PKPM系列软件整体结构计算与人防地下室结构设计

摘要：随着国家对新建民用建筑必须设置可供战时使用的防空地下室政策的出台，人防地下室结构的设计工作逐渐成为建筑工程设计中的一项重要内容。本文从荷载输入、参数选择、程序不完善之处等方面，对人防地下室设计中使用PKPM系列软件整体结构计算时的常见问题与解决办法进行了探讨。

关键词：PKPM；人防地下室；结构设计 　　

1 引言 　　

1997年1月1日公布实施的《中华人民共和国人民防空法》中明确提出了“人民防空建设要贯彻平战结合、重点建设、长期准备的方针”，并规定了城市的新建民用建筑应该根据国家有关法规修建可以在战争时期使用的防空地下室。随着国家相关人防政策的出台，人防地下室结构的设计工作逐渐成为建筑工程设计中的一项重要内容。 　　
目前专门用于指导人防地下室设计的现行规范是2005年颁布的《人民防空地下室设计规范（GB50038-2005）》，该规范自2006年3月1日起实施。随着计算机技术的推广，工程设计中使用电算程序早已是业内的主流。目前在整体结构电算领域，市场占有率最大的就是PKPM系列软件。该软件面世已有20多年，其综合性能已比较成熟。更好地认识到这一软件在人防地下室结构设计时的特点，使之更好地为设计工作服务，是不少结构设计师较为关心的问题。 　　
为增加实用性和针对性，本文仅对人防地下室工程在使用PKPM系列软件整体结构计算中常遇到的问题系统讨论。 　　

2.综述 　　

2.1.《人防防空地下室设计规范（GB50038-2005）》在本文中简称为《人防规范》，下同。 　　
2.2.目前民用工程常见的防空地下室，多为核6级常6级的甲类人防地下室，本文就主要讨论此类人防地下室在使用PKPM系列软件（08版）中的情况。 　　
2.3.需要予以说明的是，当构件的内力计算由人防荷载控制时，关于《人防规范》第4.2.3条的 “材料强度综合调整系数”，PKPM软件已在程序中自动考虑。 　　
2.4.计算模块的变化：在2009年底以前的PKPM版本中，在SAT-8模块和SATWE模块中人防整体计算均可完成。但在2009年底之后，人防计算功能已完全转移到SATWE模块中（“SAT-8”计算模块已无人防计算功能），仅在过渡阶段暂时保留了一个“SAT-8 旧”计算模块（该模块还可进行人防计算）。 　　

