一种适用于穿层柱计算的模拟方法、系统及存储介质与流程

本发明涉及建筑设计技术领域，特别涉及一种适用于穿层柱计算的模拟方法、系统及存储介质。

背景技术：

伴随着城市化进程的推进、城市人口不断聚集，城市用地紧缺的问题也逐渐呈现。为突破土地的局限，超高层建筑如雨后春笋般涌现。在超高层建筑中，不论是办公还是居住，人们与大自然的关系逐步疏远。为进一步拉近人们与自然的关系，建筑师不断创新建筑的空间，将原适用于地面的活动空间创新地应用到超高层中，让人们在高层空间有自由活动的空间，这类空间通常都有2～3层高，甚至更高。灵活空间的通高，必然带来结构竖向构件(如框架柱)的通高，或者从楼层的概念，结构工程师通常称之为穿层柱，该穿层柱常应用于超高层塔楼的大堂处、(超)高层酒店大堂位置等。因此，在超高层结构中，穿层柱的存在给结构设计带来一定的难度，而准确模拟穿层柱对结构的安全设计起着至关重要的作用。

目前，带有穿层柱的结构设计中，由于穿层柱沿楼层自然分段，使得各分段的框架柱计算高度与实际不符，从而导致各个楼层求得分段柱的计算结果误差大，带来极大的安全隐患。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种适用于穿层柱计算的模拟方法、系统及存储介质，以解决因现有技术中各分段的框架柱计算高度与实际高度不符而导致各个楼层求得分段柱的计算结果误差大的技术问题。

本发明所采用的技术方案如下：

一种适用于穿层柱计算的模拟方法，所述穿层柱的穿层部分为n个自然层，依次为第i层、第i+j层以及第i+n层，其中，i、j、n均为正整数，且1≤j＜n，所述适用于穿层柱计算的模拟方法包括以下步骤：

第一步：建立第i层结构，其中，该第i层结构不包含穿层柱的穿层柱构件，然后激活第i层，并施加荷载，然后在计算时，保存并输出第i层的模拟结果；

第二步：建立第i+1层结构，其中，该第i+1结构不包含穿层柱的穿层柱构件，然后激活第i+1层结构，并施加第i+1层荷载，然后在计算时，保存并输出第i+1层的模拟结果；

直至第j步：依次建立第i+j层结构，其中，该第i+j层结构仍不包含穿层柱构件，然后依次激活第i+j层结构，并施加相应荷载楼层的荷载；然后在依次计算时，依次保存并输出第i+j层的模拟结果；

直至最后第n步：最终建立第i+n层结构，其中，该第i+n层结构包含穿层柱的穿层柱构件，将该穿层柱构件的下节点坐标修改为第i层的下节点坐标，然后激活第i+n层结构，并施加第i+n层荷载，然后在计算时，保存并输出第i+n层的模拟结果。

所述适用于穿层柱计算的模拟方法，其中，所述第i层结构至第i+j层结构均包括不带穿层柱的竖向构件和所述竖向构件的激活节点。

所述适用于穿层柱计算的模拟方法，其中，所述穿层柱构件采用斜撑模拟。

所述适用于穿层柱计算的模拟方法，其中，所述穿层柱构件的斜撑截面的材料特性、尺寸大小与穿层柱一致。

所述适用于穿层柱计算的模拟方法，其中，所述穿层柱构件的计算长度为第n层结构的上节点至第i层结构的下节点的高度。

所述适用于穿层柱计算的模拟方法，其中，所述方法适用于多层、高层或超高层及各类复杂结构的穿层柱模拟。

所述适用于穿层柱计算的模拟方法，其中，所述方法是模拟穿层柱仅对第i+n层结构的刚度和抗剪承载力有贡献，即计算第i+n层的刚度与抗剪承载力的同时还包括计算穿层柱构件的刚度和抗剪承载力，而对第i层结构至第i+n-1层结构均没有贡献，即仅计算第i层结构至第i+n-1层结构相应层结构对应的刚度与抗剪承载力。

基于上述适用于穿层柱计算的模拟方法，本发明还提供一种适用于穿层柱计算的模拟系统，所述适用于穿层柱计算的模拟系统包括处理器以及与所述处理器连接的存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述适用于穿层柱计算的模拟方法的步骤。

