郭培成

(廈門大學嘉庚學院, 福建漳州363105)

PKPM電算軟件的教學研究

郭培成

(廈門大學嘉庚學院, 福建漳州363105)

文章對PKPM電算軟件的教學方法作了探討。通過對PKPM電算軟件的講解,使學生掌握如何應(yīng)用；結(jié)合課堂上對不同的結(jié)構(gòu)案例進行分析計算，加強學生對本課程的理解。另外，逐步引導(dǎo)學生積極查閱規(guī)范，對設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題進行分析，從而培養(yǎng)解決問題的能力和思維。

PKPM電算軟件； 參數(shù)； 結(jié)構(gòu)； 設(shè)計

20世紀90年代中后期，隨著國民經(jīng)濟的綜合提高，城市人口的急劇增加，住房需求越來越大，因此房地產(chǎn)行業(yè)發(fā)展也加快了腳步,結(jié)構(gòu)工程師和建筑工程師依靠單純的手繪圖紙或平面計算軟件處理分析建筑結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足發(fā)展的需求。因此計算機輔助設(shè)計開始應(yīng)用建筑業(yè)中，給工程師們帶來了巨大的便利，尤其PKPM系列軟件的出現(xiàn)，給結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計帶來了革命性的改變。2000年后，為了與社會接軌，大部分高校也陸續(xù)開設(shè)了相關(guān)課程《PKPM電算軟件》。該課程是土木工程專業(yè)本科生的一門專業(yè)課，具有實踐性、綜合性的特點，一般在四年級上學期開設(shè)，目的在于培養(yǎng)學生綜合應(yīng)用所學的知識解決實際專業(yè)問題的實踐能力。

1 PKPM軟件介紹

PKPM是一個系列，除了建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備(給排水、采暖、通風空調(diào)、電氣)設(shè)計于一體的集成化CAD系統(tǒng)以外，目前PKPM還有建筑概預(yù)算系列、施工系列軟件等[1]。本文主要針對結(jié)構(gòu)部分進行應(yīng)用和教學研究。PKPM在教學過程中，主要分為三部分講解。第一，如何將建筑圖紙反映在結(jié)構(gòu)模型中；第二，各個結(jié)構(gòu)參數(shù)如何定義和選擇；第三，查看計算結(jié)果，針對結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的問題進行處理和修改。圖1所示是兩個結(jié)構(gòu)設(shè)計的菜單板塊，里面涉及到較多的專業(yè)概念，這也是學生們比較難理解和接受的環(huán)節(jié)。

2 教學過程中發(fā)現(xiàn)的問題

圖1 PKPM結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置信息

學生們在進行PKPM設(shè)計之前，要求看懂建筑施工圖，并且能夠想到結(jié)構(gòu)構(gòu)件如何布置，以及構(gòu)件的初步尺寸應(yīng)該怎么選擇。這方面內(nèi)容需要結(jié)合專業(yè)課程或規(guī)范去理解。如框架梁截面高度可按計算跨度的1/10～1/18初定，梁凈跨與截面高度之比不宜小于4，梁的截面寬度不宜小于梁截面高度的1/4，也不宜小于200 mm；框架柱矩形截面柱的邊長，抗震設(shè)計時，四級不宜小于300 mm，一、二、三級時不宜小于400 mm；剪力墻結(jié)構(gòu)一、二級剪力墻，底部加強部位不應(yīng)小于200 mm，其他部位不應(yīng)小于160 mm；一字形獨立剪力墻底部加強部位不應(yīng)小于220 mm，其他部位不應(yīng)小于180 mm；三、四級剪力墻，不應(yīng)小于160 mm，一字形獨立剪力墻的底部加強部位尚不應(yīng)小于180 mm[2-3]。這方面內(nèi)容在相關(guān)課程中接觸過，但是學生在正真應(yīng)用過程中就無從下手，不知道如何選擇截面尺寸，往往選擇有時很大，有時又很小，缺少專業(yè)概念的理解和合理的判斷，這就造成學習過程中比較吃力。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件重要環(huán)節(jié)不是操作，而是對專業(yè)知識的概念要掌握清楚。

3 如何讓學生理解軟件中的參數(shù)

下面通過PKPM中的各個菜單結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范進行講解，讓學生在定義該參數(shù)時，加深對專業(yè)知識的理解，同時在講解過程中也會解釋原因及如何查閱相應(yīng)規(guī)范或規(guī)程，以便學生自己課后復(fù)習。該部分涉及的參數(shù)較多，為了更好地加強理解，應(yīng)對相關(guān)專業(yè)課程再次復(fù)習。

3.1 坐標與水平力作用方向的夾角信息

因為在設(shè)計結(jié)構(gòu)參考坐標系建立以后，該結(jié)構(gòu)的主軸確定，求得的地震力、風力是沿著坐標軸方向作用的。若作用方向的角度與主軸的夾角小于15°按軟件默認0°考慮；若大于15°，需要將該角度輸入到該菜單，重新計算內(nèi)力。這方面專業(yè)內(nèi)容在建筑抗震設(shè)計規(guī)范和高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程里面都有闡述。

