李復炫

（蘭州煤礦設計研究院，蘭州 730000）

應用PKPM進行建筑結構設計優(yōu)化分析

李復炫

（蘭州煤礦設計研究院，蘭州 730000）

PKPM，是目前我國建筑結構設計中使用量最大的軟件之一，其具備了操作簡單、適用領域?qū)?、界面清晰整潔等特點，被廣大建筑設計工作者所喜愛。如今，PKPM軟件已經(jīng)在我國建筑結構設計的領域得到了廣泛的應用，為整個建筑事業(yè)的發(fā)展作出了極大貢獻。本文對PKPM下各種應用軟件對建筑結構設計的優(yōu)化作用進行了系統(tǒng)的分析，并提出了應用過程中應該注意的幾個重要問題。

PKPM軟件；建筑結構設計；優(yōu)化

0 引言

PKPM，是我國建筑科學研究院所研發(fā)的針對于建筑結構設計的軟件，其內(nèi)容主要包含建筑、結構（特種結構）、概預算、設備。而關于PKPM下的應用程序，則主要包含了SATWE、TAT、PMCAD、JCCAD、PK等。PKPM軟件不僅功能強大、自動化程度較高，同時其應用的范圍也極為全面，是目前各種建筑設計軟件當中最具權威的軟件，逐漸地成為建筑結構設計人員不可或缺的必備工具之一。

1 PKPM下各種應用軟件對于建筑結構設計的應用及優(yōu)化作用

1.1 SATWE程序

SATWE程序，其是為了適應現(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構有限元分析軟件。“解決樓板與剪力墻的模型化問題；使高層建筑與多層建筑結構的簡化分析模型更加合理；讓模型化的誤差盡量減??；將結構的真實受力狀態(tài)更好地反映出來”即是SATWE程序工作中的核心內(nèi)容。SATWE程序的應用所采用的是空間桿單元的模擬柱（梁）等桿件，應用于在殼元基礎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、剪力墻結構、框架與剪力墻、砼混合結構與高層鋼結構或鋼的應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中的一些特殊結構形式，如樓板局部開大洞、轉(zhuǎn)換層、多塔、錯層等。而對于建筑結構在風、恒、活與地震作用下的動力時程分析、內(nèi)力分析以及荷載效應組合的計算而言，通過SATWE程序的應用必然將良好的完成，而同時也能良好的完成活荷不利布置計算。在進行分析時，SATWE程序是將建筑結構的上部與地下室看做成一個整體，不僅能夠有效地對鋼結構進行截面驗算，也能夠?qū)︿摻铐沤Y構進行截面配筋計算。

1.2 TAT程序

作為一個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算柱（梁）等桿件。針對于剪力墻的計算，則是通過薄壁柱原理來實現(xiàn)。TAT程序可以用于框架與剪力墻、剪力墻結構的計算、高層建筑與多層建筑的框架計算，平面與立面體型是TAT程序最適用的結構形式。TAT程序能夠有效地完成建筑結構在風、恒、活的內(nèi)力計算以及地震作用下的地震作用計算。同時，TAT程序還能夠有效地完成荷載效應組合，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對鋼結構強度是否穩(wěn)定的驗算、對鋼筋混凝土結構的截面配筋計算以及多層或高層建筑的鋼（鋼結構）與混凝土混合結構的計算[2]。從總體來看，TAT程序充分的考慮到了建筑結構中的斜柱、斜支撐以及水平支撐等問題，其尤其善于對高層建筑中特種結構（如錯層、多塔等）的處理，具體來說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。而針對于多塔、錯層信息的判斷與處理而言，TAT程序能夠根據(jù)實際的建筑模型來自動的生成。

