1、正確應用CAD軟件提高建筑結構設計質量摘要：針對CAD 設計軟件使用過程中出現的問題,結合PKPM系列微機建筑結構CAD 系統軟件的應用,指出了建筑結構設計中存在的問題,分析了產生問題的原因,提出了今后設計中應注意的問題。 關鍵詞：CAD 底層框架抗震設計概念設計 隨著計算機硬件技術的發展和建筑結構分析理論的日臻完善,計算機輔助設計(CAD) 系統在建筑設計領域得到越來越廣泛的應用。尤其是近年來高層建筑結構分析理論的逐步成熟,極大地推動了我國高層建筑的發展。在眾多的結構分析軟件中,平面框排架計算與繪圖軟件PK既是獨立的計算和繪圖軟件,又作為PKPM系列其它高層分析程序的接口軟件,是結構工程師非
2、常熟悉的。其它如結構平面計算機輔助設計PMCAD、剪力墻結構計算機輔助設計JLQ ,以薄壁桿件理論為基礎的高層建筑結構三維分析程序TAT,以及以墻元理論為基礎的高精度空間有限元分析程序SATWE等。我們經過近十年的實踐應用,中國建筑科學研究院PKPMCAD 工程部開發的PKPM系列微機建筑工程CAD 系統,是一套比較優秀的建筑設計軟件,而且涉及的內容比較全面,它是集建筑APM) 、結構、設備(水WPM、暖HPM、電EPM、空調CPM) ,概預算(STAT) 和施工于一體的大型CAD 設計系統,各個模塊之間既可進行數據轉換、接口,又可單獨使用。其中結構平面輔助設計軟件PMCAD、框排架計算及施工
3、圖繪制軟件PK、高層空間分析軟件TAT和基礎設計軟件JC2CAD 等可組成一個高效率的結構分析、計算及繪圖系統。下面主要介紹這些結構軟件使用過程中容易出現的問題及設計時應注意的事項。1 設計中存在的問題我們在設計中及與其它設計單位交往的過程中發現,雖然采用了CAD ,但在結構施工圖中出現了許多概念性的錯誤和計算錯誤,有些錯誤可能會導致嚴重的后果。究其原因是由于許多結構設計人員并未接受過系統的專業知識學習,雖然初步掌握了一些建筑結構設計軟件的使用能力,但是缺乏對整體結構概念的認識,過分相信計算機分析結果而出現結構計算模型與實際建筑物的較大差別;或由于軟件技術條件認識不清而導致錯誤的計算結果。為此
4、,本文就近幾年來發現的這些問題及其原因,結合PKPM軟件的應用作一些簡單的分析,以便提高建筑結構的設計質量。111 超規范設計導致結構存在安全隱患超規范設計問題對中小設計院來說是禁而未絕的問題。雖然建設主管部門三令五申的強調,但是由于缺乏有效的管理手段和約束機制,有的地方設計審查流于形式,或對設計圖紙的審查只限于對建筑造型的審查,使得一些超規范設計變成了聳立于城市街頭的建筑物。當然,超規范設計有設計單位主觀上的原因,也有的是客觀上造成的。超規范設計的問題主要表現在幾個方面:(1) 磚混結構層數和高度超規范問題。在建筑抗震設計規范(GBJ11289) (以下簡稱“抗規”) 中,多層砌體房屋由高度
5、和層數兩個指標控制,一般認為,超過其中的一個控制指標即是超規范設計。近年來,一些抗震設防地區所建磚混建筑物相繼出現8 層帶半地下室磚混住宅。嚴格地講,按“抗規”第51112 條規定,帶半地下室住宅房屋的高度和層數應從地下室地面算起,也就是說,8 層帶半地下室建筑的實際層數應為9 層。(2) 底層框架磚房超規范設計問題。底層框架磚房除存在上述高度和層數超規范問題以外,還存在底層框架本身的設計超規范問題。“抗規”所謂的底層框架是指底層為框架- 抗震墻承重的結構,且宜采用鋼筋混凝土抗震墻,但抗震烈度為6 度和7 度地區可采用嵌砌于框架之間的磚墻。根據了解的情況,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構,而且在抗震區總層數達到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,并且在實際工程中底層有限的幾片磚墻還常常是按填充墻來考慮。這種結構形式大都出現在臨街的住宅設計中,尤其近年來在房地產開發商所建的商品房中居多,這種結構形式的建筑在地震中的表現是非常脆弱的。所以,一旦有地震發生,其后果將是十分嚴重的。(3) 舊房改造設計中的超規范問題。某些過去設計建造的房屋在建設當時該地區的抗震設防烈度低于現行的設防烈度,或由于建筑時的材料所限,其抗震能力較差,已屬于抗震加固對象,而某些設計單位未進行加固設計而進行了加層設計,有的加層設計還超過現行規范
