【摘要】本文針對(duì)在工程設(shè)計(jì)過程中PKPM軟件所出現(xiàn)的、結(jié)合自己對(duì)PKPM系列建筑結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)軟件的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，提出在應(yīng)用PKPM軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)注意的問題。
【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（PKPM）；抗震設(shè)計(jì)；概念設(shè)計(jì)
隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展和建筑結(jié)構(gòu)分析理論的日臻完善，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（PKPM）系統(tǒng)在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。尤其是近年來高層建筑結(jié)構(gòu)分析理論的逐步成熟，極大地推動(dòng)了我國高層建筑的發(fā)展。
結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)用最多的就是平面框排架計(jì)算與繪圖軟件（PK），它既是獨(dú)立的計(jì)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(jié)構(gòu)工程師非常熟悉的。結(jié)構(gòu)平面輔助設(shè)計(jì)軟件PMCAD、框排架計(jì)算及施工圖繪制軟件PK、高層空間分析軟件TAT、SATW和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件JCCAD等可組成一個(gè)高效的結(jié)構(gòu)分析、計(jì)算及繪圖系統(tǒng)。結(jié)合自己的工作實(shí)際，簡(jiǎn)要介紹在使用這些結(jié)構(gòu)軟件的過程中容易出現(xiàn)的問題及設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。
一、使用PKPM軟件在設(shè)計(jì)中容易出現(xiàn)的問題
在工程設(shè)計(jì)以及與其它設(shè)計(jì)人員交流的過程中發(fā)現(xiàn)：盡管采用了PKPM進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，但許多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員并未接受過系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)，雖然初步掌握了一些建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的使用，但是缺乏對(duì)整體結(jié)構(gòu)概念的認(rèn)識(shí)，過分相信計(jì)算機(jī)分析結(jié)果而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型與實(shí)際建筑物的較大差別；或者由于對(duì)軟件技術(shù)條件認(rèn)識(shí)不清而導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果，以至于在結(jié)構(gòu)施工圖中出現(xiàn)了許多概念性的錯(cuò)誤和計(jì)算錯(cuò)誤，有些錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。為此，結(jié)合近幾年來在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的類似問題，對(duì)PKPM軟件的應(yīng)用作一些簡(jiǎn)單的分析，以提高應(yīng)用PKPM軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確可靠性。
1.超越規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)存在安全隱患
超規(guī)范設(shè)計(jì)問題對(duì)中小設(shè)計(jì)院來說是禁而未絕的問題。雖然建設(shè)主管部門三令五申的強(qiáng)調(diào)，但是由于缺乏有效的管理手段和約束機(jī)制，有的地方設(shè)計(jì)審查流于形式，或?qū)υO(shè)計(jì)圖紙的審查只限于對(duì)建筑造型的審查，使得一些超規(guī)范設(shè)計(jì)變成了聳立于城市街頭的建筑物。當(dāng)然，超規(guī)范設(shè)計(jì)有設(shè)計(jì)單位主觀上的原因，也有的是客觀上造成的。超規(guī)范設(shè)計(jì)的問題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）磚混結(jié)構(gòu)層數(shù)和高度超規(guī)范問題。在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱“抗規(guī)”）中，多層砌體房屋由高度和層數(shù)兩個(gè)指標(biāo)控制，一般認(rèn)為，超過了其中的一個(gè)控制指標(biāo)即是超規(guī)范設(shè)計(jì)。近年來，一些抗震設(shè)防地區(qū)所建磚混建筑物相繼出現(xiàn)八層帶半地下室磚混住宅。嚴(yán)格地講，按“抗規(guī)”的規(guī)定，帶半地下室住宅房屋的高度和層數(shù)應(yīng)從地下室地面算起，也就是說，八層帶半地下室建筑的實(shí)際層數(shù)應(yīng)為九層。
