探讨无比钢结构建筑的计算机辅助设计
无比钢又称无比轻钢龙骨体系，是一种新型轻钢结构。无比钢技术起源于加拿大，具有很多优点，属于一种冷弯薄壁型钢结构体系。无比钢技术在建筑领域的应用可带来极大的社会效益和经济价值，近年来引入我国后多用于低、多层建筑，符合我国产业发展政策。
目前无比钢在我国尚处于初级探索阶段，由于该结构体系的特殊性，无比钢结构的计算机设计存在多方面技术问题，当下还没有一种可以完成无比钢结构设计和制图的有效设计软件，这是无比钢在我国推广应用首先要解决的问题。本文采用SAP2000软件完成无比钢结构设计，并对相关设计内容、要素进行探讨。
【关键词】无比钢结构；计算机；辅助设计
1概述
无比钢结构体系的定义：“无比钢是一种具有重量轻、抗震效果好、工期短、工业化程度高等多种优点的冷弯薄壁型钢结构体系，结构以薄壁方钢管通过连接件和自攻螺钉组成的单片柱和四方柱以及楼面桁架梁为主要承重骨架，以浇筑在压型钢板上的轻质混凝土为楼板，以通过自攻螺钉连接在单片柱和四方柱上的OSB板、胶竹板或石膏板组成的蒙皮为围护结构。”无比钢技术来源于加拿大，其在北美多个国家已经推广应用超过20年，目前已经发展在一定成熟阶段。无比钢结构体系的优点：首先，无比钢结构建筑构件的工厂预制机械化程度高、商品化程度高，工程施工进度快，工期短，施工现场环境污染小。其次，无比钢结构建筑的自重相比钢混结构建筑以及砖混结构建筑要轻度多，基础费用少，建筑抗震性能好。第三，无比钢结构建筑的构件连接多采用锚栓，房屋易于搬运、拆迁，有需要的情况下可以在极短的时间内完成整个建筑的拆迁，并且不会造成太大损失，这是其它结构无法比拟的。第四，无比钢结构建筑可实现房屋构架、屋面、墙体、室内装修以及水电系统一次性同步完成，是名副其实的交钥匙工程。第五，由于构件的特殊性，无比钢结构建筑的内外热交换程度极小，有效保证了房屋的保湿性能。另外，建筑墙架系统中空处采用玻璃棉填充，使其具有良好的隔音性能。
无比钢技术在我国的发展时间较短，上世纪九十年代我国多个城市已经成功建造多座地层无比钢建筑，各高校科研部门分别对无比钢技术进行研究，并取得了极大成果。目前还没有能够同时完成无比钢结构设计以及施工制图的软件，具有较强制图功能的软件虽然有很多，但都不能完全适应，例如PKPM不能模拟无比钢结构中的蒙皮构件，因此该软件不能适应于无比钢结构的设计，SAP2000软件虽然可完成无比钢结构设计，但无法完成制图，所以可以通过对AutocAD进行二次开发制作专门的制图系统，在SAP2000软件完成无比钢结构设计后根据SAP2000模型文件绘制施工图。
2无比钢结构的计算机设计
SAP2000是应用于工程领域的有限元程序，其他类似的软件还要ADINA、MARK以及ANASY等，此类软件功能强大且各具有特殊。SAP2000是一种结构分析与设计软件，主要分析方向是外界作用于结构时出现的移位、温度等反应，通过分析判断结构系统在外来作用下的状态判断结构设计效果。无比钢结构设计主要流程如下图1所示
图 1无比钢结构设计流程图
2.1构件的设计和模拟
无比钢结构的构件主要有蒙皮、四方柱、单片柱、横撑、斜拉钢带、导轨、桁架梁等。蒙皮厚度通常要超过6mm，可采用定向刨花板、石膏板以及竹胶板3种板材；导轨厚度一般设计为1 mm-1.5 mm，承载墙腹板宽度为150 mm，非承载墙腹板宽度为150 mm；斜拉钢带截面应大于40mm*1.0mm；横撑一般采用薄壁方钢管，规格为40mm*40 mm*1.5 mm；用于厚度为240 mm的承重墙的立柱（四方柱、单片柱）中管柱中心间距为200 mm，厚度为150 mm的非承重墙规格为110 mm。管柱壁厚可用0.8 mm-2.0 mm，截面通常固定为40mm*40 mm箱形，400 mm-600 mm为常用立柱间距；桁架梁的上、下弦杆方钢管截面尺寸、腹杆截面尺寸以及梁高有多种规格，因为桁架梁的位置在立柱上，因此立柱间距决定了桁架梁间距。在1层、2层无比钢建筑中，管柱壁厚以及立柱间距为设计为1.2mm、600mm，在3层、4层、5层无比钢建筑中管柱壁厚以及立柱间距为设计为1.5mm、600 mm，在6层建筑中可设计为1.5mm、400 mm。桁架梁跨度小于3.6m时可选择小型号腹杆，跨度为3.6m-4.5m时可采用等型号的腹杆，大跨度时采用大型号腹杆，如果要提高桁架梁承载能力，可以通过增大支座处腹杆厚度的方式实现。建筑中的过梁因为承重力较大，所以通常采用大规格弦杆。
2.2材料特性分析以及荷载计算
利用SAP2000软件对石膏板、定向刨花板、竹胶板、钢构件等建筑材料进行特性分析，结合各种材料的抗拉、抗弯等力学特性的分析了解建筑材料的性能和特征。
无比钢结构建筑的荷载包括恒荷载以及活荷载，恒荷载是指建筑结构自重，计算公式为“结构的自重=材料单位体积自重*构件体积”；活荷载又分为楼面活荷载、屋面活荷载、雪荷载、风荷载、地震荷载，具体计算方法可参看《建筑结构荷载规范》相关标准，最后进行荷载组合，对建筑的载能力正常使用状态以及极限状态进行组合。
2.3分析、验算
首先是结构承载能力的验算，无比钢结构建筑构件的受轴力、剪力以及弯矩都比较小，通过轴心受力构件强度、轴心受压构件稳定性的计算了解立柱以及桁架梁等结构构件的承载力是否符合要求。如果立柱承载力不能达到要求，可通过缩小柱间距、减小薄壁方钢管壁厚方法解决，另外可以将单片柱改为四方柱，然后重新建模计算。如果通过验算发现桁架梁承载力不符合标准可以结合桁架梁的力学特性改变析架中构件尺寸，然后重新建模计算。其次是结构的变形验算，钢结构建筑抗震规范中要求地震作用下多层钢结构建筑的弹性层间移位不可超过h/400，如果无比钢结构变形移位验算结构没有达到一定要求可以通过增加蒙皮厚度、增设撑杆以及增加斜拉钢带尺寸等方法解决，然后重新建模验算。
结论
本文中无比钢结构的设计和计算由SAP2000软件实现，然后利用AutocAD二次开发软件对接SAP2000软件设计的结构模型完成制图，该方法可以完成无比钢结构建筑的设计和制图，具有一定可行性，对无比钢建筑的工程结构设计有极大的参考价值。
参考文献：
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