建筑结构毕业设计使用PKPM软件应注意的关键问题

摘 要：在分析目前普通本科高校土木工程专业毕业设计现状的基础上介绍了利用PKPM软件进行建筑结构毕业设计的意义.针对学生利用PKPM软件进行毕业设计时存在的问题，以结构设计理论为基础，以规范准则为依据，介绍了利用PKPM软件在建筑结构毕业设计时需要注意的关键问题.

关键词:PKPM软件；土木工程专业；建筑结构；毕业设计;问题

0 引言

毕业设计是土木工程专业本科教育阶段最后一个综合性实践教学环节[1-2].目前，大部分土木工程专业师生在选择毕业设计题目时，往往倾向于建筑结构设计类.对于此类毕业设计，一小部分学生会选择手算手绘施工图的模式，而大部分学生则选择利用PKPM软件进行辅助设计.

如果利用手算手绘施工图的模式进行结构毕业设计，虽然可以最大程度地训练学生的专业基本功，但其中计算与手绘施工图属于低效劳动，在设计市场早已被淘汰.而目前，PKPM软件在国内设计行业中占有绝对优势，拥有用户上万家，市场占有率高达90%以上，现已成为国内应用最为普遍的CAD系统[3].利用PKPM软件进行毕业设计的辅助设计既能很好地考察学生的结构设计理论知识，又可实现与实际设计市场接轨的目的.

许多学生在建筑结构毕业设计中只是机械性地学会了PKPM软件操作，还存在结构设计概念不清晰、软件中参数的选取不明确、结构设计所涉及的规范条文不理解、结构设计结果出现问题不知怎样处理等问题.基于此，针对土木工程专业学生的特点，以结构设计理论为基础，以规范准则为依据，介绍了PKPM软件在建筑结构毕业设计中需要注意的关键问题.

1 柱、梁截面尺寸估算问题

学生在进行柱、梁建模时一般会忽略截面的估算，直接根据经验或某些书上的例题确定柱、梁截面尺寸.这些学生中大部分是因为不清楚柱、梁尺寸的估算原理和步骤.

柱截面尺寸的估算步骤为：1)确定建筑物所在地区的抗震设防烈度及设计地震分组；2)确定建筑物的抗震等级；3)进一步确定框架柱的截面形状与尺寸.

框架柱截面尺寸可初步按下式估算：

≤[μN]， (1)

N=βSgn， (2)

式中，N为地震作用组合下柱的轴向压力设计值；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；Ac为柱截面尺寸；[μN]为柱轴压比值;β为考虑地震作用组合后柱的轴向压力增大系数，角柱、边柱均取1.3，中柱等跨度取1.2，中柱不等跨度取1.25；S按简支状态计算柱的负荷面积；g为单位建筑面积上的重力荷载代表值，可近似取12～15 kN/m2；n为楼层层数.

《建筑抗震设计规范》(GB —2010)[4](下文中简称《抗规》)6.3.5条规定，抗震等级为三级且超过2层的建筑中框架柱的截面宽度和高度不宜小于400 mm且长边与短边之比不宜超过3.

2 楼梯布置问题

相比较2001版的《抗规》，2010版《抗规》增加了第6.1.15条，用以考虑楼梯的斜撑作用对结构刚度、承载力以及规则性的影响.

学生在布置楼梯时经常会出现楼梯布置不上或参数设置不合理等情况.解决上述问题的唯一办法是正确理解“平行两跑楼梯—智能设计对话框”中各参数的含义及建筑施工图中结构层高、楼梯的设计参数等.“平行两跑楼梯—智能设计对话框”如图1所示.

图1 平行两跑楼梯—智能设计对话框

首先,需要注意的是底层楼梯布置需设置“起始高度”，即底层楼梯从室内±0.000标高开始，底层结构高度从基础顶面开始，两者之间的差值绝对值即为“起始高度”.其余层的楼梯“起始高度”为0.

其次,注意“起始节点号”的选择，有时程序默认的“起始节点号”与实际建筑中楼梯的起始位置不一致，此时需要按照建筑图中楼梯的实际工程情况选择“起始节点号”以及确定是否勾选“是否是顺时针”.

