PKPM电算软件的教学研究

郭培成

(厦门大学嘉庚学院, 福建漳州363105)

PKPM电算软件的教学研究

郭培成

(厦门大学嘉庚学院, 福建漳州363105)

文章对PKPM电算软件的教学方法作了探讨。通过对PKPM电算软件的讲解,使学生掌握如何应用；结合课堂上对不同的结构案例进行分析计算，加强学生对本课程的理解。另外，逐步引导学生积极查阅规范，对设计过程中出现的问题进行分析，从而培养解决问题的能力和思维。

PKPM电算软件； 参数； 结构； 设计

20世纪90年代中后期，随着国民经济的综合提高，城市人口的急剧增加，住房需求越来越大，因此房地产行业发展也加快了脚步,结构工程师和建筑工程师依靠单纯的手绘图纸或平面计算软件处理分析建筑结构已经无法满足发展的需求。因此计算机辅助设计开始应用建筑业中，给工程师们带来了巨大的便利，尤其PKPM系列软件的出现，给结构工程师设计带来了革命性的改变。2000年后，为了与社会接轨，大部分高校也陆续开设了相关课程《PKPM电算软件》。该课程是土木工程专业本科生的一门专业课，具有实践性、综合性的特点，一般在四年级上学期开设，目的在于培养学生综合应用所学的知识解决实际专业问题的实践能力。

1 PKPM软件介绍

PKPM是一个系列，除了建筑、结构、设备(给排水、采暖、通风空调、电气)设计于一体的集成化CAD系统以外，目前PKPM还有建筑概预算系列、施工系列软件等[1]。本文主要针对结构部分进行应用和教学研究。PKPM在教学过程中，主要分为三部分讲解。第一，如何将建筑图纸反映在结构模型中；第二，各个结构参数如何定义和选择；第三，查看计算结果，针对结构出现的问题进行处理和修改。图1所示是两个结构设计的菜单板块，里面涉及到较多的专业概念，这也是学生们比较难理解和接受的环节。

2 教学过程中发现的问题

图1 PKPM结构参数设置信息

学生们在进行PKPM设计之前，要求看懂建筑施工图，并且能够想到结构构件如何布置，以及构件的初步尺寸应该怎么选择。这方面内容需要结合专业课程或规范去理解。如框架梁截面高度可按计算跨度的1/10～1/18初定，梁净跨与截面高度之比不宜小于4，梁的截面宽度不宜小于梁截面高度的1/4，也不宜小于200 mm；框架柱矩形截面柱的边长，抗震设计时，四级不宜小于300 mm，一、二、三级时不宜小于400 mm；剪力墙结构一、二级剪力墙，底部加强部位不应小于200 mm，其他部位不应小于160 mm；一字形独立剪力墙底部加强部位不应小于220 mm，其他部位不应小于180 mm；三、四级剪力墙，不应小于160 mm，一字形独立剪力墙的底部加强部位尚不应小于180 mm[2-3]。这方面内容在相关课程中接触过，但是学生在正真应用过程中就无从下手，不知道如何选择截面尺寸，往往选择有时很大，有时又很小，缺少专业概念的理解和合理的判断，这就造成学习过程中比较吃力。因此，结构设计软件重要环节不是操作，而是对专业知识的概念要掌握清楚。

3 如何让学生理解软件中的参数

下面通过PKPM中的各个菜单结合现行规范进行讲解，让学生在定义该参数时，加深对专业知识的理解，同时在讲解过程中也会解释原因及如何查阅相应规范或规程，以便学生自己课后复习。该部分涉及的参数较多，为了更好地加强理解，应对相关专业课程再次复习。

3.1 坐标与水平力作用方向的夹角信息

因为在设计结构参考坐标系建立以后，该结构的主轴确定，求得的地震力、风力是沿着坐标轴方向作用的。若作用方向的角度与主轴的夹角小于15°按软件默认0°考虑；若大于15°，需要将该角度输入到该菜单，重新计算内力。这方面专业内容在建筑抗震设计规范和高层建筑混凝土结构技术规程里面都有阐述。

