《工程結構設計荷載效應組合軟件》簡介

1.前言

裝置工況：本文指，流程化工業建筑的安裝檢修工況、水壓試驗工況、正常使用（或正常操作）工況，簡稱工況，本文的“多工況結構設計”指的是上述三大工況的結構設計。

荷載工況：本文指，發生在不同裝置工況的荷載情況，或是一同出現的一組荷載（組合），荷載與荷載工況不是同一個概念。

荷載效應組合：本文指，將設定的荷載分別單獨作用在結構上，分別進行單荷載工況結構計算后，通過工況內力（荷載效應）的組合來進行結構的極限狀態設計。

在工業裝置的結構設計中，荷載效應組合的準確性和合理性對于確保結構的安全和可靠性至關重要。由于工業裝置的復雜性和多樣性，傳統的手工計算方法的準確性及設計效率較低，而目前的各類結構設計軟件的荷載效應組合功能，存在一定的局限性，難以自動生成多工況荷載組合。因此，采用荷載效應組合軟件，編制荷載效應組合，是實現多工況結構設計，提高設計效率和質量的必要手段。鼎筑元公司編制的《工程結構設計荷載效應組合軟件》實現了這一目標。

2.荷載效應組合在工業裝置多工況結構設計中的重要性

在流程化工業裝置的全生命周期中，會出現多種裝置工況，每個裝置工況又會發生多種荷載工況。將如此多的荷載工況進行組合并確保正確，本身就是一項挑戰。對于工業裝置建（構）筑物的結構設計，需要分別對上述各裝置工況下的不同荷載工況進行設計和驗算，其中，正確合理的荷載效應組合是結構設計成功的關鍵，是整個結構設計環節當中，非常重要的一項設計內容（有“真正的結構設計是從荷載組合開始”的說法）。

因此，對于流程化工業裝置的結構設計，除了掌握通常的結構設計技術外，還必須掌握工況識別和工況分析的方法，熟練掌握多工況荷載效應組合技術，由此才能做出符合工藝工況及規范要求的設計。

在進行多工況的結構設計時，多工況荷載效應組合技術是結構設計非常重要的一項技能。然而，由于荷載組合技術不熟練，缺少荷載組合的輔助工具，人工編制的荷載效應組合，常常會出現不符合裝置實際工況、違背規范要求、不符合基本邏輯的錯誤組合。錯誤的組合是非常大的設計風險，將導致設計浪費或存在安全隱患。

目前的各類結構設計軟件，無論是國產結構軟件還是國際通用結構軟件，由于軟件開發工程師缺乏對行業和裝置工況特性的理解，其荷載效應組合功能都存在一定的局限性：均沒有給出符合工況特點和結構設計規范要求的荷載效應組合，無法實現工業裝置多工況、多荷載的自動化組合，軟件的荷載效應組合功能難以滿足結構設計精確、高效率的要求。

對于復雜荷載工況的工業裝置，荷載組合種類多達幾百種，人工編制荷載組合不僅準確性差、效率低，而且是不現實的。這導致復雜工況的結構設計因無法編制出準確的精細化荷載組合，成為了工業建筑結構設計的短板。

因此，荷載效應組合是工業裝置結構設計中非常重要的一項設計內容，手工編制荷載組合容易出現錯誤，且難以考慮復雜的荷載工況，如果沒有軟件工具的幫助，即使在良好的結構方案下，也難以實現精確、經濟安全的結構設計，采用荷載效應組合軟件編制荷載效應組合是實現多工況結構設計的必然選擇。

3.當前常用的結構設計軟件的荷載組合功能分析

3.1KPM、YJK結構軟件的荷載組合功能

PKPM、YJK結構軟件主要面向民用建筑的結構設計，但在工業裝置結構設計中，也是使用頻率最高的結構分析與設計軟件，該軟件提供了兩種荷載組合方法：

1）輪換方式的荷載組合方法，該組合方法采用了一種近似互斥的組合邏輯，該組合邏輯的主要缺陷是，屬于同一裝置工況的、非互斥的自定義荷載，在荷載組合時，這樣的組合機會就會被漏掉；

2）疊加方式的荷載組合方法，該組合的邏輯是，將所有的自定義的荷載效應疊加，這種組合方式違背了荷載組合的基本規則，不符合現行規范的基本要求。

因此，無論是輪換組合還是疊加組合，復雜工況作用下，PKPM、YJK結構軟件都無法自動完成符合規范及行業標準要求的組合工況，多工況的裝置的結構設計必須手工編制荷載效應組合，才能正確模擬工業裝置結構荷載工況。

3.2 國際通用的結構分析軟件的荷載組合功能

國際通用的結構分析軟件，一般都給出了荷載組合的界面和方法，提供了荷載效應組合功能，但無自動生成荷載組合的功能，都需要人工編寫組合；某些軟件給出了可供參考的自動組合，但應對復雜工況的組合時，很難滿足設計需求，需要花費大量的精力修改自動組合的結果。