图1中“各梯段宽”是指梯井边缘至梁边的距离，“各梯段宽”=梯井边缘至墙边缘的距离-梁边缘到墙边缘的距离.

“各标准跑详细设计数据”中第1跑的“起始位置”与第2跑的“结束位置”相等，第1跑的“结束位置”与第2跑的“起始位置”数值相等，而且“平台宽度”=第1跑“结束位置”.

最后,注意图1中的其他参数需要根据建筑施工图中楼梯的实际工程情况进行填写.

3 模块中参数理解问题

在模块中进行各参数补充定义时，部分学生存在参数理解不清楚、参数选值不确定等问题.

3.1 “分析与设计参数补充定义(必须执行)”选项中需要注意的参数

3.1.1 对所有楼板强制采用刚性楼板假定：根据实际工程情况选择是否勾选.

《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[5](下文简称《高规》)5.1.5条规定，进行高层建筑内力与位移计算时，可假定楼板在其自身平面内无限刚性.一般建筑结构仅在计算位移比时建议选择，在进行结构内力分析和配筋计算时可不选择.

3.1.2 X、Y向结构基本周期：此项用于X向和Y向风荷载的计算.计算完成后，得到了准确的结构自振周期，再回到此处将新的周期值填入，然后重新计算，以得到更为准确的风荷载.

对于比较规则的结构，可采用近似方法计算基本周期.框架结构T=(0.08～0.1)N；框剪结构、框筒结构T=(0.06～0.08)N；剪力墙结构、筒中筒结构T=(0.05～0.06)N，其中N为结构层数.

结构基本周期主要是计算风荷载中的风振系数用的，设计人员可以先按照程序给定的缺省值对结构进行计算.计算完成后再将程序输出的第一平动周期值填入即可.如果不想考虑风振系数的影响，则可在此处输入一个小于0.25的值.

3.1.3 柱配筋计算原则：根据实际工程情况确定.

若按单偏压计算,程序按单偏压计算公式分别计算柱两个方向的配筋；若按双偏压计算，程序按双偏压计算公式计算柱两个方向的配筋.

《高规》6.2.4条规定：抗震设计时，框架角柱应按双向偏心受力构件进行正截面承载力设计.

一般情况下，设计信息中选择“按单偏压计算”，然后在柱施工图归并选筋后，再进行双偏压验算.

3.2 “结构内力，配筋计算”选项中需要注意的参数

3.2.1 层刚度比计算：《抗规》3.4.2和3.4.3条建议的计算方法是地震剪力与地震层间位移比.对于多层(砌体、砖混底框)，宜采用剪切刚度；对于带斜撑的钢结构，宜采用弯剪刚度；多数结构宜采用地震剪力与地震层间位移比(所有结构均可采用该方法进行层刚度比计算).

3.2.2 地震作用分析方法：“侧刚分析方法”是指按侧刚模型进行结构振动分析，“总刚分析方法”是指按总刚度模型进行结构的振动分析.当考虑楼板的弹性变形(某层局部或整体有弹性楼板单元)或有较多的错层构件(如错层结构、空旷的工业厂房、体育馆所等)时，建议采用“总刚分析法”.

4 计算结果分析问题

利用模块对所建结构模型进行内力与配筋计算后，大部分学生不会根据模块输出的结果图形与文本显示进行分析，即使发现问题也不知怎样对模型或参数进行调整.

要想解决上述问题，需要结合规范准则、结构设计理论知识及结构设计经验最终确定修改方案.

4.1 文本文件输出

“文本文件输出”选项中需要重点检查“结构设计信息”“周期、振型、地震力”“结构位移”选项.

4.1.1 “结构设计信息”选项中一般从以下三个方面对计算结果进行检查

4.1.1.1 进一步校对、复核中“分析与设计参数补充定义”的参数有无错误，包括总信息、风荷载信息、地震信息、活荷载信息、调整信息、配筋信息、设计信息、荷载组合信息等输入信息.

