PKPM包络设计软件介绍

李守功 黄吉锋 夏绪勇 王晓军 张艳如 肖 丽 郭华锋 王雁昆

(建研科技股份有限公司设计软件事业部，北京 100013)

1 引言

PKPM系列设计软件功能强大、稳定可靠、使用方便，赢得了广大设计人员的信赖和喜爱，促进了建筑行业的发展和进步。PKPM作为建筑设计软件行业的引领者，不断追求创新，为工程设计人员提供更优质的服务。

PKPM用户做工程设计时经常会遇到以下几类问题:

1)计算模型难定

实际设计过程中，设计人员经常遇到一些工程，对计算模型如何简化(如多塔结构的分析模型，楼梯、楼板的模型，是否考虑地下室，关键构件的力学模型等)、计算参数如何取值(如地下室强制楼板刚性假定是否执行、土层水平力系数的比例系数等)、约束条件如何确定(约束为刚接、铰接还是弹簧，若是弹簧支座，刚度系数取多少)等等这些问题难以把握。通过对不同模型的结果取包络，才能做到安全、可靠。

2)复杂高层结构设计难

规范规定复杂高层结构需要两套以上软件做分析和设计，然而按哪个计算软件的结果，设计才是安全、可靠的呢?此时可进行包络设计。

3)结构性能设计太繁

规范规定结构的性能设计，即实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计目标。因此结构除了要满足小震条件下的指标要求，对某些构件还要满足中震不屈服、中震弹性、大震不屈服或大震弹性的性能指标要求。对此，同样需要做基于性能的包络设计。

总之，实际工程设计中很多时候都需要做包络设计，而用PKPM系列计算软件V1．3以下版本软件做包络设计效率低、可靠性差，开发PKPM包络设计软件变得极为必要和紧迫。

2 包络设计软件关键技术

包络设计软件是对多种模型完成分析和设计，并利用多种模型的结果生成包络数据，进而输出施工图，为此需要突破以下几项关键技术:

2．1 计算参数的快速输入技术

工程设计需要输入大量的计算参数。不同软件、不同结构(多塔结构、带不带楼梯计算、性能设计等)虽然有所区别，但其计算模型是相同或相近的，很多计算参数是共同的。自动成批输入计算参数，不仅能够保证输入参数的正确性，也能大大提高输入的速度。

2．2 计算模型的自动生成技术

包络设计是对多模型的结果取包络，包括多塔子模型、带楼梯子模型、性能设计子模型。如果能够实现多塔结构的自动拆分、带楼梯结构的自动分离、性能设计计算模型的自动建立，将显著提高设计效率，减少出错几率。

2．3 自动分析设计技术

在对多模型进行分析和设计时，需要实现自动检查、整理模型数据，自动生成接口数据，自动计算内力位移，自动设计配筋计算。

2．4 生成包络设计结果技术

分别从多个计算模型、多个计算软件的计算结果文件中提取数据，生成包络设计结果，是包络设计软件的核心技术。

2．5 包络设计结果显示技术

为便于直观地查看包络设计结果或及各个计算的结果，使设计人员快速了解计算模型的特性，需要提供结果的图形显示和文本文件。

2．6 包络设计结果的施工图技术

进行包络设计后，需要以施工图的形式展示包络设计结果，完成工程设计。

2．7 多模型的管理技术

多模型涉及到多种不同的类型，在模型的生成、删除、编辑、求解、后处理等环节也有不同的处理方式，如何进行有效地管理是一项关键技术。

3 包络设计软件实现方法

针对上面的关键技术，提出了相应的解决方案，编写了包络设计软件，程序菜单如图1所示。

图1 包络设计软件菜单

3．1 设置公共计算参数

将需要录入的大量工程计算参数，进行分类整理，形成公共的计算参数和个别软件独有的参数，参数分类列表见图2。设置好公共计算参数后，在软件自动生成多模型时，会将公共计算参数传递给每个模型，从而减少计算参数输入工作。

3．2 计算模型的自动形成

软件可自动生成三类子模型:多塔子模型、带楼梯的子模型、性能设计子模型，生成菜单见图3。

图2 公共计算参数菜单

1)多塔结构的自动拆分

程序首先根据结构的多塔定义，自动生成各个多塔子模型所包含的构件;然后用户可在此基础上，做一些补充定义，比如将裙房的构件添加到各个子模型中;最后程序会根据原模型的构件划分，生成多塔子模型，将数据文件放在工程目录下各自对应的文件里面。

2)带楼梯结构的自动生成

软件在运行时，首先建立楼梯目录，将工程数据库拷贝到该目录中;然后将楼梯转换成梁单元生成带楼梯结构的计算模型。

3)性能设计计算模型的自动建立

软件首先根据构件性能指标的定义情况，确定最终参与计算的性能设计子模型的数量和类型;然后建立各性能子模型的目录;最后将工程文件拷贝到相应目录，并自动设置各自的性能设计参数。