3.人防各主要结构构件 　　

3.1.人防顶板的梁 　　
3.1.1.顶板人防荷载：顶板人防荷载的输入在“PMCAD荷载输入人防荷载”中，其中顶板基本人防荷载在其中的“/荷载设置-‘人防设置’对话框”中，“人防设计等级”选“6级（核）”，“顶板人防等效荷载”默认值为55kN/m2。要注意这个默认值仅是《人防规范》核6级顶板取值中的最小值，应按实际工程修改人防荷载基本值，并在“PMCAD荷载输入人防荷载荷载修改”中对与人防荷载基本值不同的房间要逐一输入。核6级常6级人防地下室顶板人防荷载取值由核爆动荷载控制，可按《人防规范》第4.8.2条、查表4.8.2选取。在使用表4.8.2时，设计人员要注意顶板等效静荷载是否符合“考虑上部建筑影响”的条件（该条件详见《人防规范》第4.4.4条）。在符合“考虑上部建筑影响”的条件时，才可以使用表4.8.2中括号内的数值。 　　
3.1.2.梁的纵筋配筋率：当构件的内力计算由人防荷载控制时，现在的PKPM软件已按《人防规范》第4.11.7条和第4.11.8条的规定自动考虑《人防规范》要求的最小配筋率和最大配筋率（用红色字体提示超筋）。由于人防等效静荷载的前提假定就是限制人防构件的允许延性比[β]，使人防构件在弹塑性状态下工作，按《人防规范》第4.10.3条，受弯构件的受拉钢筋配筋率大于1.5%时，需按公式4.10.3-1和公式4.10.3-2验算。但PKPM程序对纵筋配筋率大于1.5%的人防梁时，并没有加以验算或提示警告。梁纵筋配筋率可以在“SATWE4.分析结果图形和文本显示-‘SATWE后处理---图形文件输出’对话框图形文件输出2.混凝土构件配筋和钢构件验算”主菜单下的“[配筋率]”找到。点取这个按钮后，梁配筋图形的数据结果会切换显示为纵筋配筋率。梁纵筋配筋率大于1.5%时，必须补充手工验算。 　　
3.1.3.主筋直径的选用： 按《人防规范》第4.11.10条规定，连续梁和框架梁在距支座边缘1.5倍梁的截面高度范围内，箍筋间距不宜大于主筋直径的5倍。设计中梁支座处箍筋加密区的间距一般取100mm，故当纵筋直径小于20mm时，连续梁和框架梁不满足此条要求（仅单跨次梁不需满足此要求）。如果设计师是利用“墙梁柱施工图梁平法施工图”自动生成的T文件转化为DWG文件的，在“墙梁柱施工图梁平法施工图配筋参数-“参数修改”对话框选筋参数主筋选筋库”中，选用的主筋直径都不要小于20mm，就可有效避免这一问题的出现。至于单跨次梁，即使梁的计算配筋率较小，主筋直径为20mm也可适用，不必担心造成设计浪费。 　　
3.1.4. 主次梁相交处的吊筋配筋值：PKPM的“墙梁柱施工图梁平法施工图” 自动生成的T文件中有吊筋配筋值，但由于程序在计算吊筋时未计入人防荷载，所以输出结果严重偏小。笔者建过两个计算模型：“A模型”有人防荷载，“B模型”没有人防荷载，其它设计条件完全相同。经试算对比后发现，“B模型”比“A模型”的吊筋值大，说明PKPM程序计算的确存在问题，设计师切不可盲目使用此吊筋结果。正确的做法是补算人防工况吊筋：先利用剪力输出结果计算出主次梁交接处的主梁梁上集中荷载设计值，结合主梁的箍筋实用值计算人防工况下所需的吊筋大小与数量，并将此值与程序T文件提供的吊筋值比较，两者取大值。手算时要特别注意，在使用《混凝土结构设计规范》相关公式时，附加横向钢筋的抗拉强度设计值要换为钢筋的动力强度设计值。 　　

3.2.人防顶板的板 　　
人防顶板的板块布置与板上荷载值，均按前述（本文3.1.条目的“人防顶板的梁”）。人防顶板的板计算在“PMCAD3.画结构平面图”中。 　　
按《人防规范》第4.1.6条规定，对于结构裂缝开展，可不进行人防动荷载作用下的验算。在计算楼板裂缝宽度时，目前的PKPM软件错误地将人防荷载也考虑进去了，这样造成板的裂缝宽度计算结果非常之大。设计师必须另建一个计算模型-【模型2】，此模型是专门为了计算无人防情况下以顶板裂缝宽度为控制条件的板配筋。先复制【模型1】并改名为【模型2】，再删去所有的顶板人防荷载，这样【模型2】计算出来的板裂缝宽度才是有效的，并以裂缝控制为前提计算板配筋值（在“PMCAD3.画结构平面图计算参数-‘楼板配筋参数’对话框”勾选“是否根据裂缝挠度自动选筋”并在“允许裂缝宽度”输入0.2mm）。由于不同位置的荷载情况不同，所以【模型1】和【模型2】板配筋要注意逐一对位比较，取较大者。 　　

