浅谈CAD软件应用与建筑结构设计

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      摘要：本文针对在工程设计过程中应用CAD软件所出现的问题,结合自己对PKPM系列建筑结构CAD系统软件的应用经验,提出在应用CAD软件进行结构设计的过程中应注意的问题。



     随着科技的发展，计算机硬件技术和建筑结构分析理论也在不断地发展和完善，计算机辅助设计(CAD)系统在建筑工程设计领域中也得到了广泛的应用。 结构工程师应用最多的就是平面框排架计算与绘图软件（PK），它既是独立的计算和绘图软件，又可作为PKPM系列其它高层分析程序的接口软件，是结构工程师非常熟悉的。结构平面辅助设计软件PMCAD、框排架计算及施工图绘制软件PK、高层空间分析软件TAT和基础设计软件JCCAD 等可组成一个高效的结构分析、计算及绘图系统。结合自己的工作实际，简要介绍在使用这些结构软件的过程中容易出现的问题及设计时应注意的事项。

        一、使用PKPM软件在设计中容易出现的问题 在工程设计以及与其它设计人员交流的过程中发现：尽管采用了CAD进行设计计算, 但许多结构设计人员并未接受过系统的专业知识学习，虽然初步掌握了一些建筑结构设计软件的使用,但是缺乏对整体结构概念的认识，过分相信计算机分析结果而出现结构计算模型与实际建筑物的较大差别；或者由于对软件技术条件认识不清而导致错误的计算结果，以至于在结构施工图中出现了许多概念性的错误和计算错误,有些错误可能会导致严重的后果。为此,结合近几年来在工程实践中发现的类似问题,对PKPM软件的应用作一些简单的分析,以提高应用PKPM软件进行结构设计的质量。

       1、超越规范要求进行设计，导致结构存在安全隐患 超规范设计问题对中小设计院来说是禁而未绝的问题。虽然建设主管部门三令五申的强调,但是由于缺乏有效的管理手段和约束机制,有的地方设计审查流于形式,或对设计图纸的审查只限于对建筑造型的审查,使得一些超规范设计变成了耸立于城市街头的建筑物。当然,超规范设计有设计单位主观上的原因,也有的是客观上造成的。超规范设计的问题主要表现在以下几个方面:  

(1) 砖混结构层数和高度超规范问题。在《建筑抗震设计规范》(以下简称“抗规”) 中,多层砌体房屋由高度和层数两个指标控制,一般认为,超过了其中的一个控制指标即是超规范设计。近年来,一些抗震设防地区所建砖混建筑物相继出现八层带半地下室砖混住宅。严格地讲,按“抗规”的规定,带半地下室住宅房屋的高度和层数应从地下室地面算起,也就是说,八层带半地下室建筑的实际层数应为九层。 

 (2) 底层框架砖房超规范设计问题。底层框架砖房除存在上述高度和层数超规范问题以外,还存在底层框架本身的设计超规范问题。“抗规”所谓的底层框架是指底层为框架－抗震墙承重的结构,且宜采用钢筋混凝土抗震墙,但抗震烈度为6 度和7 度地区可采用嵌砌于框架之间的砖墙。根据了解的情况,有些工程底层框架虽有抗震墙但截面面积明显不足。一些工程竟采用底层纯框架结构,而且在抗震区总层数达到八层。并有底一上七、底二上六、甚至底三上五的底层纯框架形式出现,并且在实际工程中底层有限的几片砖墙还常常是按填充墙来考虑。这种结构形式大都出现在临街的住宅设计中,尤其近年来在房地产开发商所建的商品房中居多,这种结构形式的建筑在地震中的表现是非常脆弱的。所以,一旦有地震发生,其后果将十分严重。