4.1.1.2 查看“各层的质量、质心坐标信息”“各层构件数量、构件材料和层高”“风荷载信息”“各楼层偶然偏心信息”“各层楼等效尺寸”等信息.核对“各楼层单位面积质量”，各层楼的单位面积质量=结构总重量/建筑面积.一般情况下，框架结构的单位面积质量大约为11～14 kN/m2，框剪结构大约为13～15kN/m2，剪力墙结构大约在15 kN/m2左右.

4.1.1.3 查看“计算信息”.“计算信息”中重点检查以下4项：

(1)“各层刚心、偏心率、相邻层侧移刚度比等计算信息”中“刚度比”需要重点检查，通过检查“刚度比”判断结构竖向有无薄弱层.

(2)“结构整体抗倾覆验算结果”中的“零应力区”需要检查，一般情况下“零应力区”数值不允许大于15.根据《抗规》4.2.4条规定，高宽比大于4的高层建筑，在地震作用下基础底面不宜出现零应力区；其他建筑，基础底面与地基土之间的零应力面积不应超过基础底面积的15%.

(3)“结构整体稳定验算结果”中的“刚重比”需要检查.

刚重比：主要为控制结构的稳定性，以免结构产生滑移和倾覆.当结构刚重比大于10时，能够通过《高规》5.4.4条的稳定验算；当结构刚重比大于20时，可以不考虑重力二阶效应.

(4)“楼层抗剪承载力及承载力比值”中的“最小楼层抗剪承载力之比”需要检查.

《高规》3.5.3条规定，A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%，不应小于其相邻上一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75%.

4.1.2 “周期、振型、地震力”选项中一般对以下3个计算结果进行检查

4.1.2.1 检查“考虑扭转联耦时的振动周期(秒)、X,Y方向的平动系数、扭转系数”计算结果，主要核算结构的“周期比”是否满足规范要求以及检查“地震作用最大的方向”值的大小.

周期比主要用来控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响.《高规》第3.4.5条规定：结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9.如果出现不能满足要求的情况，一般通过调整平面布置来改善.总的调整原则是加强结构外围墙、柱或梁的刚度，适当削弱结构中间墙、柱或梁的刚度.

当地震作用最大方向的计算结果大于15度时，需要将夹角计算结果输入到“水平力与整体坐标夹角”中重新计算.

4.1.2.2 检查“各层X、Y方向的作用力”计算结果.

主要检查结构“X向、Y向各层剪重比”以及“X向、Y向的有效质量系数”是否满足规范要求.

剪重比：主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性，具体要求参见《抗规》表5.2.5及《高规》表4.3.12.

有效质量系数：《抗规》5.2.2条文说明及《高规》第5.1.13条第1款要求，有效质量系数不应小于90%.

4.1.3 “结构位移”选项中主要检查X、Y向在各工况下的“最大层间位移角”以及“最大位移比”是否满足规范要求.

《抗规》表5.5.1中规定了各种结构类型的弹性层间位移角的限值，其中钢筋混凝土框架结构的层间位移角限值为1/550.《抗规》3.4.3条规定：在规定水平力作用下，楼层的最大弹性水平位移(或层间位移)，大于该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的1.2倍，则结构属于扭转不规则.

如果结构的“最大层间位移角”“最大层间位移与平均层间位移的比值”以及“最大位移与层平均位移的比值”出现不满足规范要求的情况，可以通过人工调整改变结构平面布置，减小结构刚心与形心的偏心距.

4.2 图形文件输出

“图形文件输出”选项中需要重点检查“混凝土构件配筋及钢构件验算简图”选项.其中梁配筋信息中有红色字体出现，则代表梁超筋；柱配筋信息中出现红色字体，则代表柱超筋或轴压比超限.

造成梁超筋的原因主要有两种：第一种是梁抗剪承载力不足，第二种是梁抗弯承载力不足.具体是哪种原因造成的超筋需要单击“构件信息”中的“梁信息”，如图2所示，然后鼠标左键红色的梁，则会弹出记事本，如图3所示.图3中框内信息即是超筋的原因：抗剪承载力不足.