（2）底層框架磚房超規(guī)范設(shè)計(jì)問題。底層框架磚房除存在上述高度和層數(shù)超規(guī)范問題以外，還存在底層框架本身的設(shè)計(jì)超規(guī)范問題。“抗規(guī)”所謂的底層框架是指底層為框架-抗震墻承重的結(jié)構(gòu)，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(qū)可采用嵌砌于框架之間的磚墻。根據(jù)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(jié)構(gòu)，而且在抗震區(qū)總層數(shù)達(dá)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(xiàn)，并且在實(shí)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(jié)構(gòu)形式大都出現(xiàn)在臨街的住宅設(shè)計(jì)中，尤其近年來在房地產(chǎn)開發(fā)商所建的商品房中居多，這種結(jié)構(gòu)形式的建筑在地震中的表現(xiàn)是非常脆弱的。所以，一旦有地震發(fā)生，其后果將十分嚴(yán)重。
（3）舊房改造設(shè)計(jì)中的超規(guī)范問題。某些過去設(shè)計(jì)建造的房屋在建設(shè)當(dāng)時(shí)該地區(qū)的抗震設(shè)防烈度低于現(xiàn)行的設(shè)防烈度，或由于建筑時(shí)的材料所限，其抗震能力較差，已屬于抗震加固對(duì)象，而某些設(shè)計(jì)單位未進(jìn)行加固設(shè)計(jì)而進(jìn)行了加層設(shè)計(jì)，有的加層設(shè)計(jì)還超過現(xiàn)行規(guī)范要求。在加層施工中原結(jié)構(gòu)有不同程度的破壞，加層設(shè)計(jì)對(duì)該建筑的抗震性能來說無疑是雪上加霜。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致超規(guī)范設(shè)計(jì)的主要原因有如下幾方面：一是某些設(shè)計(jì)人員遵循規(guī)范的意識(shí)淡薄，對(duì)規(guī)范規(guī)定模糊不清、學(xué)習(xí)不夠，甚至有些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員從來沒有考慮過規(guī)范的要求。二是建筑設(shè)計(jì)的人員結(jié)構(gòu)概念模糊，從建筑設(shè)計(jì)方案階段造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是超規(guī)范的，而又片面地強(qiáng)調(diào)所謂的建筑形式等要求，使結(jié)構(gòu)難以滿足規(guī)范要求。三是某些建設(shè)單位由于從投資的限制、土地利用率等方面出發(fā)而提出不滿足規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)形式，而設(shè)計(jì)部門為得到工程的設(shè)計(jì)任務(wù)故意違反規(guī)范規(guī)定，有的設(shè)計(jì)單位領(lǐng)導(dǎo)為了眼前的利益，迫使設(shè)計(jì)人員進(jìn)行超規(guī)范設(shè)計(jì)；四是設(shè)計(jì)審查部門遷就建設(shè)單位的意圖，使超規(guī)范設(shè)計(jì)在某些地方合法化甚至成為不成文的地方標(biāo)準(zhǔn)和習(xí)慣作法。筆者認(rèn)為，設(shè)計(jì)規(guī)范作為國家制定的規(guī)程是指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)的綱領(lǐng)，作為建筑設(shè)計(jì)工作者，在任何時(shí)候都不應(yīng)當(dāng)違反。
2.過分依賴計(jì)算機(jī)分析結(jié)果，忽視抗震概念和構(gòu)造設(shè)計(jì)
在實(shí)際工程中，不同程度地存在著忽視抗震概念設(shè)計(jì)和構(gòu)造設(shè)計(jì)的問題。例如：某6度抗震區(qū)建筑，設(shè)計(jì)為六層帶半地下室磚混住宅，上部結(jié)構(gòu)布置均勻規(guī)整，但是上部作為主要承重和抗震墻體的內(nèi)縱墻卻沒有基礎(chǔ)，而是坐落于地下室的內(nèi)橫墻上，也就是說，上部六層墻體的線荷載，變?yōu)榧泻奢d傳于地下室橫墻上，這種結(jié)構(gòu)的傳力路線是最為不利的。再如：某六層磚混結(jié)構(gòu)商品樓，下部三層為商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)，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(gè)進(jìn)深的單間門市部，開間為3米～3.9米，實(shí)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(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)的。