对于坡屋面PKPM建模的探讨与分析

徐马俊

【摘要】在结构设计中，坡屋面建模一直是大家关注的问题，也是PKPM建模中的一大难点。能否使软件建立的坡屋面模型更接近建筑实物，计算更加具体真实，也是大家最关心的问题。PKPM建模中，我们有时将坡屋面简化为平屋面进行分析，如果坡屋面处设有一层水平板时，以坡屋面的平均高度作为层高建立一个标准层 ，当坡屋面没有水平板时候，按下层楼面至屋面的平均高度作为层高建立标准层 ，这种方法虽然简捷，但它不能反映结构的真实状态，所以我们常常把计算结果放大，放大到太保守的程度，很不经济。本人认为在PKPM建模允许的情况下，应尽量使模型接近实物才能使软件更准确的接近实际计算。

【关键词】结构设计;坡屋面;PKPM建模

随着我国城市建设的快速发展和人们生活需求的提高，坡屋面结构体系以其外形美观、立面造型丰富、抗渗漏、不易积水等优点，受到越来越多人的青睐。它不仅广泛应用于别墅、写字楼等民用建筑，厂房等工业建筑，许多高层住宅建筑楼顶也从原来的平屋顶变成了一顶漂亮的帽子。把它戴在楼顶可以算是一道美丽的风景，安全地站在城市的每一个角落。

1、坡屋面结构设计方案

坡屋面一般有两种结构布置方式：

一种是顶部直接做成斜板 ，当然这层斜板也同时起到屋面板的作用，斜板下可以做梁;也可以不做梁，直接做整体板壳结构。

另一种是做两层板，一层水平板，一层则按屋面造型来做，即存在俗称的“闷层”。

这两种方式都可以在结构跨度比较大的时候设置水平梁来抵消斜屋面产生的水平推力，然后采用梁托小柱的方法支撑倾斜部分。

2、建筑结构布置分析

下面比较一下这两种结构布置形式：

第一种不做“闷层”时，屋顶层对于空间的利用有较大的好处，实际上就是直接的提高了屋顶层的层高，特别是建设单位有特殊要求时可以采用，这种形式还可分为有折梁屋面和无折梁屋面。其中若建成有折梁屋面，则应注意屋面折梁的梁高取值，梁高应取其有效高度，折梁高度按计算跨度确定;若建成无折梁屋面，则考虑屋面为一弹性板，这时在PKPM的SATWE计算时应将整个屋面定义为弹性板6，并在参数设置时勾选“楼板按有限元方式设计（仅对弹性板3或6有效）”，这时程序自动按照有限元板壳进行分割计算，应注意的是无折梁屋面的板厚在考虑计算跨度的情况下应取厚一点。在荷载取值方面，板恒载应按照平屋面取值，板活载应考虑坡屋面的坡度后将荷载换算后布置。

第二种做“闷层”时，屋顶层就有两块板形成，水平板一层应和平屋面一样建成梁板柱的框架结构，屋面造型一层既可以做有折梁也可以做无折梁，需设计人员按照实际情况确定，屋面造型一层的两种做法与第一种形式类似。

PKPM中对于建斜梁斜板通常用“上节点高”命令来实现，本人具体的操作是：首先，坡屋面要降节点高来建才不会出问题，如果用PKPM升节点高建模，则有可能会出现整楼模型显示时构件连接错误。即最高点为0，其余点都为负数，最低点为坡屋面负高，活荷载需要经过换算后加载在坡屋面上。上节点高方法先用轴线画出坡屋面的投影线，布上100*100的虚梁，确定一个坡屋面最高点，用上节点高输入坡屋面最高高度，在最高的虚梁上所有点都是最高点，再用“上节点高”中的“先指定三个点确定一个平面（三点确定一个平面即三点共面），然后选择要将上节点高调整到该平面上的节点”命令选择一个面三个点（这三个点中必定要有最高点和最低点），再把这个投影平面上的所有的节点都点一下上升到其相应的高度形成一个坡平面，将所有的坡平面连为一体后即形成了坡屋面。

对于坡屋面这种斜坡结构，其上层斜板与下层楼板平面常相交，造成端部重合，上层斜板与下层楼板在相接部位共用一根梁。PKPM结构模型输入过程中，一般应分层建模。虽然上层斜板与下层楼板在相接部位共用一根梁，但该梁在每一层的同一位置都要输入，该梁也称为封口梁。因为没有封口梁则该处不能形成房间，不能生成楼板，也不能输入和导算该房间上的恒活荷载。对于封口梁模型，转为计算模型后，空间上位置重合的两条网格线会被归并成为一条，两根封口梁也随之被归并为一根梁，程序处理的一般原则是保留下层梁的属性，从上层模型中删除封口梁信息，并将上层封口梁的荷载叠加至下层梁上。

另外在坡屋面计算的整体指标中刚度比和位移比常常会超限，在做无折梁屋面时，定义为弹性板6后，不需要考虑刚度比超限，在薄弱层定义中应定义超限的楼层为薄弱层，薄弱层放大系数高层取1.25，多层取1.15。由于定义了弹性板6，坡屋面板不受全楼刚性楼板假定控制，所以再控制位移比没有意义。而且设为弹性板6后，由于考虑了板的面内刚度，会导致层间位移比有可能出现大于2的情况，这时应在SATWE层塔属性中选择不输出坡屋面的位移比。

3、建立坡屋面结构设计的要点分析

綜上所述，本人认为坡屋面PKPM建模中重点应归纳为如下几条：

（1）坡屋面受力复杂，斜梁的受力情况类似于连续梁，屋脊对板起到支撑的作用;同时，斜板搭在斜梁上，斜梁对斜板起到强支座作用，即斜板加入整体计算后对内力进行分担，这与普通平板受力形式有很大区别，所以绝对不能用平屋面建模来代替坡屋面建模。坡屋顶一般由承重结构和屋面两部组成，坡屋顶还应考虑隔热和通风等问题。但斜屋面的造型复杂、屋面线条多、标高种类多，对于跨度比较大的屋面折梁，由于水平推力比较大，柱的弯矩也会加大，最好设置水平拉梁，由拉梁来承担水平推力，以减少柱的弯矩。

（2）PKPM在计算过程中，把斜板自动简化为弹性膜，与位移比计算要求不符，故对其进行位移比控制没有意义。选择不输出坡屋面层的位移比。

（3）坡屋面斜板在计算过程中，其平面内的刚度被分解为坐标系下x、y两个方向分量，从而导致框架结构坡屋面层侧向刚度突变。故定义为薄弱层后无需考虑刚度比超限。

（4）PKPM建模坡屋面时，切记用降节点高来建斜梁斜板，如用升节点高很可能会出错。

结语：

在PKPM坡屋面的建模，正确运用设计软件进行结构设计计算，可以妥善修理某些问题，并对传统建筑结构设计进行改善，在安全性、实用性、经济性和可靠性得以提高，把概念设计应用到建筑结构设计的实践中。对于坡屋面的构造及设计细节问题，特别是及结构的整体性及抗震要求更高，需要设计人员搞好这部分的设计，严格遵守有关规范和要求，同时坡屋面选取合理，才不会影响屋顶的防水效果。因此，对坡屋面结构进行准确分析是非常重要的。

参考文献：

[1]刘洧骥.结合PKPM探讨如何合理的配置剪力墙边缘构件纵筋[J].四川水泥，2016（10）.

[2]张伟杰.基于PKPM程序的框架-剪力墙结构设计[J].低温建筑技术，2017（01）.

[3]高利琼.基于PKPM模型的既有居住建筑节能改造应用[J].山西建筑，2016（36）.