7、要求。在加層施工中原結構有不同程度的破壞,加層設計對該建筑的抗震性能來說無疑是雪上加霜。調查發現,導致超規范設計的主要原因有如下幾方面:一是某些設計人員遵循規范的意識淡薄,對規范規定模糊不清、學習不夠,甚至有些結構設計人員從來沒有考慮過規范的要求。二是建筑設計的人員結構概念模糊,從建筑設計方案階段造成結構設計是超規范的,而又片面地強調所謂的建筑形式等要求,使結構難以滿足規范要求。三是某些建設單位由于從投資的限制、土地利用率等方面出發而提出不滿足規范要求的結構形式,而設計部門為得到工程的設計任務故意違反規范規定,有的設計單位領導為了眼前的利益,迫使設計人員進行超規范設計,四是設計審查部門遷就建設
8、單位的意圖,使超規范設計在某些地方合法化甚至成為不成文的地方標準和習慣作法。筆者認為,設計規范作為國家制定的規程是指導建筑設計的綱領,作為建筑設計工作者,在任何時候都不應當違反。112 過分依賴計算機分析結果,忽視抗震概念和構造設計在實際工程中,不同程度地存在著忽視抗震概念設計和構造設計的問題。例:某6 度抗震區建筑,設計為6 層帶半地下室磚混住宅,上部結構布置均勻規整,但是上部作為主要承重和抗震墻體的內縱墻卻沒有基礎,而是坐落于地下室的內橫墻上,也就是說,上部6 層墻體的線荷載,變為集中荷載(點) 傳于地下室橫墻上,這種結構的傳力路線是最為不利的。再如:某6 層磚混結構商品樓,下部3 層為商
9、業網點,上部3 層為住宅,初看起來好象并無不妥,但是下部1 層均為貫通整個進深的單間門市部,開間為3 0003 900 mm ,實際上就是1 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,是不能夠按磚混結構來設計的。其設計者認為按磚混結構設計,層數及高度均不超規范,結構是可行的。殊不知它的抗震性能是極差的,是不能滿足抗震要求的。建筑物抗震設計包括三部分內容,即概念設計、構造設計和結構計算。眾所周知,地震是一種復雜的自然現象,我們對建筑物的地震破壞機理還不十分清楚,對地震的破壞現象也只是停留在感性認識階段,建筑物抗震計算的原理只是一種近似方法。所以,我們在進行建筑物抗震設計時,一定要遵循
10、“抗規”提出的抗震設計原則和抗震設計構造要求來正確應用CAD 軟件提高建筑結構設計質量進行設計,例如底層框架結構上部的磚房的構造措施比多層磚房的構造措施要嚴格一些,要求構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設計,也不能單憑計算結果來判斷結構的可靠性,象上述的兩個例子,結構的靜力計算是沒有問題的,而縱向抗震能力明顯不足。113 對軟件技術條件不清,導致計算和繪圖結果錯誤每一種計算理論都有它的假定條件,每一個軟件的編制都符合特定的技術條件,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條件便不能很好地利用軟件來解決實際問題。
11、一些對結構概念不很清楚的設計人員可能會過分地相信計算機而出現嚴重的設計錯誤。6 層磚混結構,其中第6 層為大空間會議室,而且第6 層沿縱墻外挑1200 mm。也就是說,第6 層的屋面、墻體等荷載最終傳于5層的外跳梁上,而挑梁向內的平衡長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。設計者認為:挑梁的計算數據是由PMCAD 軟件生成的,其配筋是經過PK軟件計算的,計算結果沒有問題。其實,由于設計者對軟件技術條件不明,在操作時有荷載漏項,導致計算結果錯誤。 2 設計中應注意的問題211 結構平面輔助設計軟件PMCAD 的應用PMCAD 是PKPM系列軟件的核心模塊,是建筑與結構連接的接口