  (3) 旧房改造设计中的超规范问题。某些过去设计建造的房屋在建设当时该地区的抗震设防烈度低于现行的设防烈度,或由于建筑时的材料所限,其抗震能力较差,已属于抗震加固对象,而某些设计单位未进行加固设计而进行了加层设计,有的加层设计还超过现行规范要求。在加层施工中原结构有不同程度的破坏,加层设计对该建筑的抗震性能来说无疑是雪上加霜。调查发现,导致超规范设计的主要原因有如下几方面:一是某些设计人员遵循规范的意识淡薄,对规范规定模糊不清、学习不够,甚至有些结构设计人员从来没有考虑过规范的要求。二是建筑设计的人员结构概念模糊,从建筑设计方案阶段造成结构设计是超规范的,而又片面地强调所谓的建筑形式等要求,使结构难以满足规范要求。三是某些建设单位由于从投资的限制、土地利用率等方面出发而提出不满足规范要求的结构形式,而设计部门为得到工程的设计任务故意违反规范规定,有的设计单位领导为了眼前的利益,迫使设计人员进行超规范设计；四是设计审查部门迁就建设单位的意图,使超规范设计在某些地方合法化甚至成为不成文的地方标准和习惯作法。笔者认为,设计规范作为国家制定的规程是指导建筑设计的纲领,作为建筑设计工作者,在任何时候都不应当违反。

        2、过分依赖计算机分析结果,忽视抗震概念和构造设计 在实际工程中,不同程度地存在着忽视抗震概念设计和构造设计的问题。

       例如：某6 度抗震区建筑,设计为六层带半地下室砖混住宅,上部结构布置均匀规整,但是上部作为主要承重和抗震墙体的内纵墙却没有基础,而是坐落于地下室的内横墙上,也就是说,上部六层墙体的线荷载,变为集中荷载传于地下室横墙上,这种结构的传力路线是最为不利的。再如:某六层砖混结构商品楼,下部三层为商业网点,上部三层为住宅,初看起来好象并无不妥,但是下部一层均为贯通整个进深的单间门市部,开间为3米～3.9米 ,实际上就是一层只有横墙而没有纵墙,这样的建筑其纵向的抗震能力很小,是不能够按砖混结构来设计的。虽然其层数及高度均不超规范,但是它的抗震性能是极差的,是不能满足抗震要求的。  建筑物抗震设计包括三部分内容,即概念设计、构造设计和结构计算。大家都知道,地震是一种复杂的自然现象,我们对建筑物的地震破坏机理还不十分清楚,对地震的破坏现象也只是停留在感性认识阶段,建筑物抗震计算的原理只是一种近似方法。所以,我们在进行建筑物抗震设计时,一定要遵循“抗规”提出的抗震设计原则和抗震设计构造要求，正确应用CAD 软件，提高建筑结构设计质量。例如底层框架结构上部的砖房的构造措施比多层砖房的构造措施要严格一些,要求构造柱的纵向钢筋不宜小于4Φ14 ,箍筋间距不宜大于200mm 等,不能按砖房的抗震措施来设计,也不能单凭计算结果来判断结构的可靠性,象上述的两个例子,结构的静力计算是没有问题的,而纵向抗震能力明显不足。

       3、对软件技术条件不清楚,导致计算和绘图结果错误 每一种计算理论都有它的假定条件,每一个软件的编制都符合特定的技术条件,我们熟悉的PKPM系列软件也不例外,如果没有很好地理解软件技术条件，便不能很好地利用软件来解决实际问题。一些对结构概念不很清楚的设计人员可能会过分地相信计算机而出现严重的设计错误。例如某六层砖混结构,其中第六层为大空间会议室,而且第六层沿纵墙外挑1200 mm。也就是说,第六层的屋面、墙体等荷载最终传于第五层的外挑梁上,而挑梁向内的平衡长度不够或挑梁上的平衡荷载不足,显然挑梁的抗倾覆能力不足。设计者认为:挑梁的计算数据是由PMCAD 软件生成的,其配筋是经过PK软件计算的,计算结果没有问题。其实,由于设计者对软件技术条件不明,在操作时有荷载漏项,导致计算结果错误。

        二、使用PKPM软件在设计中应注意的问题 1、结构平面辅助设计软件PMCAD 的应用 PMCAD 是PKPM系列软件的核心模块,是建筑与结构连接的接口软件,也是结构平面设计软件,在这个模块中建立的结构模型应力求准确,能够反应结构的实际情况。

