125-张欣、夏绪勇等-应用PKPM进行空间结构设计

应用PKPM进行空间结构设计

张欣1 1.前言，夏绪勇，黄吉锋

(中国建筑科学研究院，北京 100013)

摘要：体育场馆、会展中心、剧院等建筑结构常采用大跨空间钢屋盖结构支撑于下部钢筋混凝土结构上构成，这类整体结构形式往往比较复杂，采用传统的层模型无法达到其设计要求，需要采用空间结构建模，考虑上下部共同作用总装分析。本文在对PKPM的空间建模模块SpasCAD、复杂结构分析软件PMSAP系统介绍的基础，提供了PKPM针对这类空间结构便捷而全面的设计手段，并对其中若干需要注意的问题加以详细阐述。

关键词：空间结构；总装分析；SpasCAD；PMSAP

实际工程中，除了常规的标准层模型结构外，还有一些上部大跨空间钢结构支承于下部钢筋混凝土结构来构成，如体育场馆、会展中心、剧院等建筑。空间结构往往比较复杂，采用传统的层模型无法达到其设计要求，需要采用空间结构建模，考虑上下部共同作用总装分析。应用PKPM的空间建模模块SpasCAD 与PMSAP分析程序可以进行这类空间结构建模、分析与设计。

SpasCAD是三维空间建模软件，其底层数据结构以具有X、Y、Z三个坐标的节点及空间网格，作为最基础的描述数据，杆件、墙板、荷载等信息都在此基础上建立。和PMCAD不同，SpasCAD中没有平面网格及标准层概念，也没有楼层组装，所有操作都是针对自然层模型。

图1 三维空间建模体系的SpasCAD

正因为此特点，杆件的布置不再受到平面网格的限制，而且楼层关系直接通过自然层表现，连接关系更直观。通过空间网格定位，布置出更为复杂灵活的空间模型，如体育场馆，工业通廊栈桥等。

这类结构形式一般都比较复杂，如经常会采用上部空间桁架，下部框架看台的形式，平面立面都不规则；上部钢结构桁架竖向振动,温度应力的释放，非比例阻尼，支座的设置等；特殊荷载的施加及设计组

1作者简介：张欣，1977.1出生，男，硕士，工程师

合；斜墙斜板的分析设计等，PMSAP对这类结构形式有着很强的分析及设计能力。

图2 钢结构网架的竖向振动

2.SpasCAD灵活的建模方式

2.1 PMCAD/SATWE的导入导出

分析表明，对于规则结构部分用PMCAD建模，并导入到SPASCAD进行深入的整体设计的需求量大，功能使用率高。为此直接利用SATWE生成模型核心模块并采用统一处理流程，并更全面读取设计参数，保证处理方式最大的一致性[3]。

图3 PMCAD/SATWE模型导入到SpasCAD

同时v2.2新版程序中，增加了导出到PMCAD的功能。处理复杂外立面的情况，SPASCAD在三维状态下有着更高的建模效率，联合PMCAD的优势，实现双向模型互通，达到事半功倍的效率。

图4 SpasCAD规则结构部分导出到PMCAD

2.2 dxf导入及子结构拼装

对于组合结构，下部砼部分可以在PMCAD建模导入，上部网架桁架部分可以通过dxf文件导入，因为dxf的通用性，可以和各种软件实现衔接。在读入dxf时同时读入其图层并导入选择集，对于布置杆件、荷载等十分方便。子结构拼装则完成两部分的衔接，既可以对两个结构部分独立分析，也能完成整体分析设计。

图5 复杂桁架/网架的dxf带图层导入及子结构拼装

2.3 模型自动检查功能

通过大量工程的分析表明，在混合结构和复杂异形结构设计中，查找发现错误往往是困难的。建立复杂模型本身和正确处理其中连接关系具有同样的重要性。为了解决复杂结构模型中的建模错误难以发现、难以查改的问题，针对实际工程中容易出现的问题，模型检查提供了节点间距检查、短构件检查、重合网格检查、悬臂构件检查、异形墙板检查、重合墙板检查、简单机构检查、模拟施工３(构件级)定义检查、荷载有效性检查等。如在SpasCAD中，节点网格是最基本数据，而构件则依据网格布置，如果节点间距过近往往说明构件相互关系不合理，具体检查数值中，50mm是节点归并的距离，如果节点间距小于此值则需要检查节点的布置是否出现错误。此外500mm内间距也是容易出现错误的地方，例如PMSAP对于在截面范围内碰撞的构件做了强制协调，会导致振型周期内力都会出现问题。所以程序推荐了50mm和500mm各检查一次[2]。

图6 模型检查功能

3.PMSAP特色功能

3.1 通用支座的运用

体育场馆上部钢桁架往往有比较大的温度应力，而最终的设计也常由温度应力来控制。与下部混凝土看台连接部位一般需要设置滑动阻尼支座来释放此部分应力。SpasCAD中可以设置通用支座来计算这种连接单元。通用支座可以设置局部系方向上的刚度及阻尼系数，将x，y向的刚度设为0即可模拟滑动支座的工作状态[1]。