1.3 PMCAD程序

作為PKPM結構設計軟件當中最為基礎的程序，PMCAD程序所采用的是人機交互的方式。通過對設計人員的引導，來逐層的布置各層樓面與平面，然后再通過層高的輸入建立起一套能夠?qū)ㄖ镎w結構進行充分描述的數(shù)據(jù)。其實，PMCAD程序的運行過程即是為結構計算而建立起模型的過程。PMCAD程序具有超強的傳導計算功能與荷載統(tǒng)計功能，不僅能夠?qū)Y構的自重進行精密的計算，同時也能夠自動的完成“從樓板到次梁→從次梁到主梁→從主梁到承重柱墻→從上部結構到基礎”整個過程的精密計算，而由于局部區(qū)域往往會存在外加荷載，因此可以為整棟建筑建立起荷載數(shù)據(jù)。而通過建立整棟建筑的荷載數(shù)據(jù)之后，PMCAD程序的應用即能夠有效的為PKPM各個功能設計程序有效的數(shù)據(jù)接口。

1.4 JCCAD程序

JCCAD程序的應用能夠有效地完成墻下條形基礎、墻下筏板、柱下獨立基礎、柱下平板、柱下獨立樁基承臺基礎、帶肋筏板、彈性地基梁、樁格梁基礎、樁筏基礎以及單樁的設計。與此同時，JCCAD程序的應用還能夠?qū)δ欠N由上述多種基礎所組合起來的大型混合基礎進行有效的設計，并且在處理的過程當中，一次處理的筏板塊數(shù)能夠達到10塊之多。而其也能夠?qū)痘?、條基以及獨基進行良好的處理，筏板基礎的梁肋不僅可以朝下，也能夠朝上。另外，通過JCCAD程序的應用能夠有效的讀取上部結構當中首層的異形樁，比如鋼管混凝土柱等，在基礎平面圖與交互輸入中將建筑結構的設計繪制而出。另外，JCCAD具有極強的繪圖功能與交互功能，其能夠通過基礎交互輸入菜單即可對各種類型、各種形狀的基礎進行方便的布置，讓各種計算的參數(shù)得以確定，并將這些確定出的參數(shù)應用于之后的計算分析之中。通過JCCAD程序的應用，不僅能良好的完成設計，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)主要工程量的統(tǒng)計，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、結構、設備為一體的集成化軟件。就目前的情況來看，其在我國建筑結構設計的領域中得到了廣泛的應用，深為廣大建筑結構設計人員所熟悉。尤其是在對連續(xù)梁、排架以及框架進行計算與繪圖時，PK程序的應用顯然是最佳的手段。通過繪圖補充數(shù)據(jù)文件與相關結構計算的數(shù)據(jù)文件的準備，PK程序通過3步操作即可有效地完成計算與繪圖。

2 PKPM軟件在建筑結構設計中應注意的問題

2.1 地震作用

一是針對于剛度與質(zhì)量的分布存在著嚴重不對稱的結構而言，應該將其計入到雙向水平地震作用之下的扭轉(zhuǎn)影響之中。通過計算得知，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、中柱的配筋都會出現(xiàn)明顯的增大。采用雙偏壓計算、柱按單偏壓計算以及雙向地震力的方法來對兩者進行比較，可以看出在雙向水平地震作用之下，不規(guī)則框架計算柱的鋼筋比規(guī)則框架的計算柱的鋼筋變化更大。所以，如果同時勾選了柱雙向配筋與雙向地震力的時候，我們需要足夠的謹慎；二是耦聯(lián)選項。結構的質(zhì)量與剛度分布無論是對稱還是不對稱，都應該得到一定程度的采用；三是建筑結構的阻尼比。一般情況下，鋼筋混凝土結構僅取0.05。對于超過了12層的鋼結構，應該取0.02。而針對于沒有超過12層的鋼結構而言，應該取0.035。混合結構則應該取0.03[3]；四是對單向的地震力的計算而言，應該對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)，因考慮實際的施工過程而出現(xiàn)的偶然偏心占據(jù)了5%的比例。而通過精密的計算得知，如果在計算的過程中考慮到了偶然偏心，那么構件的內(nèi)力得到5%至10%的增大，同時也會讓構件的位移出現(xiàn)明顯的增大，將增大18%左右。但是，針對于不規(guī)則的結構而言，應該對雙向地震作用進行充分的應用，并且在整個實施過程中避免與偶然偏心同時作用，這兩者只能選其一。那么，在實際的建筑結構設計中，建議采用如下的選用方法：針對于≤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。針對于一般的高層建筑而言，則可選用偶然偏心與耦聯(lián)相結合的方法。而針對于不規(guī)則高層建筑來說，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，應該充分的考慮到雙向地震作用。