12、軟件,也是結構平面設計軟件,在這個模塊中建立的結構模型應力求準確,能夠反應結構的實際情況。(1) 交互式結構模型的建立。結構模型中所有的構件均在此項操作中輸入,應當注意的是:凡是結構布置形式及構件尺寸和荷載不同的結構層均應描述為不同的結構標準層,對于上下層柱變截面情況用構件相對于節點的偏心描述,注意在節點過密的時候墻體及梁布置的連續性。在布置過兩個或更多的標準層后,不能使用圖案編輯菜單對某一層或某一部分拖動或平移,因為所有的節點位置都是用相對于原點的位置描述的,拖動或平移會造成上下層節點錯位。全樓的組裝必須是自下而上的標準層組裝,不能把后一個標準層組裝于前一個標準層之前。填充墻不能作為墻體輸入
13、。在此輸入的荷載值應是荷載標準值,不是設計值。(2) PK文件的生成。對于磚混結構,按連梁生成的墻梁的PK文件,在沒有進行磚混抗震驗算時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,否則會引起框架上地震荷載的漏項,而用PK所畫的梁施工圖其節點構造不滿足“抗規”要求。在此項操作中生成的連梁PK文件應打開修改支座情況,主要是依據實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文件應打開修改梁慣性矩增大系數和梁端彎矩調幅系數,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 平面框排架計算及繪圖軟件PK的應用PK是PK
14、PM系列軟件的重要組成部分,不但可以單獨使用,而且還可以和SATWE、TAT等模塊聯合使(1) 框架繪圖。有時計算結果顯示梁柱超筋時,往往能夠通過繪圖,但是要注意此時的繪圖結果有時是錯誤的,其顯示的配筋情況可能比計算小得多,必須修改計算數據文件后,梁柱計算都不超筋時其繪圖結果才是可信的。另外,在修改鋼筋操作中對梁鋼筋進行了通長修改后,一定要對所形成的施工圖進行檢查,使顯示結果與繪圖結果不一致。(2) 注意審查每一個柱的軸壓比信息。PK軟件對柱的超筋控制是以最大配筋率來控制的,有時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。213 獨立基礎及條形基礎設計軟件JCCAD 的應
15、用(1) 對磚混結構而言,一般應在荷載組合中加入經PM2CAD 軟件進行磚混抗震計算后的荷載。(2) 對框架結構而言,一般應計入經PK軟件計算的PK荷載,并在PK荷載中計入地震荷載組合,并經縱橫兩個方向的驗算后確定基礎選用的合理值,或計入經TAT、SATWE 計算的荷載組合。若只經PM恒、活荷載計算,則結果在地震區會明顯偏小。(3) 對彈性地基梁及筏板基礎的計算還應注意以下幾個方面: 應根據現場勘探情況利用軟件對地基進行驗算; 應根據地基及設計情況不同選用適當的地基剛度系數; 根據上部結構及場地情況,選取適當的基礎形式和計算方法;經過反復地試算,最后確定較為合適的梁截面和翼緣寬度。一般認為,如果我們確定了一種梁截面或翼緣厚度時,加大或減小其截面尺寸都會引起配筋量的增加,那就說明我們選定的這個截面是較為合適的。3 結束語在工程設計時,即從模型簡化、荷載匯總、結構計算到施工圖繪制的全過程中,我們應認真的考慮設計的每一環節,不僅保證計算模型的簡化與工程實際相吻合,使計算假定與實際情況相一致,而且應注意設計軟件的適用條件及其技術條件,正確的適用CAD 軟件,保證計算結果準確,更要加強規范的學習,加強概念設計,保證結構滿足各項構造措施的要求。使建筑結構安全能夠承受可能出現的各種作用,保證結構具有良好的工作性能和耐久性能。4
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