雖然其層數(shù)及高度均不超規(guī)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(shè)計(jì)包括三部分，即概念設(shè)計(jì)、構(gòu)造設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)計(jì)算。大家都知道，地震是一種復(fù)雜的現(xiàn)象，我們對(duì)建筑物的地震破壞機(jī)理還不十分清楚，對(duì)地震的破壞現(xiàn)象也只是停留在感性認(rèn)識(shí)階段，建筑物抗震計(jì)算的原理只是一種近似。所以，我們?cè)谶M(jìn)行建筑物抗震設(shè)計(jì)時(shí)，一定要遵循“抗規(guī)”提出的抗震設(shè)計(jì)原則和抗震設(shè)計(jì)構(gòu)造要求，正確應(yīng)用PKPM軟件，提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量。例如底層框架結(jié)構(gòu)上部的磚房的構(gòu)造措施比多層磚房的構(gòu)造措施要嚴(yán)格一些，要求構(gòu)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(shè)計(jì)，也不能單憑計(jì)算結(jié)果來判斷結(jié)構(gòu)的可靠性，象上述的兩個(gè)例子，結(jié)構(gòu)的靜力計(jì)算是沒有問題的，而縱向抗震能力明顯不足。
3.對(duì)軟件技術(shù)條件不清楚，導(dǎo)致計(jì)算和繪圖結(jié)果錯(cuò)誤
每一種計(jì)算理論都有它的假定條件，每一個(gè)軟件的編制都符合特定的技術(shù)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(shù)條件，便不能很好地利用軟件來解決實(shí)際問題。一些對(duì)結(jié)構(gòu)概念不很清楚的設(shè)計(jì)人員可能會(huì)過分地相信計(jì)算機(jī)而出現(xiàn)嚴(yán)重的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。例如某六層磚混結(jié)構(gòu)，其中第六層為大空間會(huì)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(nèi)的平衡長(zhǎng)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(shè)計(jì)者認(rèn)為：挑梁的計(jì)算數(shù)據(jù)是由PMCAD軟件生成的，其配筋是經(jīng)過PK軟件計(jì)算的，計(jì)算結(jié)果沒有問題。其實(shí)，由于設(shè)計(jì)者對(duì)軟件技術(shù)條件不明，在操作時(shí)有荷載漏項(xiàng)，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤。
二、使用PKPM軟件在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的
1.結(jié)構(gòu)平面輔助設(shè)計(jì)軟件PMCAD的應(yīng)用
MCAD是PKPM系列軟件的核心模塊，是建筑與結(jié)構(gòu)連接的接口軟件，也是結(jié)構(gòu)平面設(shè)計(jì)軟件，在這個(gè)模塊中建立的結(jié)構(gòu)模型應(yīng)力求準(zhǔn)確，能夠反應(yīng)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。
（1）交互式結(jié)構(gòu)模型的建立。結(jié)構(gòu)模型中所有的構(gòu)件均在此項(xiàng)操作中輸入，應(yīng)當(dāng)注意的是：凡是結(jié)構(gòu)布置形式及構(gòu)件尺寸和荷載不同的結(jié)構(gòu)層均應(yīng)描述為不同的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層，對(duì)于上下層柱變截面情況用構(gòu)件相對(duì)于節(jié)點(diǎn)的偏心描述，注意在節(jié)點(diǎn)過密的時(shí)候墻體及梁布置的連續(xù)性。在布置過兩個(gè)或更多的標(biāo)準(zhǔn)層后，不能使用圖案編輯菜單對(duì)某一層或某一部分拖動(dòng)或平移，因?yàn)樗械墓?jié)點(diǎn)位置都是用相對(duì)于原點(diǎn)的位置描述的，拖動(dòng)或平移會(huì)造成上下層節(jié)點(diǎn)錯(cuò)位。全樓的組裝必須是自下而上的標(biāo)準(zhǔn)層組裝，不能把后一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層組裝于前一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層之前。填充墻不能作為墻體輸入。在此輸入的荷載值應(yīng)是荷載標(biāo)準(zhǔn)值，不是設(shè)計(jì)值。