4.   工業建筑結構設計中荷載組合存在的問題

目前，化工、石化、輕工等流程化行業的結構設計者，包括審圖機構，對荷載組合在結構設計中的重要性認識不足，大多不熟練荷載組合技術。

化工、石化、輕工等流程化行業，結構設計的荷載組合存在一些錯誤的做法：

1）缺失裝置工況識別及工況分析的理念、流程及方法；

2）在荷載的識別、類別劃分方面，不區分裝置工況。如，將不同裝置工況的可變荷載歸類為同一種類可變荷載，并作為操作工況可變荷載來對待/處理，不符合工藝裝置的實際工況。

3）在荷載屬性定義方面其屬性系數的取值不合理。如，可變荷載的分項系數（可靠度系數）一概取最大值。

4）荷載的互斥關系不清晰，荷載組合的邏輯不正確。如，將安裝檢修工況的荷載與地震作用效應組合、與基本風壓組合；將水壓試驗工況的荷載與地震作用效應組合、與基本風壓組合等不符合邏輯的組合。

上述做法都屬于技術層面的原則性錯誤，其結果是結構分析的荷載模型與裝置的實際工況嚴重不符，荷載效應的組合不正確，設計結果存在安全隱患。

5.   鼎筑元公司關于結構設計荷載效應組合的研究及軟件研發

針對工業建筑結構設計的痛點及短板，為了實現工業裝置多工況結構設計荷載組合的軟件化，鼎筑元公司常年從事工業建筑結構設計的技術人員，經過多年對流程化工業裝置荷載工況的分析研究，分析驗證了許多結構分析軟件的功能，積累了大量的實踐經驗，發明了流程化工業裝置多工況結構設計的荷載組合技術，成功研發了一款能夠設定荷載類型和屬性并且實現荷載效應自動組合的結構設計輔助軟件。該軟件根據工業裝置的不同工況的荷載情況和最新通用規范的要求，實現了各種荷載效應組合工況的精細準確的組合，補足了當前結構軟件這一的短板，使得各類結構軟件均可應對復雜工況的工業裝置的結構設計。

公司編制的《流程化工業建筑精細化結構設計技術規范》，其中的裝置工況劃分、工況分析的流程和方法是流程化工業建筑荷載組合的基礎，是荷載組合的關鍵技術。

6.荷載效應組合軟件是實現精細化結構設計的必備工具軟件

精細化結構設計解決方案的主要內容為：技術規范+技術管理+荷載效應組合軟件工具，其中荷載效應組合軟件工具是實現精細化結構設計的必備工具軟件。

軟件輔助實現荷載效應組合的優勢在于：

提高計算準確性：軟件可以避免手工計算中的人為錯誤，提高計算結果的準確性。

可考慮復雜荷載工況：軟件可以輕松處理多種安裝檢修荷載工況、水壓試驗荷載工況，正常使用荷載工況、地震荷載、動力荷載、溫度作用等。

生成詳細報告：軟件可以生成詳細的適合各種設計需求的荷載效應組合結果。

便于優化設計：通過軟件輔助實現荷載效應組合，設計師可以更方便地進行結構優化設計，提高結構的經濟性和合理性。

總之，工業裝置結構設計中荷載效應組合的重要性不容忽視，軟件輔助實現荷載效應組合可以提高設計效率和質量，確保結構的安全性和可靠性。隨著結構設計軟件的不斷發展，荷載效應組合將在工業裝置結構設計中發揮越來越重要的作用。

7.荷載效應組合軟件對工業建筑結構設計的價值貢獻

鼎筑元公司推出的《工程結構設計荷載效應組合軟件》，具有應對全裝置工況荷載的荷載效應組合功能，具有極強的專業性能，可以幫助結構設計師高效地完成多工況、多荷載的自動化組合，實現精確的結構設計。

本軟件嵌入了大量的行業結構設計的設計流程、技術和方法，不僅是一款工具軟件，還凝聚了行業結構設計的智慧。它能夠引導用戶進行工況識別、荷載分類和定義、工況分析、確定荷載屬性系數等，引導使用者規范化、標準化設計，快速輸出結構分析軟件所需要的荷載組合文檔，是工業建筑結構設計的必備工具軟件。

通過使用這款軟件，可幫用戶解決結構設計中在荷載效應組合中的許多痛點和短板，大幅提高荷載組合的準確性和工作效率。能夠提高設計質量，降低設計安全風險，實現精確設計，降低工程造價，提高行業競爭力，推動行業實現精細化結構設計，填補了行業結構設計的一處空白。