基于上述适用于穿层柱计算的模拟方法，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述适用于穿层柱计算的模拟方法的步骤。

有益效果：

与现有技术相比，具有如下有益效果：

通过本发明所述适用于穿层柱计算的模拟方法后，任何一个带穿层柱的实际工程均可以按照其项目的具体情况输入计算参数，来准确完成穿层柱的模拟。

本发明不但能正确确定穿层柱的计算长度而不受穿层柱穿越自然楼层的影响，即框架柱计算高度不受穿层柱穿越自然楼层的影响，从而保证设计结果构件的准确性，而且还能准确确定穿层柱构件的刚度与抗剪承载力的数值结果。

本发明所述适用于穿层柱计算的模拟方法中模拟穿层柱仅对穿层柱贯穿的最高楼层的刚度与抗剪承载力有贡献，而对穿层柱贯穿的其他楼层都没有贡献。

附图说明

图1为现有穿层柱模拟方法的示意图。

图2为本发明提供的一种适用于穿层柱计算的模拟方法中一实施例示意图。

图3为本发明提供的一种适用于穿层柱计算的模拟方法第i层示意图。

图4为本发明提供的一种适用于穿层柱计算的模拟方法第i+j层示意图。

图5为本发明提供的一种适用于穿层柱计算的模拟方法第i+n层示意图。

图6为本发明提供的一种适用于穿层柱计算的模拟方法后结构示意图。

图7为本发明提供的一种适用于穿层柱计算的模拟方法的一应用场景示意图。

图8为本发明提供的一种适用于穿层柱计算的模拟系统的结构框图。

具体实施方式

本发明提供一种适用于穿层柱计算的模拟方法、系统及存储介质，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

穿层柱构件又称越层构件、跨层构件，是指构件在穿越楼面时，没有受到其他构件约束(如楼面板、楼面梁、支撑等)，或约束的刚度相对于构件本身较低的情况。在超高层结构中，穿层柱构件主要指的是巨型钢管混凝土柱、钢筋混凝土框架柱。

所述穿层柱为整个工程项目建筑的框架柱中局部部分，所述穿层柱主要用于高级超高层塔楼的大堂处、(超)高层酒店大堂位置等，因此，该穿层柱的设计必须具备一定抗震性能和符合审查指标，确保穿层柱的结构设计经济且安全。因此，穿层柱的结构模拟方法对确定该穿层柱是否满足要求尤为重要。例如：通过对穿层柱计算仿真的结构模拟方法，确定结构侧向刚度，受抗剪承载力变化大小与否，所设置的穿层柱是否形成薄弱层，从而判断该穿层柱是否使得该结构设计规则，以此确定是否符合审查指标。

经发明人研究发现，超高层建筑中携带有该穿层柱的部位主要分布在需要高空间要求的多个楼层，如大厅、会议室等，因此，在携带有穿层柱的结构设计，在结构的刚度和抗剪承载力的计算中不仅要计算框架柱的贡献，还需结合穿层柱的贡献，并且该穿层柱的贡献不可忽略。因此，在进行携带有穿层柱的结构设计时，常见的做法是如图1所示，将穿层柱(用a0d0表示)输入到模型中，这样，穿层柱在每个自然层均产生一个节点，如第i层、第i+j层以及第i+n层这n层(以n＝3为例)间穿层柱所产生的节点为(b0、c0)，此时空间上穿层柱将被分成多段柱(a0b0、b0c0以及c0d0)，其中，a0b0多段柱中a0为下节点，b0为上节点；b0c0多段柱中b0为下节点，c0为上节点；c0d0多段柱中c0为下节点，d0为上节点。那么，在统计第i层、第i+j层及第i+n层的刚度和抗剪承载力时，也同时会计算这些分段柱的刚度和抗剪承载力，也就是包含这些分段柱的贡献。例如统计第i层的刚度和抗剪承载力，将包含a0b0柱的刚度和抗剪承载力，即统计a0a2b2b0；统计第i+j层的刚度和抗剪承载力，将包含b0c0柱的刚度和抗剪承载力，即统计b0b2c2c0；统计第i+n层的刚度和抗剪承载力，将包含c0d0柱的刚度和抗剪承载力，即统计c0c2d2d0，这种设计做法有以下几个问题：