  (1) 交互式结构模型的建立。结构模型中所有的构件均在此项操作中输入,应当注意的是:凡是结构布置形式及构件尺寸和荷载不同的结构层均应描述为不同的结构标准层,对于上下层柱变截面情况用构件相对于节点的偏心描述,注意在节点过密的时候墙体及梁布置的连续性。在布置过两个或更多的标准层后,不能使用图案编辑菜单对某一层或某一部分拖动或平移,因为所有的节点位置都是用相对于原点的位置描述的,拖动或平移会造成上下层节点错位。全楼的组装必须是自下而上的标准层组装,不能把后一个标准层组装于前一个标准层之前。填充墙不能作为墙体输入。在此输入的荷载值应是荷载标准值,不是设计值。

  (2) PK文件的生成。对于砖混结构,按连梁生成的墙梁的PK文件,在没有进行砖混抗震验算时梁上没有上部墙体及以上层楼板传来的荷载。底框砖房的底层框架梁不可以用生成连梁的方法生成PK文件,否则会引起框架上地震荷载的漏项,而用PK所画的梁施工图其节点构造不满足“抗规”要求。在此项操作中生成的连梁PK文件应打开修改支座情况,主要是依据实际情况修改梁与柱的铰接还是固接。在此菜单生成的框架PK文件应打开修改梁惯性矩增大系数和梁端弯矩调幅系数,否则PK软件按梁混凝土弹性工作配筋,使支座钢筋偏大而跨中钢筋偏小。 

        2、平面框排架计算及绘图软件PK的应用 PK是PKPM系列软件的重要组成部分,不但可以单独使用,而且还可以和SATWE、TAT等模块联合使用。

(1) 框架绘图。有时计算结果显示梁柱超筋时,往往能够通过绘图,但是要注意此时的绘图结果有时是错误的,其显示的配筋情况可能比计算小得多,必须修改计算数据文件后,梁柱计算都不超筋时其绘图结果才是可信的。另外,在修改钢筋操作中对梁钢筋进行了通长修改后,一定要对所形成的施工图进行检查,使显示结果与绘图结果一致。 

(2) 注意审查每一个柱的轴压比信息。PK软件对柱的超筋控制是以最大配筋率来控制的,有时虽然软件未显示柱的超筋信息,但并不能说明我们所选的柱截面是合适的。 

         3、独立基础及条形基础设计软件JCCAD 的应用

 (1) 对砖混结构而言,一般应在荷载组合中加入经PMCAD 软件进行砖混抗震计算后的荷载。

  (2) 对框架结构而言,一般应计入经PK软件计算的PK荷载,并在PK荷载中计入地震荷载组合,并经纵横两个方向的验算后确定基础选用的合理值,或计入经TAT、SATWE 计算的荷载组合。若只经PM恒、活荷载计算,则结果在地震区会明显偏小。

  (3) 对弹性地基梁及筏板基础的计算还应注意以下几个方面: ①应根据现场勘探情况利用软件对地基进行验算; ②应根据地基及设计情况不同选用适当的地基刚度系数; ③根据上部结构及场地情况,选取适当的基础形式和计算方法;④经过反复地试算,最后确定较为合适的梁截面和翼缘宽度。一般认为,如果我们确定了一种梁截面或翼缘厚度时,加大或减小其截面尺寸都会引起配筋量的增加,那就说明我们选定的这个截面是较为合适的。 

        三、结束语 在工程设计时,即从模型简化、荷载汇总、结构计算到施工图绘制的全过程中,我们应认真的考虑设计的每一环节,不仅保证计算模型的简化与工程实际相吻合,使计算假定与实际情况相一致,而且应注意设计软件的适用条件及其技术条件,正确的使用CAD 软件,保证计算结果准确；更要加强规范的学习,加强概念设计,保证结构满足各项构造措施的要求，使建筑结构能够承受可能出现的各种作用,保证结构具有良好的工作性能和耐久性能。