3.2 混凝土重度

一般框架結(jié)構(gòu)該參數(shù)為25.5 kN/m3，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)為26 kN/m3，剪力墻結(jié)構(gòu)為26.5～27 kN/m3，原因是混凝土重度一般為25 kN/m3左右。但在設(shè)計過程中，各個受力構(gòu)件周邊都有抹灰；另外建筑物設(shè)計越高，混凝土等級越高，密實度越高，重度相應(yīng)越大。通常剪力墻設(shè)計高度大于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)一般最低。

3.3 恒活荷載計算信息

本信息欄主要是如何正確選擇一次加載、施工模擬荷載(1、2、3)。一次加載是將豎向恒載一次加上；施工模擬荷載1主要考慮的是分層加荷、逐層找平等因素的影響；而施工模擬荷載2是將豎向構(gòu)件(柱、墻)的剛度放大10倍后再做施工模擬荷載。因此，選擇一次加載計算會帶來軸向變形較大的計算誤差。選擇施工模擬荷載1、2、3時計算出傳給基礎(chǔ)的力較為均勻合理，可以避免墻軸力遠大于柱軸力的不合理情形。一般框架結(jié)構(gòu)選擇施工模擬荷載1，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)選擇施工模擬荷載2，剪力墻結(jié)構(gòu)選擇施工模擬荷載3。

3.4 對所有樓層強制采用剛性樓板假定

一般在設(shè)計中，進行結(jié)構(gòu)自振周期或振型、位移比、位移角計算需要考慮剛性樓板假定；而進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件及整體(如軸壓比、梁柱墻配筋、穩(wěn)定性、整齊抗傾覆驗算、側(cè)向剛度、樓層受剪承載力等)方面不需要考慮剛性樓板假定。

3.5 結(jié)構(gòu)規(guī)則性判斷

結(jié)構(gòu)不規(guī)則包括平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則。平面不規(guī)則主要有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)；豎向不規(guī)則主要有側(cè)向剛度不規(guī)則、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)、樓層受剪承載力突變。具體判斷標準詳見規(guī)范[2-3]。

3.6 設(shè)計地震分組、場地類別、地震設(shè)防烈度、抗震等級

設(shè)計地震分組和地震設(shè)防烈度可以查閱規(guī)范[3]，場地類別由地質(zhì)勘查資料決定，一般分為四類；抗震等級由設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)高度、結(jié)構(gòu)體系、建筑物設(shè)防標準等決定，可查閱規(guī)范[2-3]。

3.7 偶然偏心和雙向地震

一般計算單向地震作用時應(yīng)考慮偶然偏心的影響，不需要考慮雙向地震；當質(zhì)量與剛度分布明顯不對稱的結(jié)構(gòu)(如位移比大于1.4，復(fù)雜高層建筑、水平豎向多項指標不滿足要求)，應(yīng)計算雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響，此時不需要考慮偶然偏心。兩個參數(shù)都屬于不利狀態(tài)，不需要同時考慮，這樣會導(dǎo)致過多的保守設(shè)計，給工程造價帶來不利。

3.8 振型個數(shù)和周期折減

振型個數(shù)選擇一般不少于9個(一般為3的整數(shù)倍)，同時不宜小于樓層數(shù)，同時滿足有效質(zhì)量參與系數(shù)大于90 %。如24層結(jié)構(gòu)，振型個數(shù)選24、27、30及以上等都可以，但考慮到計算速度，只要滿足有效質(zhì)量參與系數(shù)大于90 %即可。周期折減針對不同體系采取不同修正(框架折減系數(shù)0.6～0.7，框剪-剪力墻0.7～0.8，剪力墻0.8～1.0)，折減的主要原因是PKPM結(jié)構(gòu)模型僅能表示受力構(gòu)件，填充墻非受力構(gòu)件不能出現(xiàn)在模型中，但填充墻在實際工程中對結(jié)構(gòu)整體剛度有貢獻，這樣會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)實際剛度較模型中剛度變大，剛度大則周期小，所以需要對PKPM的計算周期進行折減，不折減會導(dǎo)致計算周期比實際周期變大，從而導(dǎo)致計算地震作用變小。

3.9 梁端負彎矩調(diào)幅系數(shù)

這部分內(nèi)容在《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》課教授過，這里面首先要明白何種梁的梁端(框架梁端還是非框架梁端)，其次為何進行負端調(diào)幅而不是跨中，最后在什么荷載作用下計算調(diào)幅等，弄清楚這些，再來處理參數(shù)如何設(shè)計就輕松多了。

