基于PKPM软件结构优化设计的探讨

 【摘 要】结构优化设计直接影响结构的经济性，在日益注重经济性的大背景下显得尤为重要。本文讨论了基于PKPM软件下结构优化设计的几个问题，如材料选择问题、梁顶面通长筋问题、约束边缘构件构造配筋率问题及抗震墙连梁刚度折减问题等，与工程设计人员共同交流探讨。 　　

【关键词】结构优化设计；PKPM 　　

结构设计面临很多问题与挑战，结构设计的经济质量与技术质量同等重要，通过结构优化设计可以提高结构设计产品的品质，达到安全耐久性与经济性的统一。结构优化设计是指在满足各种规范或某些特定要求条件下，使建筑结构的某种指标为最佳的设计方法。本文作者通过多年使用PKPM设计软件，归纳总结出一些优化设计、影响结构造价的途径，与工程设计人员交流分享。 　　

1、材料选择问题 　　

高强混凝土高强钢筋目前已广泛应用，其优越的性价比已达成广泛共识。本文要说的是《混凝土结构设计规范》（GB50010 -2010）表8.5.1注2中规定当采用强度等级400MPa、500MPa的钢筋时，其最小配筋百分率应允许采用0.15和45ft/fy中的较大值。目前PKPM软件版本中还没有体现这个规定，设计中应予以注意。如：板筋采用HPB300级别钢筋时，采用强度等级C30砼时最小配筋率为0.238%。如板筋采用HRB400级别钢筋时，采用C30砼时最小配筋率为0.179%，由最小配筋率控制的配筋量省钢25%。 　　

2、梁顶面通长筋问题 　　

从节约的角度，建议框架梁设架立筋，即顶面通长钢筋可以选择直径较小的钢筋与支座钢筋搭接（受力需要设置通长钢筋例外），《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第6.3.4 条对此有明确规定。框架梁设置架立筋有一个好处，就是梁每个支座均通过架立筋搭接，每个梁支座配筋可根据计算需要设计不同钢筋直径和根数，而不必兼顾通长钢筋的配置。PKPM软件墙梁柱施工图模块自动生成的施工图就是按这个原则生成的，而很多设计院习惯把架立筋改成通长钢筋，本文作者认为没必要且是浪费的。 　　

3、约束边缘构件构造配筋率问题 　　

某高层剪力墙结构住宅，抗震等级为一级，经PKPM软件计算后发现第一标准层第28号边缘构件配筋率为1.47%，配筋简图及配筋文本文件如下： 　　
从以上的文本文件可以看出，28号边缘构件仅需按构造配筋即可，《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第7.2.15条规定构造配筋率为1.2%，而SATWE模块中边缘构件简图给定的配筋率却是1.47%，这和规范是不相符的，有PKPM自己延伸的算法在里面，本文作者认为不必遵照配筋简图配筋，按配筋文本文件结果构造配筋，满足阴影区域配筋率1.2%即可。 　　

4、容易忽略的参数设置问题 　　

刚域，PKPM官方给出的说法是一般情况不勾选，本文作者认为任何情况都宜勾选，考虑刚域作用，可以适当减小梁端截面的弯矩值，从而减少配筋量。经多次试算，层高不高时考虑刚域影响对配筋影响较大。 　　
框架梁端配筋考虑受压钢筋，勾选后可以有效减小跨中钢筋量，并且有利于实现“强柱弱梁”，有利于结构抗震。较早版本的PKPM是没有这个选项的，完全按单筋梁计算，保守的工程师所谓的安全考虑，不勾选此项，本文作者认为大可不必，“好钢用在刀刃上”乃上策。 　　
实配钢筋超配系数，默认取值为1.15。有审查者认为不是9度时框架或者一级框架结构，应该将此参数改为1.00。PKPM对这个参数已经能自动识别不需要修改，对其他类型的结构，也不需要人工修改为1.00。 　　

5、抗震墙连梁刚度折减问题 　　

《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第6.2.13条条文说明规定，计算地震内力时，抗震墙连梁刚度可折减；计算位移时，连梁刚度可不折减。基于这条规定，我们在计算位移等控制指标时连梁刚度不折减，待位移指标通过后，再将连梁刚度折减进行配筋等其它计算，需要计算两版模型。这么计算的好处就是使结构刚度不至于为了满足位移指标要求过大，结构刚度小了，吸收地震力自然就小了，整个结构经济性指标就会下降。 　　

6、双向板计算方法问题 　　

PKPM中提供双向板的计算方法有两种可以选择：弹性算法和塑性算法。按弹性理论计算安全储备过大，而塑性铰线理论更接近于实际受力状态，有关试验表明，塑性铰线理论计算结果也具有一定的安全储备。有很多设计人员选用弹性算法后，居然还将钢筋面积调整系数填写个大于1的数，造成了相当的浪费。　　

7、KPM计算有待改进问题 　　

楼板计算目前PKPM采用板块单独计算的原则，支座负弯矩未考虑两端平衡问题，这样配筋只能按两跨支座负弯矩最大值计算，造成一定浪费，支座负弯矩完全可以按楼板线刚度重新分配，按平衡后的负弯矩计算配筋。 　　
剪力墙轴压比PKPM采用墙肢独立考虑轴压比，未考虑组合轴压比，这又是PKPM需要改进的一个问题，剪力墙墙肢肯定要共同工作，而不是墙肢独立工作，很多时候组合墙肢中一个墙肢轴压比超限，另外与其相连的墙肢轴压比却富裕很多，明显不合理，有待改进。 　　

8、结束语 　　

结构优化设计是一项极其复杂的系统工程，是需要工程师长期积累的过程。本文所列几个问题只是结构优化设计中非常渺小的几个点而已。我们必须承认在建设实践中，还存在一个巨大的未知领域，需要我们不断总结建设经验、集中专家智慧、建立相应的人工科学来取得相对优化的结果。 　　

参考文献： 　　
[1]建筑抗震设计规范（GB50011-2010[S]）.北京：中国建筑工业出版社，2010 　　
[2]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010[S]）.北京：中国建筑工业出版社，2011 　　
[3]李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计优化与合理构造（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2012 　　
[4]SATWE多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件（墙元模型）用户手册[M].北京：中国建筑科学研究院设计软件事业部，2011 　　
[5]混凝土结构设计规范（GB50010-2010[S]）.北京：中国建筑工业出版社，2011