智能设计案例 PKPM-AID在某框架结构中的应用研究

摘要：PKPM-AID2.0智能设计模块，解决了结构设计行业依赖人工经验导致的效率低下问题。本文以7层框架结构工程为例，测试了AID2.0在截面优选、指标控制、造价控制中的应用。初始模型分析显示，次梁配筋率偏低，存在调整空间。通过五种方案对比，实现了显著效果：方案五降低全楼造价约10%。尽管方案五出现位移比超限，但通过使用AID 2.0新功能，同时进行截面优选与指标控制，快速将位移比修正至规范限值内。结论表明，PKPM-AID2.0提升了设计效率与质量，力度随备选截面范围扩大而增强，建议在方案阶段应用以实现最大的效益。PKPM-AID2.0相比1.0功能也更强大。

01 行业背景

PKPM完成结构三维计算程序开发已有20多年，在这20多年里，结构设计行业严重依赖设计师的经验，拍截面，不断试算调整结构指标，严重拉低了设计效率，和甲方的要求严重不符，和其它行业的差距越拉越大，急需一场变革。

PKPM在完成API的基础上，与ARUP（奥雅纳）合作开发的智能辅助设计模块AID，可以很好的解决上述问题，此外，随着设计效率的提高，设计师有更多的时间来思考结构方案，而不是迷失在重复调模型的过程中。

本文通过一个实际工程，测试了PKPM-AID在优选截面，控制造价方面的操作与实际效果。

图1-1

02工程概况

图2-1

表2-1

各楼层梁设计结果，主梁配筋率主要分布在1.2%以上区间，次梁配筋率主要分布在1.2%以下区间，除楼层中局部短梁出现剪扭验算超限外，无其余梁构件设计超限，如下图以第2层配筋简图为例，筛选出配筋率大于1.1%的梁分布情况。

图2-2

柱设计以构造配筋率为主，底部楼层少量柱的轴压比接近规范限值，如下图所示。

图2-3

03截面优选

结构指标汇总显示无整体指标超限。从构件设计结果初步判断，该结构各层梁的配筋率不高，尤其是次梁，还可考虑进一步减小截面，节约造价，增加使用层高。

综上，采用智能截面优选模块对梁截面进行优选，分别按照五种优选目标方案进行，对优选结果进行对比。由于操作都类似，在这里仅详细介绍第一种方案的操作。

表3-1

方案1：

各楼层次梁主要采用250mm*550mm截面，将其作为截面优选对象，在平面内只划分为一个组：次梁。立面上，每一层作为一个区，第七层为小屋面及构架，不作处理。以第2层平面为例，如下图。

图3-1

图3-2

通过【增加】命令，创建六个设计组，每一层的次梁对应一个设计组，分别将各层截面为250mm*550mm的次梁添加至相应的设计组内，各设计组对应构件如下所示。

图3-3

同属于一个设计组内的所有构件，采用同一种优选方式，共用一套备选截面库。因此，每个已创建设计组均需要创建一套备选截面库，可通过【增加】或【批量增加】创建，前者等同于新建截面，后者按照截面尺寸范围、控制条件和模数自动批量创建。

图3-4

图3-5

本工程中次梁配筋率多分布在1.1%以下，还可考虑进一步提高配筋率，减小梁高，提高使用空间，同时关注设计组的材料用量情况。因此创建设计组的备选截面可有规律的逐步减小截面尺寸，每个设计组的优选截面库相同，如下图。

图3-6

各设计组及备选截面创建成功以后，需要确定优选的目标及相应的约束条件，以实现在设定的约束条件内达到最优目标。

本算例优选目标为造价最低。约束条件分别为：次梁高小于主梁高、梁高不高于初始梁高等，具体如下图。

图3-7

本工程经智能截面优选后，被优选的构件造价从22.3万元，降低为19.5万元，优化比例为12.6%，由于仅优化了主要次梁，次梁占结构总质量比例较小，全楼总造价仅降低1.4%。计算后整体指标仍然通过。

表3-2

在第一种方案的基础上，我们逐渐的调整方案，采用AID进行多步优化，五种优化方案对比如下：

表3-3

04 指标调整

对于已经升级AID2.0的使用者，软件提供了2种方式，来处理方案5位移比超限的问题处。

（1）方法一：

PKPM结构软件2026版开始，AID升级到2.0，该版本支持同时进行截面优选与指标控制，可在截面优选时勾上位移比等指标做为约束条件，这样在优选截面的同时，会使结构指标也满足要求。软件设置与结果如下：

图4-1

图4-2

图4-3

表4-1

（2）方法二：

使用AID2.0进行灵敏度分析，可以快速得到与位移比相关的几根构件，一般手动微整个别构件截面，便可满足指标要求。

参数设置时，仅需勾选satwe参数定义“总信息”-“计算整体指标对构件的灵敏度”，计算后，灵敏度分析结果如下：

图4-4

图4-5

图4-6

以20作为界限进行筛选，可以看到构件数量大幅减少，此时将偏红色的3根构件截面加高150，加宽100，偏蓝色的构件截面不变。得到的位移比为1.48，小于1.5，满足规范要求。

图4-7

05 小结

（1）本框架模型算例经智能截面优选进行的不同方案的优选后，总造价以及结构全楼材料用量的变化情况与经验相符合。方案四和方案五能够较大限度的节省材料，降低造价，且容易满足实际要求。

（2）通过五种方案的对比，一般而言优化构件越多，备选截面范围越大，优化力度越大。

（3）以上初始对比模型已进入到了施工图阶段，若在方案阶段便引入AID2.0，进行多种结构方案的对比分析，则优化幅度会更大，同时，也会大幅度提高工作效率。

（4）AID2.0相比1.0降低了对截面分组的要求，只需按照截面尺寸限制来分组；依靠对灵敏度的深入研究，增加了截面和指标同时控制的功能，且计算时间没有明显增加，可以同时解决截面调整与指标超限问题，对大部分项目都有作用。优化后的模型可同时满足承载力与指标的要求。

（5）对于有较高要求的、复杂的项目，可以使用AID2.0“高级指标控制”功能，进行优化迭代。截面分组时可参考灵敏度分析的结果，以增加分组的准确性。

供稿丨于晓（四川省建筑设计研究院有限公司）

陈昌安（北京构力科技有限公司）

审稿丨黄怡萍 刘孝国 闫崴 林庚浩 赵姗姗 张欣

编辑丨代新雨 责编丨刘宏琛