3.3.人防外墙 　　
人防外墙荷载的输入也在“PMCAD荷载输入人防荷载荷载设置‘人防设置’对话框”，其中“外墙人防等效荷载”默认值为0kN/m2 。当使用PKPM整体建模计算外墙时，按《人防规范》第4.7.3条和第4.8.3条并结合地质报告的土层分布情况，分别查表后取两者中的较大值输入PKPM。但是在“SATAW4.分析结果图形和文本显示”中，PKPM最终只能提供外墙双侧竖向配筋总量的值（该值是由单侧竖向配筋最大值乘以2得到的）。外墙作为单向水平受力构件，仅提供双侧竖向配筋总量是不能满足设计需求的，这样的配筋不符合构件受力情况，过于保守。 　　
需要特别注意的是，针对于顶板和外墙而言，“考虑上部建筑影响”的条件和理念是不同的：前者见《人防规范》第4.3.4条（常规武器）和第4.4.4条（核武器），考虑上部建筑影响时对顶板构件有利，顶板荷载取值小；后者见《人防规范》第4.4.7条，考虑上部建筑影响时对外墙构件不利，外墙荷载要放大。当外墙符合第4.4.7条内容的工程，应按表4.8.3-1、4.8.3-2查取并乘以放大系数（放大系数见《人防规范》第4.8.3条），例如核6级时放大系数=1.1。 　　
外墙的人防工况计算结果还需和平时工况下的承载力极限状态以及正常使用极限状态（不计人防荷载）的计算结果相比较，配筋时在三者之中取最大值。 　　
笔者不推荐由PKPM整体结构计算来完成外墙的计算，建议用其它软件单独计算。 　　

3.4.临空墙（含人防隔墙） 　　
通常所说的临空墙即是指出入口通道内的临空墙，该构件的布置在“SATWE1.接PM生成SATWE数据2.特殊构件补充定义临空墙”，选中的混凝土墙为临空墙，显示为红色粗线（普通混凝土墙显示为绿色粗线），临空墙的荷载输入在其中的“/临空墙荷载”。当使用PKPM整体建模计算临空墙时，应按《人防规范》第4.7.6条和4.8.8条，分别查表后取较大值输入。【注：从2009年下半年以后的版本才有临空墙荷载输入功能，此前的版本中临空墙荷载不能输入，只能使用程序默认值-按“顶板荷载考虑上部建筑影响的室内出入口”时的110kN/m2。】类似于外墙的情况，PKPM最终只能提供临空墙双侧竖向配筋总量的值，也不能满足设计需求。 　　
“人防隔墙”也可以在此处输入。核6级人防地下室的“人防隔墙”可分为两种：（1）A型人防隔墙：墙体一侧为抗核6级人防地下室而另一侧为普通地下室时，普通地下室一侧按《人防规范》第4.8.9条、查表4.8.9-2选取相应的水平等效静荷载标准值为110.0kN/m2（当顶板考虑上部建筑影响时为90.0kN/m2）；（2）B型人防隔墙:墙体两侧均为抗核6级人防地下室时，两侧分别单独受力，按《人防规范》第4.8.9条、查表4.8.9-2选取相应的水平等效静荷载标准值为50.0kN/m2。 　　
对于以上三种墙体，出入口临空墙和A型人防隔墙都是单向受人防水平荷载，故应为非对称配筋，只有B型人防隔墙是双侧均单独考虑人防荷载且荷载值相同，可以是对称配筋。 　　
笔者不推荐由PKPM整体结构计算来完成临空墙与A型人防隔墙的计算，建议用其它人防专业软件单独计算。 　　

3.5.人防底板的梁和板 　　
为计算人防工况下的底板，需另建一个计算模型-【模型3】，将结构底板视为倒置的楼板（俗称“倒楼盖”），整个计算过程与顶板的操作相同。若底板低于地下水位，那么在进行底板人防工况的内力计算时则还应将水压力考虑在内。由于【模型3】得到的PKPM计算结果是与实际工程反向的，设计人员还需根据实际受力情况对其进行处理后方可正常使用。 　　

