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1、正確應(yīng)用CAD軟件提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量摘要：針對(duì)CAD 設(shè)計(jì)軟件使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題,結(jié)合PKPM系列微機(jī)建筑結(jié)構(gòu)CAD 系統(tǒng)軟件的應(yīng)用,指出了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題,分析了產(chǎn)生問(wèn)題的原因,提出了今后設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題。 關(guān)鍵詞：CAD 底層框架抗震設(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)(CAD) 系統(tǒng)在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。尤其是近年來(lái)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(guó)高層建筑的發(fā)展。在眾多的結(jié)構(gòu)分析軟件中,平面框排架計(jì)算與繪圖軟件PK既是獨(dú)立的計(jì)算和繪圖軟件,又作為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2、常熟悉的。其它如結(jié)構(gòu)平面計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)PMCAD、剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)JLQ ,以薄壁桿件理論為基礎(chǔ)的高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析程序TAT,以及以墻元理論為基礎(chǔ)的高精度空間有限元分析程序SATWE等。我們經(jīng)過(guò)近十年的實(shí)踐應(yīng)用,中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPMCAD 工程部開(kāi)發(fā)的PKPM系列微機(jī)建筑工程CAD 系統(tǒng),是一套比較優(yōu)秀的建筑設(shè)計(jì)軟件,而且涉及的內(nèi)容比較全面,它是集建筑APM) 、結(jié)構(gòu)、設(shè)備(水WPM、暖HPM、電EPM、空調(diào)CPM) ,概預(yù)算(STAT) 和施工于一體的大型CAD 設(shè)計(jì)系統(tǒng),各個(gè)模塊之間既可進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、接口,又可單獨(dú)使用。其中結(jié)構(gòu)平面輔助設(shè)計(jì)軟件PMCAD、框排架計(jì)算及施工3、圖繪制軟件PK、高層空間分析軟件TAT和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件JC2CAD 等可組成一個(gè)高效率的結(jié)構(gòu)分析、計(jì)算及繪圖系統(tǒng)。下面主要介紹這些結(jié)構(gòu)軟件使用過(guò)程中容易出現(xiàn)的問(wèn)題及設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。1 設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題我們?cè)谠O(shè)計(jì)中及與其它設(shè)計(jì)單位交往的過(guò)程中發(fā)現(xiàn),雖然采用了CAD ,但在結(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。究其原因是由于許多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員并未接受過(guò)系統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí),雖然初步掌握了一些建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的使用能力,但是缺乏對(duì)整體結(jié)構(gòu)概念的認(rèn)識(shí),過(guò)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;或由于軟件技術(shù)條件認(rèn)識(shí)不清而導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果。為此4、,本文就近幾年來(lái)發(fā)現(xiàn)的這些問(wèn)題及其原因,結(jié)合PKPM軟件的應(yīng)用作一些簡(jiǎn)單的分析,以便提高建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。111 超規(guī)范設(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(wèn)題對(duì)中小設(shè)計(jì)院來(lái)說(shuō)是禁而未絕的問(wèn)題。雖然建設(shè)主管部門(mén)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(wèn)題主要表現(xiàn)在幾個(gè)方面:(1) 磚混結(jié)構(gòu)層數(shù)和高度超規(guī)范問(wèn)題。在建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ11289) (以下簡(jiǎn)稱“抗規(guī)”) 中,多層砌體房屋由高度5、和層數(shù)兩個(gè)指標(biāo)控制,一般認(rèn)為,超過(guò)其中的一個(gè)控制指標(biāo)即是超規(guī)范設(shè)計(jì)。近年來(lái),一些抗震設(shè)防地區(qū)所建磚混建筑物相繼出現(xiàn)8 層帶半地下室磚混住宅。嚴(yán)格地講,按“抗規(guī)”第51112 條規(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(shuō),8 層帶半地下室建筑的實(shí)際層數(shù)應(yīng)為9 層。(2) 底層框架磚房超規(guī)范設(shè)計(jì)問(wèn)題。底層框架磚房除存在上述高度和層數(shù)超規(guī)范問(wèn)題以外,還存在底層框架本身的設(shè)計(jì)超規(guī)范問(wèn)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6、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8 層。并有1 托7、2 托6、甚至3 托5 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(lái)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(lái)在房地產(chǎn)開(kāi)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,其后果將是十分嚴(yán)重的。(3) 舊房改造設(shè)計(jì)中的超規(guī)范問(wèn)題。某些過(guò)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(guò)現(xiàn)行規(guī)范7、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(lái)說(shuō)無(wú)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(lái)沒(méi)有考慮過(guò)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(mén)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(mén)遷就建設(shè)8、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(guó)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。