（2）PK文件的生成。對(duì)于磚混結(jié)構(gòu)，按連梁生成的墻梁的PK文件，在沒有進(jìn)行磚混抗震驗(yàn)算時(shí)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(huì)引起框架上地震荷載的漏項(xiàng)，而用PK所畫的梁施工圖其節(jié)點(diǎn)構(gòu)造不滿足“抗規(guī)”要求。在此項(xiàng)操作中生成的連梁PK文件應(yīng)打開修改支座情況，主要是依據(jù)實(shí)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(yīng)打開修改梁慣性矩增大系數(shù)和梁端彎矩調(diào)幅系數(shù)，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(yīng)用
PK是PKPM系列軟件的重要組成部分，不但可以單獨(dú)使用，而且還可以和SATWE、TAT等模塊聯(lián)合使用。
（1）框架繪圖。有時(shí)計(jì)算結(jié)果顯示梁柱超筋時(shí)，往往能夠通過繪圖，但是要注意此時(shí)的繪圖結(jié)果有時(shí)是錯(cuò)誤的，其顯示的配筋情況可能比計(jì)算小得多，必須修改計(jì)算數(shù)據(jù)文件后，梁柱計(jì)算都不超筋時(shí)其繪圖結(jié)果才是可信的。另外，在修改鋼筋操作中對(duì)梁鋼筋進(jìn)行了通長(zhǎng)修改后，一定要對(duì)所形成的施工圖進(jìn)行檢查，使顯示結(jié)果與繪圖結(jié)果一致。
（2）注意審查每一個(gè)柱的軸壓比信息。PK軟件對(duì)柱的超筋控制是以最大配筋率來控制的，有時(shí)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(dú)立基礎(chǔ)及條形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件JCCAD的應(yīng)用
（1）對(duì)磚混結(jié)構(gòu)而言，一般應(yīng)在荷載組合中加入經(jīng)PMCAD軟件進(jìn)行磚混抗震計(jì)算后的荷載。
（2）對(duì)框架結(jié)構(gòu)而言，一般應(yīng)計(jì)入經(jīng)PK軟件計(jì)算的PK荷載，并在PK荷載中計(jì)入地震荷載組合，并經(jīng)縱橫兩個(gè)方向的驗(yàn)算后確定基礎(chǔ)選用的合理值，或計(jì)入經(jīng)TAT、SATWE計(jì)算的荷載組合。若只經(jīng)PM恒、活荷載計(jì)算，則結(jié)果在地震區(qū)會(huì)明顯偏小。
（3）對(duì)彈性地基梁及筏板基礎(chǔ)的計(jì)算還應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：①應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探情況利用軟件對(duì)地基進(jìn)行驗(yàn)算；②應(yīng)根據(jù)地基及設(shè)計(jì)情況不同選用適當(dāng)?shù)牡鼗鶆偠认禂?shù)；③根據(jù)上部結(jié)構(gòu)及場(chǎng)地情況，選取適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)形式和計(jì)算方法；④經(jīng)過反復(fù)地試算，最后確定較為合適的梁截面和翼緣寬度。一般認(rèn)為，如果我們確定了一種梁截面或翼緣厚度時(shí)，加大或減小其截面尺寸都會(huì)引起配筋量的增加，那就說明我們選定的這個(gè)截面是較為合適的；⑤根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算模型的建立、必要的簡(jiǎn)化計(jì)算預(yù)處理，應(yīng)符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況；所以，在框架結(jié)構(gòu)計(jì)算中應(yīng)考慮樓梯構(gòu)件的影響。考慮到樓梯的梯板等具有斜撐的受力狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體剛度有較明顯的影響。PKPM08版給出了計(jì)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?qū)φ廴�、四跑樓梯。程序可自�?dòng)將樓梯轉(zhuǎn)化為折梁，此后接力SATWE等的結(jié)構(gòu)計(jì)算即包含了樓梯構(gòu)件的影響，使結(jié)構(gòu)計(jì)算更符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況。
三、結(jié)束語
在工程設(shè)計(jì)時(shí)，即從模型簡(jiǎn)化、荷載匯總、結(jié)構(gòu)計(jì)算到施工圖繪制的全過程中，我們應(yīng)認(rèn)真的考慮設(shè)計(jì)的每一環(huán)節(jié)，不僅保證計(jì)算模型的簡(jiǎn)化與工程實(shí)際相吻合，使計(jì)算假定與實(shí)際情況相一致，而且應(yīng)注意設(shè)計(jì)軟件的適用條件及其技術(shù)條件，正確的使用CAD軟件，保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確；更要加強(qiáng)規(guī)范的，加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)滿足各項(xiàng)構(gòu)造措施的要求，使建筑結(jié)構(gòu)能夠承受可能出現(xiàn)的各種作用，保證結(jié)構(gòu)具有良好的工作性能和耐久性能。
