摘要 针对CAD 设计软件使用过程中出现的问题,结合PKPM系列微机建筑结构CAD 系统软件的应用,指出了建筑结构设计中存在的问题,分析了产生问题的原因,提出了今后设计中应注意的问题。
关键词CAD 底层框架 抗震设计 概念设计
随着计算机硬件技术的发展和建筑结构分析理论的日臻完善,计算机辅助设计(CAD) 系统在建筑设计领域得到越来越广泛的应用。尤其是近年来高层建筑结构分析理论的逐步成熟,极大地推动了我国高层建筑的发展。
在众多的结构分析软件中,平面框排架计算与绘图软件PK既是独立的计算和绘图软件,又作为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。其它如结构平面计算机辅助设计PMCAD、剪力墙结构计算机辅助设计JLQ ,以薄壁杆件理论为基础的高层建筑结构三维分析程序TAT,以及以墙元理论为基础的高精度空间有限元分析程序SATWE等。我们经过近十年的实践应用,中国建筑科学研究院PKPMCAD 工程部开发的PKPM系列微机建筑工程CAD 系统,是一套比较优秀的建筑设计软件,而且涉及的内容比较全面,它是集建筑APM) 、结构、设备(水WPM、暖HPM、电EPM、空调CPM) ,概预算(STAT) 和施工于一体的大型CAD 设计系统,各个模块之间既可进行数据转换、接口,又可单独使用。其中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JC2CAD 等可组成一个高效率的结构分析、计算及绘图系统。下面主要介绍这些结构软件使用过程中容易出现的问题及设计时应注意的事项。1 设计中存在的问题我们在设计中及与其它设计单位交往的过程中发现,虽然采用了CAD ,但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。究其原因是由于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能力,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;或由于软件技术条件认识不清而导致错误的计算结果。为此,本文就近几年来发现的这些问题及其原因,结合PKPM软件的应用作一些简单的分析,以便提高建筑结构的设计质量。111 超规范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》(GBJ11289) (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8 层带半地下室砖混住宅。严格地讲,按“抗规”第51112 条规定,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,8 层带半地下室建筑的实际层数应为9 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8 层。并有1 托7、2 托6、甚至3 托5 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,其后果将是十分严重的。(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。112 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:某6 度抗震区建筑,设计为6 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6 层墙体的线荷载,变为集中荷载(点) 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6 层砖混结构商品楼,下部3 层为商业网点,上部3 层为住宅,初看起来好象并无不妥,但是下部1 层均为贯通整个进深的单间门市部,开间为3 000～3 900 mm ,实际上就是1 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。其设计者认为按砖混结构设计,层数及高度均不超规范,结构是可行的。殊不知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。众所周知,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来正确应用CAD 软件提高建筑结构设计质量进行设计,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414 ,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。113 对软件技术条件不清,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。6 层砖混结构,其中第6 层为大空间会议室,而且第6 层沿纵墙外挑1200 mm。也就是说,第6 层的屋面、墙体等荷载最终传于5层的外跳梁上,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。