2.2 關于梁端負彎矩調(diào)幅系數(shù)

鋼筋混凝土框架梁的設計只有在豎向荷載的作用下才應該考慮混凝土的塑性變形中內(nèi)力重分布，從而對支座負彎矩進行適當?shù)臏p小。并且，通過支架鋼筋用量的減小，來有效的讓施工框架梁端支座負彎矩得到一定的調(diào)幅。而程序自動則將按照平衡條件對梁跨中彎矩進行相應的增加，但是支座負彎矩的調(diào)幅不應該過大，一般情況下，梁端負彎矩的調(diào)幅系數(shù)都應該在0.8~1.0的范圍內(nèi)選取，始終都應該控制在彈性理論計算彎矩的20%之內(nèi)。一旦調(diào)幅系數(shù)的取值比較低時，相應的設計者就必須進入施工圖菜單中對其進行嚴格的核查，根據(jù)計算的結果來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，就應該及時地對梁端負彎矩的調(diào)幅系數(shù)進行重新的選取，通過重新的調(diào)整來滿足正確的裂縫寬度要求。

2.3 某些參數(shù)的確定

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

例1：我們將某一棟單層工業(yè)廠房作過實例來進行計算與探討：如果建筑的層高為4.8 m，而柱截面則為600 mm×600 mm，那么其底層柱的計算長度就應該取至基頂，TAT-8計算自振周期為Tx1=0.6 891 s，Tx2=0.6 913 s，而底層柱的計算長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：如果設定實例廠房為兩層的話，那么在相同層高與相同柱截面，底層柱的計算長度同樣取至基頂-1.5 m的前提下，TAT-8計算自振周期則為Tx1=0.8 942 s、Tx2=0.9 318 s，而同樣在底層柱計算長度取-0.8 m時，其自振周期為Tx1=0.7 896 s、Tx2=0.8 227 s。

顯然，從上述的計算數(shù)據(jù)來看，在地坪彈性嵌固的作用之下，加之底層柱的計算長度具有差異性，因此結構的自振周期必然將偏大，而這樣的自振周期也將直接導致計算的結果偏于“不安全”。因此，在實際的建筑結構設計過程中，必須通過對結構自振周期的適當折減，其計算的結果才會具備一定的安全性。

3 結語

PKPM結構設計軟件問世以來，通過人們對其的不斷改進，其不僅功能越來越強大，而且自動化的程度也在不斷的提升。但是，任何事物都不可能是萬能的，如果不能夠處理好如上述所說的地震作用問題與關于梁端負彎矩調(diào)幅系數(shù)的問題，那么PKPM軟件的功效必然將無法得到充分的展現(xiàn)。因此，作為建筑結構設計人員，應該不斷的提升相關理論知識儲備，在實踐中不斷進行經(jīng)驗的總結，對PKPM軟件能夠合理的使用，從而讓PKPM軟件的應用更具效率，讓建筑結構的設計更加合理。

[1]林億.PKPM軟件在結構設計中的應用分析[J].中華民居（下旬刊），2014（09）：139.

[2]李冉.PKPM軟件在砌體結構中鑒定加固處理應用的研究[D].邯鄲：河北工程大學，2013.

[3]張玲.淺談PKPM軟件在結構設計中的幾點問題[J].科技風，2010（14）：205.

TU201.4

A

1673-1093（2015）08-0067-03

李復炫（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