3.6.地基 　　
按《人防规范》第4.1.6条，地基承载力和地基变形可不进行人防动荷载作用下的验算。通俗地说，人防地下室的地基计算，可以完全不考虑人防工况，视之为非人防地下室即可。 　　

3.7.基础 　　
3.7.1.JCCAD的“桩筏筏板有限元”菜单可以计算人防设计，并可以自动读取SATWE导算下来的人防荷载（较新版本的PKPM才有此功能）。 　　
3.7.2.JCCAD的“基础梁板弹性地基梁法计算”菜单也可以进行人防设计的计算，但不能传导上部人防荷载具体值，只能输入统一基本值。 　　
3.7.3. 有桩基础：JCCAD程序对桩身承载力缺少验算,不符合《建筑桩基技术规范》的要求。人防地下室的桩身承载力验算时，应读取人防工况的底层柱底轴力设计值，按《建筑桩基技术规范》5.8.2条的公式验算桩身承载力。根据笔者的经验，人防工况下的桩身承载力验算常常会成为桩截面大小的控制因素，尤其是对于桩段有扩大头或上部建筑层数不大的工程。 　　
3.7.4.独立柱基 　　
独立柱基基底面积可以不考虑人防，但是基础配筋要考虑人防荷载。 　　

3.8.其余人防构件 　　
除了以上所述的内容，余下的各类人防结构构件，包括人防门门框墙、封堵门框墙、活门门框墙、人防抗爆楼梯（人防主要出入口处的楼梯）、防倒塌棚架等，在PKPM软件的整体计算中还不能输入和计算，需另行设计。 　　

4 汇总 　　

人防地下室的整体结构计算，需要用PKPM至少建立2~3个计算模型，即【模型1】、【模型2】、【模型3】，设计师可以待【模型1】完全调整完毕后再生成【模型2】和【模型3】，以避免过多的重复修改。 　　
人防地下室工程使用PKPM软件进行的整体结构计算，对人防顶板的梁板、底板的梁板设计工作最为实用有效，但还未能涉及所有的人防构件，还应配合使用其它人防专用设计软件或人工手算。 　　
08版PKPM推出也有3年左右了，这期间其功能也在不断调整改进中。其中人防方面的改进主要有：临空墙可以输入荷载；JCCAD的“桩筏筏板有限元”菜单可以读取顶板各板块的人防荷载（从SATWE传来）。本文中的描述可能因具体版本不同而略有出入。 　　
为配合已经公布实施的《建筑抗震设计规范 GB 50011-2010》和另外2本即将公布的《混凝土结构设计规范 GB 50010-2010》与《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3-2010》，“PKPM 2010”也正在推出之中，期望研发单位在“PKPM 2010”中能对以上未完善的问题有所改进，给设计师提供更大的帮助。 　

5 结语 　　

人防地下室与民用建筑的结合，应坚持使用功能和战备效益兼顾的原则，实现社会、经济、战备效益的有机结合。随着人防地下室设计的重要性日益提高，设计人员不仅要熟悉有关操作程序与人防规范，还要积极了解工程的实际情况，只有这样才能在提高计算和制图效率的同时确保结构的安全。 　　 　　

参考文献： 　　
[1]中国建筑科学研究院 建筑工程软件研究所 著.PKPM结构软件若干常见问题剖析 　　 [M].北京：中国建筑工业出版社，2009.6 　　
[2]中国建筑科学研究院 建筑工程软件研究所 著.PKPM多高层结构计算软件应用指南 　　 [M].北京：中国建筑工业出版社，2010.6 　　
[3]中国建筑科学研究院 建筑工程软件研究所 著.PKPM基础设计结构软件功能详解 　　 [M].北京：中国建筑工业出版社，2009.12 　　
[4]中国建筑科学研究院 建筑工程软件研究所 著.PKPM结构软件施工图设计详解 　　 [M].北京：中国建筑工业出版社，2009.10