图7 通用支座

铅芯橡胶支座的阻尼系数C=K*T*ξ*1/π，其中K:支座等效刚度; T:支座基本周期; ξ:支座等效阻尼比;

3.2 斜墙板分析及设计

在场馆设计中，由于造型的需要经常会出现斜墙斜板斜柱。斜墙的受力特性和普通墙是有很大区别的，为此SpasCAD接力PMSAP计算中，对斜墙做了特殊处理，首先将计算单元设置自动转为弹性板6，对于开洞的斜墙还要自动按洞口的位置，将墙划分为几块弹性板来计算，这种单元的分析精度是非常高的。在设计阶段对斜墙按应力进行配筋。

图8 斜墙分析

对于斜板，PMSAP可以对弹性板进行配筋设计，在SPASCAD中可以在板上施加荷载并可以选择按有限元方式导荷，传递到PMSAP中按实际情况进行受力分析。

3.3 自定义工况及组合

图9 自定义组合

除了程序提供的工况类型以外，体育场馆中会碰到需要添加一些特殊类型荷载的情况。SpasCAD可以增加自定义工况，并根据需要布置荷载。对于自定义组合，程序根据设计参数的不同，会自动增加参数工况的组合选项。对于需要屈曲分析的工程，可以增加屈曲组合，用“BUCKLING”识别。针对复杂工程荷载类型和组合项目繁多的情况，还特别设计了EXCEL方式导入荷载定义和组合定义。

3.4 多向风处理

复杂体型的风荷载布置和分析始终是个难点也是热点问题。SPASCAD&PMSAP分多个层次提供了解决方法。

图10 复杂体型结构的风处理

首先，程序提供了简便的自动计算风荷载的方法。通过填写参数，如基本风压，分段体型系数等，程序自动搜索建筑物外轮廓，并完成风荷载的计算。对于体型复杂的屋盖部分，也可以由程序自动搜索屋顶挡风面并完成屋面风的计算。

图11 填写参数的方式计算风荷载

进一步，对于下部结构比较规则，而上部复杂体型部分精确输入风荷载的结构，可以采用参数风与手工风叠加的方式，更精确的输入屋面等体系复杂处的风荷载，同时保持规则结构部分输入的简便性。

而对于结构不对称，正反向风不能简单组合反号处理，异型结构需要对多个方向的风进行计算等情况，提供了多向风输入风荷载标准值的方法，来准确计算风对结构的影响。可以对每个风工况下复杂体型结构部分单独定义风荷载，同时仍可以对每向风自动计算规则结构部分的风荷载，并将两部分叠加计算。

图12 多向风的计算

新版程序在输入风荷载标准值的基础上，进一步提供了输入各风工况体型系数的功能，简化的风荷载

的输入。在挡风面定义体型系数，程序根据设计参数中定义的基本风压，结构最底部距离(风压高度变化系数用)，风振等自动完成风荷载的计算，并和手工风、自动风叠加。

图13 体型系数方式定义挡风面风荷载

4.典型工程简介

国家体育场看台结构设计：

国家体育场（“鸟巢”）位于北京奥林匹克公园中心区南部，建筑面积25.8万平方米,占地面积20.4万平方米，容纳观众座席91，000个，其中固定座席约80，000个。国家体育场工程为特级体育建筑，主体结构设计使用年限 100 年，主体建筑为南北长333米、东西宽296米的椭圆型，最高处高69米。国家体育场2003年12月24日开工建设，2008年6月28日落成。

图14 “鸟巢”钢筋混凝土看台局部

国家体育场座落在由地面缓缓坡起的基座平台上，观众可由奥林匹克公园沿基座平台到达体育场。基座北侧为下沉式的热身场地，通过运动员通道与主场内的比赛场地连通。国家体育场复杂的附属部分和赛后商业等安排在升起的地面之下，使不同人群进入的方式更加合理，同时保持了主体建筑外观的清晰、纯粹和完整。体育场基座以上部分共七层，设有观众服务设施、媒体工作区和贵宾接待区等。基座以下部分共三层，设有零层内部环路、停车场和大量功能用房。碗型看台分为上、中、下三层，并在中、下层看台

之间设置包厢及其座位区。

北京奥运会期间，国家体育场作为主会场，承担了开闭幕式、田径赛事和足球决赛。

国家体育场结构设计由中国建筑设计研究院完成，采用SPASCAD空间建模，并用PMSAP分析设计，是体育馆看台钢筋混凝土结构设计选择的主要软件之一。

参考文献

[1] PMSAP复杂多、高层建筑结构分析与设计软件用户手册

[2] SPASCAD空间结构建模软件用户手册

[3]PMCAD结构平面CAD软件用户手册