图2 构件信息

图3 超筋信息

不同原因造成的超筋问题的解决方案不同：

(1)针对抗剪承载力不足引起的超筋问题的解决方案

抗剪差的原因主要是和梁垂直搭接次梁传来的力太大，超过本根梁能超过的范围.有两种解决办法，主要减小传来梁的剪力:一是在PKPM-特殊构件定义中将传来梁的定义为铰接，这是解决此类问题的很好的办法；二是提高本梁的刚度，主要方法是加大梁的截面和提高混凝土等级等.

(2)针对抗弯承载力不足引起的超筋问题的解决方案

如果是抗弯承载力不足引起的超筋，造成梁抗弯承载力不足的原因有很多，例如输入的荷载错误，有可能是荷载输入过大；梁截面过小；混凝土的强度等级过低等.针对以上原因，解决办法是根据实际工程情况减小荷载、加大梁的截面尺寸或者适当提高混凝土强度.

除了上述介绍的造成梁超筋的常见原因外，还有很多其他原因，需要设计人员根据实际工程情况进行判断并提出解决方案.

针对轴压比超限的常见解决方法有：①加大柱子截面面积；②采用高强度混凝土.

引起柱超筋的原因很多，需要针对不同原因提出相对应的解决方法.

(1)如果是框架结构整体刚度不足，在地震力的作用下倾覆力矩太大而超筋，这时结构的位移角基本上也不会满足规范要求，可以通过查看“结构位移”确定.这种情况下可以增大柱截面或是增加柱数量，也可以尝试增加斜撑或者阻尼支撑，甚至可以增加一些剪力墙.

(2)如果是与柱相连的梁线刚度太小(尤其是大跨度结构)，梁受弯时会传递很大的弯矩给柱端，弯矩将造成柱端出现很大的偏心，从而导致柱超筋.这种情况在竖向力较小时(比如顶层)比较常见,此时增大梁高或者减小柱距就能有效解决问题.

(3)如果是结构平面局部薄弱，平面刚度突变而出现柱超筋，这主要是由水平力作用下的应力集中引起的.这种情况下可以增大薄弱部位处的刚度(增大柱截面或者增加柱根数)，或者直接在平面薄弱部位处设置抗震缝，将结构断开成两个单体.

(4)如果是结构平面扭转较大，局部(尤其是边角)形成很大的剪力而造成超筋，这时首先考虑对整体结构进行调整，平衡刚度，使结构刚度中心与质量中心尽量重合以减少扭矩.如果上述措施还不能解决柱超筋问题，可以再考虑增大柱截面.

(5)如果结构竖向存在薄弱层，软件在计算时会将该薄弱层乘以放大系数，这种情况也容易引起超筋.薄弱层一般是因为上层的刚度太大，所以除了增大本层刚度外，还可以尝试降低上层刚度.

5 结语

利用PKPM软件进行建筑结构毕业设计不仅仅是软件的简单操作，其中涉及大量结构设计理论知识、规范条文、参数含义等，并要求学生具备分析计算结果并解决问题的能力.

本文针对PKPM软件设计过程中学生比较容易出现问题的地方进行了详细分析与解释，可以在一定程度上提高土木工程专业学生的结构设计能力及毕业设计质量.

参 考 文 献

[1]曹云，孟云梅. 土木工程专业毕业设计教学改革与实践[J]. 中国电力教育，2012(28)：117-118.

[2]孙文彬. 土木工程专业毕业设计教学改革与实践[J]. 长沙大学学报，2006，20(5)：101-104.

[3]陈占锋，向娟. 结构设计软件应用:PKPM[M]. 2版.武汉：武汉大学出版社，2017.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范GB —2010 [S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2010．

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.高层建筑混凝土结构技术规程JGJ 3—2010[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2010．

[6]刘于，王龙海，罗德海. 浅谈PKPM软件在建筑结构课程教学中的应用[J]. 绿色环保建材，2018(5)：270.

[7]代发能. PKPM框架结构设计分析[J]. 建材与装饰，2018(30)：113-114.

中图分类号：G 642.0

文章编号：1671-6132(2019)03-0039-05

基金项目：河南省科技攻关计划项目(5)；河南省高等学校重点科研项目()；南阳师范学院校级专项项目()

作者简介：王晓飞(1987— )，女，山东临沂人，南阳师范学院讲师，博士，主要从事土木工程方面的教学与研究.