1)由于穿层柱区域楼层中不同构件的计算高度不一样，各类构件在地震作用下存在内力重分布情况，而且在构件设计时较难区分构件高度，较难准确把握构件设计的各类参数，此时构件配筋的准确性较难验证；

2)由于穿层柱沿楼层自然分段，此时各分段的框架柱计算高度和实际的穿层柱高度不一样，此时根据各个楼层求得分段柱的刚度和抗剪承载力结果和真实差异大；

3)由于分段柱的结果计算有误，在此基础上统计楼层的刚度和抗剪承载力的结果必然是有误，此时根据错误的结果来判别结构刚度薄弱和抗剪软弱规则性，则这不仅不合理，而且对结构还可能有安全的隐患。

因此，为了保证结构的设计安全可行情况下，解决因现有技术中各分段的框架柱计算高度与实际不符而导致各个楼层求得分段柱的计算结果误差大的技术问题，确保结构能更准确合理地判断结构抗震的规则性，本发明采用新型的穿层柱结构模拟方法，不再是将穿层柱构件建立在每段楼层，对每段楼层的刚度与抗剪承载力均有贡献，而是仅在穿层柱所贯穿的最后一层建立穿层柱构件，仅对最后一层的刚度与抗剪承载力有贡献，穿层柱贯穿的其他楼层均没有穿层柱构件，及穿层柱对其他楼层的刚度与抗剪承载力没有贡献，从而使得穿层柱不受穿越自然楼层的影响而准确确定穿层柱的计算长度，这样也就确定了穿层柱构件的刚度与抗剪承载力的数值结果，进一步保证设计结果构件的准确性。

下面结合附图，对发明内容作进一步说明。

请参阅图2-图6，图2中第i～i+n层分别表示各层名称，“a0～d0、a1～d1、a2～d2”分别为各层构件点标识，例如第i层的竖向构件可表示为a1b1杆，第i+j层的竖向构件可表示为b1c1杆，第i+n层的竖向构件可表示为c1d1杆。图3-图5中2表示不带穿层柱构件的竖向构件a2b2、或b2c2、c2d2，1表示竖向构件上的激活的节点。图5-图6中3用于表示穿层柱构件，4用于表示穿层柱构件3的下节点。

假设穿层柱的穿层部分为n个自然层，依次为第i层、第i+j层以及第n层，其中，i、j、n均为正整数，且1≤j＜n，所述适用于穿层柱计算的模拟方法包括以下步骤：

第一步：建立第i层结构，其中，该第i层结构不包含穿层柱的穿层柱构件3，然后激活第i层，并施加荷载，然后在计算时，保存并输出第i层的模拟结果。需要说明的是，该第i层结构包括不带穿层柱的竖向构件2和所述竖向构件的激活节点1。

第二步：建立第i+1层结构，其中，该第i+1结构不包含穿层柱的穿层柱构件3，然后激活第i+1层结构，并施加第i+1层荷载，然后在计算时，保存并输出第i+1层的模拟结果。需要说明的是，该第i+1层结构包括不带穿层柱的竖向构件2和所述竖向构件的激活节点1。

直至第j步：依次建立第i+j层结构，其中，1＜j＜n，该第i+j层结构仍不包含穿层柱构件3，然后依次激活第i+j层结构，并施加相应荷载楼层的荷载；然后在依次计算时，依次保存并输出第i+j层的模拟结果。需要说明的是，该第i+j层结构包括不带穿层柱的竖向构件2和所述竖向构件的激活节点1。

直至最后第n步：最终建立第i+n层结构，其中，该第i+n层结构包含穿层柱的穿层柱构件3，如图5中的穿层柱构件3，用c0d0表示，将该穿层柱构件3采用斜撑单元模拟，斜撑的截面的材料特性、尺寸大小同穿层柱的一致。因该斜撑单元仅在这一层建立，则该斜撑的下节点4需要修改，将下节点4(c0)坐标修改到第i层的下节点a0的坐标，使两者完全重合，如图6所示。也就是说，所述穿层柱构件3的计算长度为第n层结构的上节点d0至第i层结构的下节点a0的高度。然后激活第i+n层结构，并施加第i+n层荷载，然后在计算时，保存并输出第i+n层的模拟结果。