图3 子模型生成菜单

3．3 自动计算原理

包络设计会涉及到几个到十几个甚至更多的模型，需要对这些模型进行自动计算。软件首先交互指定参与计算的子模型，然后根据各自的计算软件，自动调用相应的程序，完成分析、设计和结果输出，如图4所示。

图4 多模型自动计算菜单

3．4 自动生成包络设计结果

软件首先要交互指定参与包络设计的子模型，然后从这些子模型的路径里根据计算软件找到设计结果，最后根据空间位置对应关系，对构件的结果按照一定的规则取最大值。

3．5 包络设计结果的显示

结果显示包含各个参与包络设计的子模型的结果，也包含包络设计的结果，软件可根据子模型的计算软件类别，调用相应软件提取结果，也能够查看包络的结果，如图5所示。

图5 包络设计结果显示菜单

3．6 包络设计结果的施工图实现

包络设计软件会生完整的设计结果，包括构件的几何信息、设计信息，调用施工图绘制程序，按照施工图绘制参数及规范绘制施工图。

3．7 多个计算模型的管理

多模型管理涉及到子模型的添加、删除、编辑、求解、结果提取等包络设计的整个过程。包络设计软件既可以将自动生成子模型的路径添加到目录中，也可手动添加、删除子模型(如图6所示)，还可以根据各个模型的计算软件调用相应程序完成编辑、求解和输出。

图6 多模型管理菜单

4 包络设计软件应用

4．1 多塔包络

本算例为一3塔框筒结构，如图7(a)所示，包络软件自动对整体模型进行拆分成3个多塔子模型，如图7(a)、(b)、(c)所示。

图7 多塔结构自动拆分

对以上4个模型自动进行计算，然后取包络，查看结果发现构件配筋和验算信息已取包络。比如第5层的某根柱(如图8圆圈所示)，结果如图9所示，单边配筋、斜截面抗剪箍筋、节点域抗剪箍筋均取了最大值。本算例说明包络设计软件不仅能够正确地自动拆分多塔子模型，也能够正确地做包络设计。

图8 某根柱的标识

图9 多塔包络结果

4．2 性能设计

本算例为一15层的框支结构，如图10所示，抗震设防烈度为7度。在公共参数定义中指定第一层左侧四根柱和梁的性能指标，如图11所示。

图10 某框支结构

图11 性能指标定义

包络软件会自动生成性能设计模型，经计算、取包络得性能设计结果，其中大震不屈服的结果如图12所示。从这些结果中可以得出，包络设计软件能够正确进行性能设计。

4．3 有无地下室包络

在进行结构设计时，带不带地下室做分析和设计往往对结果有一定的影响。本算例为一11层的框架结构，地下5层，如图13所示。

图12 柱、梁大震不屈服性能设计结果

图13 某带地下室框架结构

同时建立不含地下室的上部6层框架结构模型，并将该模型手动添加到多模型目录中，之后做包络设计，地上第一层的某些梁、柱构件的设计结果如图14所示。

图14 有无地下室包络设计结果

有无地下室的包络设计方法可做一定的推广，比如修改原模型的一些设计参数(结构体系类型、刚性楼板假定等)后作为一个子模型，手动添加到多模型目录中，再做包络设计。

4．4 多软件包络

对于一些复杂高层结构，规范规定需要两套软件分别做分析和设计，相互验证。PKPM包络设计软件可选择用SATWE和PMSAP做分析、设计，然后对结果取包络。现对图10的结构分别用SATWE和PMSAP做包络设计，结果如图15所示。可以看出，包络设计软件在处理这类问题时的正确性和高效性。

图15 多软件包络设计结果

5 结论

本文介绍了PKPM包络设计软件的基本情况和应用。除此之外，该软件通过了三百多个实际工程的测试验证。我们可以得出:

1)PKPM包络设计软件能够处理多种类型结构的包络设计，包括:①多塔结构的包络设计;②带楼梯结构的包络设计;③性能设计的包络设计;④多软件的包络设计;⑤手工指定多个计算模型的包络设计;

2)包络设计的结果是正确无误的;

3)包络设计软件具有高效、易用的特点。

［1］中国建筑科学研究院．SATWE多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件用户手册［M］，2010．

［2］中国建筑科学研究院．PMSAP复杂多、高层建筑结构分析与设计软件用户手册［M］，2010．

［3］软件质量保证，Daniel Galin著．

［4］高层建筑混凝土结构技术规程［M］，2010-10-21

［5］混凝土结构设计规范［M］，2010-8-18

［6］建筑抗震设计规范［M］，2010-5-31

［7］建筑地基基础设计规范［M］，2011-7-26

［8］建筑结构荷载规范［M］，2012-5-28

［9］结构力学教程，龙驭球、包世华

［10］钢结构设计规范［M］，2003-4-25