3.2 混凝土重度

一般框架结构该参数为25.5 kN/m3，框架-剪力墙结构为26 kN/m3，剪力墙结构为26.5～27 kN/m3，原因是混凝土重度一般为25 kN/m3左右。但在设计过程中，各个受力构件周边都有抹灰；另外建筑物设计越高，混凝土等级越高，密实度越高，重度相应越大。通常剪力墙设计高度大于框架-剪力墙结构，框架结构一般最低。

3.3 恒活荷载计算信息

本信息栏主要是如何正确选择一次加载、施工模拟荷载(1、2、3)。一次加载是将竖向恒载一次加上；施工模拟荷载1主要考虑的是分层加荷、逐层找平等因素的影响；而施工模拟荷载2是将竖向构件(柱、墙)的刚度放大10倍后再做施工模拟荷载。因此，选择一次加载计算会带来轴向变形较大的计算误差。选择施工模拟荷载1、2、3时计算出传给基础的力较为均匀合理，可以避免墙轴力远大于柱轴力的不合理情形。一般框架结构选择施工模拟荷载1，框架-剪力墙结构选择施工模拟荷载2，剪力墙结构选择施工模拟荷载3。

3.4 对所有楼层强制采用刚性楼板假定

一般在设计中，进行结构自振周期或振型、位移比、位移角计算需要考虑刚性楼板假定；而进行结构构件及整体(如轴压比、梁柱墙配筋、稳定性、整齐抗倾覆验算、侧向刚度、楼层受剪承载力等)方面不需要考虑刚性楼板假定。

3.5 结构规则性判断

结构不规则包括平面不规则和竖向不规则。平面不规则主要有扭转不规则、凹凸不规则、楼板局部不连续；竖向不规则主要有侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续、楼层受剪承载力突变。具体判断标准详见规范[2-3]。

3.6 设计地震分组、场地类别、地震设防烈度、抗震等级

设计地震分组和地震设防烈度可以查阅规范[3]，场地类别由地质勘查资料决定，一般分为四类；抗震等级由设防烈度、结构高度、结构体系、建筑物设防标准等决定，可查阅规范[2-3]。

3.7 偶然偏心和双向地震

一般计算单向地震作用时应考虑偶然偏心的影响，不需要考虑双向地震；当质量与刚度分布明显不对称的结构(如位移比大于1.4，复杂高层建筑、水平竖向多项指标不满足要求)，应计算双向水平地震作用下的扭转影响，此时不需要考虑偶然偏心。两个参数都属于不利状态，不需要同时考虑，这样会导致过多的保守设计，给工程造价带来不利。

3.8 振型个数和周期折减

振型个数选择一般不少于9个(一般为3的整数倍)，同时不宜小于楼层数，同时满足有效质量参与系数大于90 %。如24层结构，振型个数选24、27、30及以上等都可以，但考虑到计算速度，只要满足有效质量参与系数大于90 %即可。周期折减针对不同体系采取不同修正(框架折减系数0.6～0.7，框剪-剪力墙0.7～0.8，剪力墙0.8～1.0)，折减的主要原因是PKPM结构模型仅能表示受力构件，填充墙非受力构件不能出现在模型中，但填充墙在实际工程中对结构整体刚度有贡献，这样会导致结构实际刚度较模型中刚度变大，刚度大则周期小，所以需要对PKPM的计算周期进行折减，不折减会导致计算周期比实际周期变大，从而导致计算地震作用变小。

3.9 梁端负弯矩调幅系数

这部分内容在《高层建筑结构设计》课教授过，这里面首先要明白何种梁的梁端(框架梁端还是非框架梁端)，其次为何进行负端调幅而不是跨中，最后在什么荷载作用下计算调幅等，弄清楚这些，再来处理参数如何设计就轻松多了。