至此，整个穿层柱模型就搭建完成，最终的模拟结果即为该穿层柱计算仿真的模拟方法的结果，用于确定结构是否符合规范，本申请的方法适用于带穿层柱结构的设计，如多层、高层或超高层及各类复杂结构的穿层柱模拟。

由上可知，本申请方法的穿层柱不再是随自然层分段，而仅在穿层柱最后一层建立穿层柱构件，使得模拟穿层柱仅对第i+n层结构的刚度和抗剪承载力有贡献，即计算第i+n层的刚度与抗剪承载力的同时还包括计算穿层柱构件的刚度和抗剪承载力，而对第i层结构至第i+n-1层结构均没有贡献，即仅计算第i层结构至第i+n-1层结构相应层结构对应的刚度与抗剪承载力即可。这样，本申请能更准备确定穿层柱计算长度，使得结构模拟的结果判断更准确，极大的降低了误差。

下面结合附图7，通过对实施例的描述，对发明内容作进一步说明。图7中5用于表示核心筒。

某220m超高层建筑高度，塔楼体系为框架核心筒结构，沿塔楼第26层高度设有室外活动平台，框架柱在第26～28层为穿层柱。如图8所示，对穿层柱部位的楼层在建筑结构三维设计软件中分别采用本申请方法和原传统方法两种方法模拟，计算分析结果表明，本申请方法模拟的结构动力特性与原传统方法的结果完全一致(表一)，本申请方法未改变结构动力特性；本申请方法的刚度比与原传统方法也较为一致(表二)，本申请方法的结果更为均匀；本申请方法的抗剪承载力比的大小范围能包络住原传统方法(表三)，即按本申请方法判断的楼层间抗剪承载力比数值比原传统方法更容易判断为不规则，一旦原传统方法的楼层抗剪承载力比处于不规则界限，则按本申请方法就会认定为不规则结构，结构设计时就会采取一定的加强措施，这样就更能保证结构的安全。

因此，本申请方法实现简单，结果更准确，可行性高。

表1本申请方法模拟的结构动力特性与传统方法结构的比较

表2穿层柱楼层与相邻层之间的侧向刚度比

表3穿层柱楼层与相邻层之间的抗剪承载力比

因此，利用本发明所述的计算方法后，任何一个带穿层柱的实际工程均可以按照其项目的具体情况输入计算参数，来准确完成穿层柱的计算模拟。本发明不但能正确确定穿层柱的计算长度而不受穿层柱穿越自然楼层的影响，保证设计结果构件的准确性，而且还能准确确定穿层柱构件的刚度与抗剪承载力的数值结果。与以往常见的设计方法不同的还有，本发明的方法是模拟穿层柱仅对第i+n层的刚度与抗剪承载力有贡献，而对第i～(i+n-1)层都没有贡献，从而操作简单、方便实用，可应用于多层、高层或超高层及各类复杂结构的穿层柱模拟，应用范围广。

基于上述适用于穿层柱计算的模拟方法，本发明还提供了一种适用于穿层柱计算的模拟系统，如图8所示，该适用于穿层柱计算的模拟系统包括至少一个处理器(processor)20；显示屏21；以及存储器(memory)22，还可以包括通信接口(communicationsinterface)23和总线24。其中，处理器20、显示屏21、存储器22和通信接口23可以通过总线24完成相互间的通信。显示屏21设置为显示初始设置模式中预设的用户引导界面。通信接口23可以传输信息。处理器20可以调用存储器22中的逻辑指令，以执行上述实施例中的方法。

此外，上述的存储器22中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

存储器22作为一种计算机可读存储介质，可设置为存储软件程序、计算机可执行程序，如本发明实施例中的方法对应的程序指令或模块。处理器30通过运行存储在存储器22中的软件程序、指令或模块，从而执行功能应用以及数据处理，即实现上述实施例中的方法。

存储器22可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作适用于穿层柱计算的模拟系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储器22可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器。例如，u盘、移动硬盘、只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、磁碟或者光盘等多种可以存储程序代码的介质，也可以是暂态存储介质。

此外，上述存储介质以及终端设备中的多条指令处理器加载并执行的具体过程在上述方法中已经详细说明，在这里就不再一一陈述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。