3.10 剪重比

剪重比是反映地震作用大小的重要指標，它可以由“有效質(zhì)量系數(shù)”來控制，當“有效質(zhì)量系數(shù)”大于90 %時，可以認為地震作用滿足規(guī)范要求。此時，再考察結(jié)構(gòu)的剪重比是否合適，否則應(yīng)修改結(jié)構(gòu)布置、增加結(jié)構(gòu)剛度，使計算的剪重比能自然滿足規(guī)范要求。有效質(zhì)量系數(shù)與振型個數(shù)有關(guān)，如果有效質(zhì)量系數(shù)不滿足90 %，則可以通過增加振型數(shù)來滿足。具體公式詳見建筑抗震設(shè)計規(guī)范5.2.5，該指標是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要指標，通常建筑物的重力代表值越大，則地震剪力越大，因此該項指標不滿足代表剪力過小，不能真實的反應(yīng)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。

3.11 轉(zhuǎn)換層所在位置

建筑物某層的上部與下部因平面使用功能不同，該樓層上部與下部采用不同結(jié)構(gòu)類型，并通過該樓層進行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，則該樓層稱為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式可采用梁式、桁架式、空腹桁架式、箱形和板式轉(zhuǎn)換層。結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層可分為三類：(1)上層和下層結(jié)構(gòu)類型轉(zhuǎn)換。多用于剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，它將上部剪力墻轉(zhuǎn)換為下部的框架，以創(chuàng)造一個較大的內(nèi)部自由空間，該形式應(yīng)用比較多。(2)上、下層的柱網(wǎng)、軸線改變。轉(zhuǎn)換層上、下的結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有改變，但是通過轉(zhuǎn)換層使下層柱的柱距擴大，形成大柱網(wǎng)，該結(jié)構(gòu)很少使用，因為框架柱抗側(cè)剛度太小。(3)同時轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)軸線布置，柱網(wǎng)軸線與上部樓層的軸線錯開，形成上下結(jié)構(gòu)不對齊的布置。該形式上、下剛度差異太大，不利于抗震，不經(jīng)濟受力也不合理。

4 分析結(jié)果及處理結(jié)果信息中部分問題

通過幾個框架和剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑施工圖完成結(jié)構(gòu)設(shè) 計，針對出現(xiàn)的不同問題進行不同的講解和處理，下面針對設(shè)計中出現(xiàn)的問題逐個介紹。(1)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，框架梁縱筋配筋率過大如何解決，主要清楚配筋率過大由于荷載過大或截面過小所致，這樣學生大致明白方向從而進行改善；(2)框架梁受剪出現(xiàn)問題如何解決，它比受彎更復(fù)雜。在上課過程中有一個案列，如橫向三跨，依次為6m、3m、6m，中間3m跨出現(xiàn)受剪問題，通常學生會加大截面高度，但從概念出發(fā)首先應(yīng)加大梁寬，其次改變混凝土等級或標號，最后改變梁高，這樣學生就明白了，不會盲目加大梁高，有時反而要減小(如剪力墻結(jié)構(gòu)中連梁受剪超筋，往往因為連梁剛度太大，導(dǎo)致剪力分配較多，此時應(yīng)減小梁高更有效)；(3)在練習中還遇到框架梁受壓區(qū)高度過大不滿足規(guī)范規(guī)定值。此時講解了概念，學生明白了原因，應(yīng)該確定加大梁高度更有效，其它的方法效果不明顯；(4)在練習剪力墻一個案例時，某層最大位移比1.32，讓學生去查閱資料，從中發(fā)現(xiàn)原因是什么以及如何處理。此時不是盲目加大全層墻、梁截面，而是從短向外圍加大，弱化內(nèi)部，加強結(jié)構(gòu)外強內(nèi)弱，可以改善外部抗扭轉(zhuǎn)剛度，從而將位移比調(diào)整到了1.21，基本滿足工程需要。

5 結(jié)束語

第一，加強規(guī)范和專業(yè)相關(guān)課程的學習，加強概念理解，學會布置承重構(gòu)件的位置及大致的截面尺寸；第二，不要過分依賴計算程序，應(yīng)以力學概念為基礎(chǔ)，對結(jié)構(gòu)計算結(jié)果的合理性進行判斷；第三，對于結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的各種超筋、位移比、軸壓比、位移角等問題，從概念出發(fā)分析其原因，進行歸類集中處理；第四，結(jié)構(gòu)設(shè)計不是科學，目前還是門藝術(shù)，需要不斷去分析比較，從中找出解決問題的方法。

[1] 張宇鑫，劉海成，張星源. PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用[M]. 2版.上海： 同濟大學出版社，2010.

[2] 中華人民社共和國國家標準.JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].中國建筑工業(yè)出版社, 2011.

[3] 中華人民社共和國國家標準. GB 50011-2010(2016年版)建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].中國建筑工業(yè)出版社, 2016.

郭培成(1978～)，男，碩士研究生，講師, 從事土木工程專業(yè)教學。

TU311.41

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[定稿日期]2017-05-22