)算以及雙向地震力的方法來(lái)對(duì)兩者進(jìn)行比較，可以看出在雙向水平地震作用之下，不規(guī)則框架計(jì)算柱的鋼筋比規(guī)則框架的計(jì)算柱的鋼筋變化更大。所以，如果同時(shí)勾選了柱雙向配筋與雙向地震力的時(shí)候，我們需要足夠的謹(jǐn)慎；二是耦聯(lián)選項(xiàng)。結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與剛度分布無(wú)論是對(duì)稱還是不對(duì)稱，都應(yīng)該得到一定程度的采用；三是建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比。一般情況下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)僅取0.05。對(duì)于超過(guò)了12層的鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)該取0.02。而針對(duì)于沒(méi)有超過(guò)12層的鋼結(jié)構(gòu)而言，應(yīng)該取0.035?；旌辖Y(jié)構(gòu)則應(yīng)該取0.03[3]；四是對(duì)單向的地震力的計(jì)算而言，應(yīng)該對(duì)偶然偏心的影響引起足夠的重視。經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，因考慮實(shí)際的施工過(guò)程而出現(xiàn)的偶然偏心占據(jù)了5%的比例。而通過(guò)精密的計(jì)算得知，如果在計(jì)算的過(guò)程中考慮到了偶然偏心，那么構(gòu)件的內(nèi)力得到5%至10%的增大，同時(shí)也會(huì)讓構(gòu)件的位移出現(xiàn)明顯的增大，將增大18%左右。但是，針對(duì)于不規(guī)則的結(jié)構(gòu)而言，應(yīng)該對(duì)雙向地震作用進(jìn)行充分的應(yīng)用，并且在整個(gè)實(shí)施過(guò)程中避免與偶然偏心同時(shí)作用，這兩者只能選其一。那么，在實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，建議采用如下的選用方法：針對(duì)于≤30 m且≤8層的多層建筑而言，僅僅需要充分的考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)與非扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)即可。針對(duì)于一般的高層建筑而言，則可選用偶然偏心與耦聯(lián)相結(jié)合的方法。而針對(duì)于不規(guī)則高層建筑來(lái)說(shuō)，在滿足位移比接近限值以及抗規(guī)兩條以上不規(guī)則性時(shí)，應(yīng)該充分的考慮到雙向地震作用。

2.2 關(guān)于梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)

鋼筋混凝土框架梁的設(shè)計(jì)只有在豎向荷載的作用下才應(yīng)該考慮混凝土的塑性變形中內(nèi)力重分布，從而對(duì)支座負(fù)彎矩進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p小。并且，通過(guò)支架鋼筋用量的減小，來(lái)有效的讓施工框架梁端支座負(fù)彎矩得到一定的調(diào)幅。而程序自動(dòng)則將按照平衡條件對(duì)梁跨中彎矩進(jìn)行相應(yīng)的增加，但是支座負(fù)彎矩的調(diào)幅不應(yīng)該過(guò)大，一般情況下，梁端負(fù)彎矩的調(diào)幅系數(shù)都應(yīng)該在0.8~1.0的范圍內(nèi)選取，始終都應(yīng)該控制在彈性理論計(jì)算彎矩的20%之內(nèi)。一旦調(diào)幅系數(shù)的取值比較低時(shí)，相應(yīng)的設(shè)計(jì)者就必須進(jìn)入施工圖菜單中對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的核查，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果來(lái)檢查配鏡梁支座處的裂縫寬度是否能夠滿足于規(guī)范要求。如果出現(xiàn)了不滿足的情況，就應(yīng)該及時(shí)地對(duì)梁端負(fù)彎矩的調(diào)幅系數(shù)進(jìn)行重新的選取，通過(guò)重新的調(diào)整來(lái)滿足正確的裂縫寬度要求。

2.3 某些參數(shù)的確定

針對(duì)于絕大部分的工業(yè)廠房而言，其基礎(chǔ)的部分都會(huì)有若干的管道穿過(guò)，這樣的情況就直接造成了基礎(chǔ)梁較深的特點(diǎn)，很多基礎(chǔ)梁頂標(biāo)高去-1.5 m，一旦基礎(chǔ)梁頂與基頂處于平行的狀態(tài)時(shí)，若按照規(guī)范底層柱的計(jì)算長(zhǎng)度，應(yīng)該取至基頂，而柱的計(jì)算長(zhǎng)度是較大的，所以如果按此算出的結(jié)構(gòu)，必然其自振周期會(huì)偏大。

例1：我們將某一棟單層工業(yè)廠房作過(guò)實(shí)例來(lái)進(jìn)行計(jì)算與探討：如果建筑的層高為4.8 m，而柱截面則為600 mm×600 mm，那么其底層柱的計(jì)算長(zhǎng)度就應(yīng)該取至基頂，TAT-8計(jì)算自振周期為Tx1=0.6 891 s，Tx2=0.6 913 s，而底層柱的計(jì)算長(zhǎng)度通常情況下都是取-0.8 m，那么其自振周期則為Tx1=0.5 847 s，Tx2=0.9 318 s。

例2：如果設(shè)定實(shí)例廠房為兩層的話，那么在相同層高與相同柱截面，底層柱的計(jì)算長(zhǎng)度同樣取至基頂-1.5 m的前提下，TAT-8計(jì)算自振周期則為Tx1=0.8 942 s、Tx2=0.9 318 s，而同樣在底層柱計(jì)算長(zhǎng)度取-0.8 m時(shí)，其自振周期為Tx1=0.7 896 s、Tx2=0.8 227 s。

顯然，從上述的計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)看，在地坪彈性嵌固的作用之下，加之底層柱的計(jì)算長(zhǎng)度具有差異性，因此結(jié)構(gòu)的自振周期必然將偏大，而這樣的自振周期也將直接導(dǎo)致計(jì)算的結(jié)果偏于“不安全”。因此，在實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)自振周期的適當(dāng)折減，其計(jì)算的結(jié)果才會(huì)具備一定的安全性。

3 結(jié)語(yǔ)

PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件問(wèn)世以來(lái)，通過(guò)人們對(duì)其的不斷改進(jìn)，其不僅功能越來(lái)越強(qiáng)大，而且自動(dòng)化的程度也在不斷的提升。但是，任何事物都不可能是萬(wàn)能的，如果不能夠處理好如上述所說(shuō)的地震作用問(wèn)題與關(guān)于梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)的問(wèn)題，那么PKPM軟件的功效必然將無(wú)法得到充分的展現(xiàn)。因此，作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，應(yīng)該不斷的提升相關(guān)理論知識(shí)儲(chǔ)備，在實(shí)踐中不斷進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，對(duì)PKPM軟件能夠合理的使用，從而讓PKPM軟件的應(yīng)用更具效率，讓建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加合理。

[1]林億.PKPM軟件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析[J].中華民居（下旬刊），2014（09）：139.

[2]李冉.PKPM軟件在砌體結(jié)構(gòu)中鑒定加固處理應(yīng)用的研究[D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2013.

[3]張玲.淺談PKPM軟件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾點(diǎn)問(wèn)題[J].科技風(fēng)，2010（14）：205.

TU201.4

A

1673-1093（2015）08-0067-03

李復(fù)炫（1976），男，甘肅省白銀市人，工程師，碩士研究生。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.08.017

2015-03-24；

2015-04-02