3.10 剪重比

剪重比是反映地震作用大小的重要指标，它可以由“有效质量系数”来控制，当“有效质量系数”大于90 %时，可以认为地震作用满足规范要求。此时，再考察结构的剪重比是否合适，否则应修改结构布置、增加结构刚度，使计算的剪重比能自然满足规范要求。有效质量系数与振型个数有关，如果有效质量系数不满足90 %，则可以通过增加振型数来满足。具体公式详见建筑抗震设计规范5.2.5，该指标是结构设计中的重要指标，通常建筑物的重力代表值越大，则地震剪力越大，因此该项指标不满足代表剪力过小，不能真实的反应结构受力状态。

3.11 转换层所在位置

建筑物某层的上部与下部因平面使用功能不同，该楼层上部与下部采用不同结构类型，并通过该楼层进行结构转换，则该楼层称为结构转换层。转换层的结构形式可采用梁式、桁架式、空腹桁架式、箱形和板式转换层。结构转换层可分为三类：(1)上层和下层结构类型转换。多用于剪力墙结构和框架-剪力墙结构，它将上部剪力墙转换为下部的框架，以创造一个较大的内部自由空间，该形式应用比较多。(2)上、下层的柱网、轴线改变。转换层上、下的结构形式没有改变，但是通过转换层使下层柱的柱距扩大，形成大柱网，该结构很少使用，因为框架柱抗侧刚度太小。(3)同时转换结构形式和结构轴线布置，柱网轴线与上部楼层的轴线错开，形成上下结构不对齐的布置。该形式上、下刚度差异太大，不利于抗震，不经济受力也不合理。

4 分析结果及处理结果信息中部分问题

通过几个框架和剪力墙结构的建筑施工图完成结构设 计，针对出现的不同问题进行不同的讲解和处理，下面针对设计中出现的问题逐个介绍。(1)框架结构设计中，框架梁纵筋配筋率过大如何解决，主要清楚配筋率过大由于荷载过大或截面过小所致，这样学生大致明白方向从而进行改善；(2)框架梁受剪出现问题如何解决，它比受弯更复杂。在上课过程中有一个案列，如横向三跨，依次为6m、3m、6m，中间3m跨出现受剪问题，通常学生会加大截面高度，但从概念出发首先应加大梁宽，其次改变混凝土等级或标号，最后改变梁高，这样学生就明白了，不会盲目加大梁高，有时反而要减小(如剪力墙结构中连梁受剪超筋，往往因为连梁刚度太大，导致剪力分配较多，此时应减小梁高更有效)；(3)在练习中还遇到框架梁受压区高度过大不满足规范规定值。此时讲解了概念，学生明白了原因，应该确定加大梁高度更有效，其它的方法效果不明显；(4)在练习剪力墙一个案例时，某层最大位移比1.32，让学生去查阅资料，从中发现原因是什么以及如何处理。此时不是盲目加大全层墙、梁截面，而是从短向外围加大，弱化内部，加强结构外强内弱，可以改善外部抗扭转刚度，从而将位移比调整到了1.21，基本满足工程需要。

5 结束语

第一，加强规范和专业相关课程的学习，加强概念理解，学会布置承重构件的位置及大致的截面尺寸；第二，不要过分依赖计算程序，应以力学概念为基础，对结构计算结果的合理性进行判断；第三，对于结构出现的各种超筋、位移比、轴压比、位移角等问题，从概念出发分析其原因，进行归类集中处理；第四，结构设计不是科学，目前还是门艺术，需要不断去分析比较，从中找出解决问题的方法。

[1] 张宇鑫，刘海成，张星源. PKPM结构设计应用[M]. 2版.上海： 同济大学出版社，2010.

[2] 中华人民社共和国国家标准.JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].中国建筑工业出版社, 2011.

[3] 中华人民社共和国国家标准. GB 50011-2010(2016年版)建筑抗震设计规范[S].中国建筑工业出版社, 2016.

郭培成(1978～)，男，硕士研究生，讲师, 从事土木工程专业教学。

TU311.41

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[定稿日期]2017-05-22