112 過(guò)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(wèn)題。例:某6 度抗震區(qū)建筑,設(shè)計(jì)為6 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(méi)有基礎(chǔ),而是坐落于地下室的內(nèi)橫墻上,也就是說(shuō),上部6 層墻體的線荷載,變?yōu)榧泻奢d(點(diǎn)) 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6 層磚混結(jié)構(gòu)商品樓,下部3 層為商9、業(yè)網(wǎng)點(diǎn),上部3 層為住宅,初看起來(lái)好象并無(wú)不妥,但是下部1 層均為貫通整個(gè)進(jìn)深的單間門(mén)市部,開(kāi)間為3 0003 900 mm ,實(shí)際上就是1 層只有橫墻而沒(méi)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(lái)設(shè)計(jì)的。其設(shè)計(jì)者認(rèn)為按磚混結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),層數(shù)及高度均不超規(guī)范,結(jié)構(gòu)是可行的。殊不知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)包括三部分內(nèi)容,即概念設(shè)計(jì)、構(gòu)造設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)計(jì)算。眾所周知,地震是一種復(fù)雜的自然現(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方法。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10、“抗規(guī)”提出的抗震設(shè)計(jì)原則和抗震設(shè)計(jì)構(gòu)造要求來(lái)正確應(yīng)用CAD 軟件提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量進(jìn)行設(shè)計(jì),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4<14 ,箍筋間距不宜大于200mm 等,不能按磚房的抗震措施來(lái)設(shè)計(jì),也不能單憑計(jì)算結(jié)果來(lái)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(méi)有問(wèn)題的,而縱向抗震能力明顯不足。113 對(duì)軟件技術(shù)條件不清,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(méi)有很好地理解軟件技術(shù)條件便不能很好地利用軟件來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。11、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(guò)分地相信計(jì)算機(jī)而出現(xiàn)嚴(yán)重的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。6 層磚混結(jié)構(gòu),其中第6 層為大空間會(huì)議室,而且第6 層沿縱墻外挑1200 mm。也就是說(shuō),第6 層的屋面、墻體等荷載最終傳于5層的外跳梁上,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(guò)PK軟件計(jì)算的,計(jì)算結(jié)果沒(méi)有問(wèn)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。 2 設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題211 結(jié)構(gòu)平面輔助設(shè)計(jì)軟件PMCAD 的應(yīng)用PMCAD 是PKPM系列軟件的核心模塊,是建筑與結(jié)構(gòu)連接的接口12、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(guò)密的時(shí)候墻體及梁布置的連續(xù)性。在布置過(guò)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13、。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(méi)有進(jìn)行磚混抗震驗(yàn)算時(shí)梁上沒(méi)有上部墻體及以上層樓板傳來(lái)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(huà)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(kāi)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(kāi)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。212 平面框排架計(jì)算及繪圖軟件PK的應(yīng)用PK是PK14、PM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(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(guò)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)果不一致。(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(lái)控制的,有時(shí)雖然軟件未顯示柱的超筋信息,但并不能說(shuō)明我們所選的柱截面是合適的。213 獨(dú)立基礎(chǔ)及條形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件JCCAD 的應(yīng)15、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)PM2CAD 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: 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; 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); 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;經(jīng)過(guò)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(shuō)明我們選定的這個(gè)截面是較為合適的。3 結(jié)束語(yǔ)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(guò)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,正確的適用CAD 軟件,保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確,更要加強(qiáng)規(guī)范的學(xué)習(xí),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)安全能夠承受可能出現(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。4