它不僅是一款軟件，更是行業結構設計智慧的結晶，對于行業結構設計的技術進步將提供較大的幫助。

8.核心技術

8.1   鼎筑元公司編制的《流程化工業建筑精細化結構設計技術規范》第10章，流程化工業建筑作用效應組合。

8.2   裝置工況的識別方法：將流程化工業裝置的全生命周期劃分為安裝檢修工況、水壓試驗工況、正常使用（或正常操作）工況。

8.3    裝置工況的荷載及荷載工況分析（簡稱工況分析）技術與方法

工況分析的主要內容是確定各類荷載的屬性及屬性系數，荷載屬性包含的內容：

   ?荷載發生的裝置工況；

   ?荷載所屬的設計狀況；

   ?荷載的類別；

   ?荷載分項系數；

   ?組合值系數；

   ?頻遇值系數；

   ?準永久值系數；

   ?質量系數；

   ?重力荷載代表值組合值系數；

   ?地震組合系數；

   ?設計工作年限調整系數；

   ?荷載動力系數。

8.4   流程化工業建筑荷載分類的方法

1)永久荷載的類型劃分方法

重力型：構件、設備、土重、地面池類結構的儲液重

非重力型：預應力、水平向土壓力、水平向地下水壓力、地下水浮托力

對結構的承載力不利型：

對結構的承載力有利型：

2)流程化可變荷載的類型劃分方法

流程化工業建筑結構設計，在進行工況分析時，應進行荷載的識別和類型的劃分，可變作用的類型詳見表8.1-1

表8.1-1 可變作用類型劃分

8.5   流程化工業建筑地震組合

1) 地震作用工況劃分；

2) 地震組合荷載類別劃分方法；

3) 工業建筑地震基本組合：

    a) 地震基本組合公式

    b) 重力型荷載的地震組合：

         ?重力型永久荷載的地震組合；

         ?重力型可變荷載的地震組合。

    c) 非重力型荷載的地震組合：

         ?非重力型永久荷載效應的地震組合；

         ?非重力型可變荷載效應的地震組合。

4) 流程化工業建筑地震基本組合的規定；

5) 流程化工業建筑地震組合的組合邏輯。

9.編制依據

9.1 依據的標準

GB 55001-2021《工程結構通用規范》

GB 50068-2018《建筑結構可靠性設計統一標準》

EN 1990：2002《Eurocode-Basis of structural design》

GB 51006-2014《石油化工建（構）筑物結構荷載規范》

GB 50959-2013《有色金屬工程結構荷載規范》

鼎筑元公司編制的《流程化工業建筑精細化結構設計技術規范》

9.2   依據的組合公式

承載能力極限狀態設計基本組合邏輯表達式：

S = γ_GS_G+ γ_Qψ_QS_Qk+ γ_wψ_wS_wk + γ_tψ_tS_tk+ γ_mψ_mS_mk

地震基本組合邏輯表達式：

S = γ_GS_GE+γ_EhS_Ehk+ γ_EvS_Evk+Σγ_DiS_Dik+Σψ_iγ_iS_ik   

標準組合、準永久組合、頻遇組合的組合公式詳見GB 50068

9.3 荷載效應組合的邏輯

詳見鼎筑元公司編制的《流程化工業建筑精細化結構設計技術規范》第10章

10.主要功能

1）將荷載效應組合的步驟和流程、技術與方法都嵌入到軟件中，做到簡單易用，不需要過深的理論基礎和行業經驗即可順利使用本軟件，獲得準確的組合結果。

2）通過裝置工況劃分、工況分析、劃分荷載類別、確定荷載屬性及屬性系數，為荷載組合準備輸入數據。

3）引導使用者進行裝置工況的劃分、各裝置工況的荷載工況的準確劃分。

4）引導使用者進行荷載屬性分析，確定荷載屬性系數的經驗值、合理值。

5）輸出荷載效應基本組合、標準組合、頻遇組合、準永久組合、地震組合、偶然組合。

6）輸出樓板設計相關的組合。

7）輸出地基設計相關的組合。

8）本軟件，是專業性極強的結構設計輔助軟件，借助于該軟件，將結構承受的單荷載工況分析的內力結果進行組合，將其組合后的設計值用于結構整體設計及結構構件設計，避免人工組合可能發生的錯誤，大幅提高工作效率。

9）本軟件，不僅僅是一款荷載效應組合的軟件，更像是技術手冊或者是多個專業技術規范的綜合應用。

10）本軟件，給出了設計方法和各種參數的建議值，凝聚了行業從業人員多年的工程經驗和智慧。

11.適用范圍

11.1 適用范圍

適用于流程化工業建筑，持久設計狀況、短暫設計狀況、地震設計狀況、偶然設計狀況的荷載效應的組合。

可針對不同設計內容，輸出基本組合、標準組合、頻遇值組合、準永久值組合、地震組合、偶然組合。輸出文檔格式，一般輸出excel格式的文檔。

可輸出適用于PKPM結構軟件、MIDAS建筑結構軟件、YJK結構軟件、strat軟件、staad結構軟件的荷載效應組合。V1.0版本是適用于PKPM結構軟件。

11.4 軟件數據輸入界面