冷彎薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑CAD/CAM軟件
摘要： 為開(kāi)發(fā)冷彎薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系的專(zhuān)用CAD/CAM軟件，在介紹并分析該類(lèi)結(jié)構(gòu)體系及其典型連接節(jié)點(diǎn)的組成和構(gòu)造特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)工作進(jìn)行軟件的功能設(shè)計(jì)和流程劃分，設(shè)計(jì)從設(shè)計(jì)模型到計(jì)算模型、再到深化模型的軟件架構(gòu)和操作模式.該類(lèi)結(jié)構(gòu)體系基于部件進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算和拼裝，據(jù)此界定墻片、樓蓋區(qū)塊和單榀平面屋架等基本軟件對(duì)象，設(shè)計(jì)部件-構(gòu)件的層次化對(duì)象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以兼顧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與深化設(shè)計(jì)的不同要求.在AutoCAD圖形平臺(tái)上編制該CAD/CAM軟件，實(shí)現(xiàn)建模、計(jì)算和繪圖等若干核心功能.
關(guān)鍵詞： 冷彎薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)； CAD/CAM； 軟件架構(gòu)； 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)； 軟件開(kāi)發(fā)
中圖分類(lèi)號(hào)： TU392；TP317.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：
0引言
冷彎薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅是一種以冷彎薄壁型鋼構(gòu)件和輕型板材共同作為承重和維護(hù)結(jié)構(gòu)的新型綠色住宅，見(jiàn)圖1.
冷彎薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅具有節(jié)能環(huán)保、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗震性能好以及易于規(guī)模化與標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外已被大量使用，近年來(lái)國(guó)內(nèi)也開(kāi)始逐步推廣應(yīng)用.
國(guó)外已經(jīng)具備比較完善的輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅CAD/CAM軟件，已實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)加工一體化、無(wú)紙化的自動(dòng)數(shù)控加工；而在國(guó)內(nèi)，由于這種軟件的復(fù)雜性以及國(guó)外對(duì)此類(lèi)軟件的技術(shù)與商業(yè)壟斷，輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅CAD/CAM軟件成為國(guó)內(nèi)各生產(chǎn)廠家普遍的技術(shù)瓶頸.
龍骨結(jié)構(gòu)體系是冷彎薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅的主要結(jié)構(gòu)形式.針對(duì)該結(jié)構(gòu)體系，本文開(kāi)發(fā)出三維可視化的CAD/CAM集成化軟件.
1結(jié)構(gòu)體系與構(gòu)造
龍骨式低層冷彎薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅由屋面系統(tǒng)、樓面系統(tǒng)和墻面系統(tǒng)等3部分組成，見(jiàn)圖2.
墻面系統(tǒng)由冷彎薄壁輕型鋼柱和內(nèi)、外層結(jié)構(gòu)覆面板組成，見(jiàn)圖3.墻體是主要的豎向和水平承重系統(tǒng)，起維護(hù)和承重的雙重作用.墻柱體系由C形鋼柱和導(dǎo)軌組成鋼骨架，并設(shè)置鋼拉帶支撐，墻體外側(cè)OSB板和內(nèi)側(cè)石膏板通過(guò)自鉆螺釘與鋼骨架相連.樓面系統(tǒng)由冷彎薄壁輕型格柵鋼梁，上、下結(jié)構(gòu)面板以及樓面細(xì)石混凝土等材料構(gòu)成，柵格鋼梁間亦設(shè)置鋼拉帶等支撐構(gòu)件，見(jiàn)圖4.屋面系統(tǒng)由冷彎薄壁輕型鋼桁架、屋面水平支撐及屋面板材料構(gòu)成，見(jiàn)圖5.
豎向載荷由樓蓋和屋蓋分別傳遞到墻體，再傳遞到基礎(chǔ)；風(fēng)和地震等水平向載荷全部由載荷方向的墻體承擔(dān).
龍骨式低層冷彎薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅的所有部件均由薄壁的C形鋼、U形鋼及鋼帶拼裝而成，再用自攻螺釘連接.從功能和構(gòu)造上看，連接節(jié)點(diǎn)可分為2類(lèi)：一類(lèi)是墻面、樓面及屋面各子系統(tǒng)中構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)；另一類(lèi)是子系統(tǒng)之間的連接節(jié)點(diǎn).典型的連接節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖6.
(a)墻體與基礎(chǔ)的連接(b)墻體構(gòu)件的連接(c)上下層墻體的連接(d)樓蓋梁與基礎(chǔ)的連接(e)樓蓋梁與墻體的連接(f)屋蓋桁架的屋脊節(jié)點(diǎn)
2系統(tǒng)功能與架構(gòu)組織設(shè)計(jì)
軟件功能［1］在總體上可分為2部分：建模以及圖紙繪制與數(shù)控加工CNC數(shù)據(jù)的輸出.由于軟件本身的專(zhuān)業(yè)性質(zhì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程，可劃分為結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算、結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)以及圖紙與數(shù)據(jù)輸出等4個(gè)功能階段.
在結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)階段，根據(jù)建筑設(shè)計(jì)圖布置與搭建墻體、樓蓋與屋蓋結(jié)構(gòu)部件，形成住宅的主結(jié)構(gòu)模型.在該階段中，忽略次構(gòu)件以及構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)等細(xì)部構(gòu)造，重點(diǎn)是形成整個(gè)主結(jié)構(gòu)，為下一步的結(jié)構(gòu)計(jì)算和規(guī)范驗(yàn)算作準(zhǔn)備.在此階段的模型上還要施加和編輯所有的外部載荷，包括恒載、活載、雪載、風(fēng)載和地震作用等.
龍骨式低層冷彎薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算方式不同于一般的房屋結(jié)構(gòu)計(jì)算.通常的房屋結(jié)構(gòu)計(jì)算，如多層鋼框架結(jié)構(gòu)或磚混砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行包含墻、柱、梁和樓板在內(nèi)的整體結(jié)構(gòu)計(jì)算，而冷彎薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅是基于屋蓋、樓蓋及墻體等結(jié)構(gòu)部件的計(jì)算.外載荷按受載荷面積進(jìn)行分配，如屋面載荷分配到各榀屋面的桁架；然后按連接關(guān)系進(jìn)行載荷傳遞計(jì)算，即屋蓋桁架與樓蓋的載荷傳遞到墻體，上層墻體載荷傳遞到下層墻體.各部件單獨(dú)形成計(jì)算模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計(jì)算，并按相關(guān)規(guī)范進(jìn)行部件及其中各構(gòu)件的驗(yàn)算.一般情況下會(huì)將結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果返回結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行結(jié)構(gòu)部件和構(gòu)件的調(diào)整，然后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算.如此往復(fù)，直到各個(gè)結(jié)構(gòu)指標(biāo)均滿足要求.
深化設(shè)計(jì)階段是連接節(jié)點(diǎn)與構(gòu)件細(xì)部的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件的歸并與編號(hào)，為鋼結(jié)構(gòu)施工圖、加工圖和CNC加工數(shù)控輸出進(jìn)行模型和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備.繪圖及CNC數(shù)據(jù)的編制完全依據(jù)深化模型，并形成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系.
由上述可知，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程是模型由部件到構(gòu)件、由構(gòu)件到節(jié)點(diǎn)的逐步深入和細(xì)化過(guò)程，見(jiàn)圖7.其中，計(jì)算模型由結(jié)構(gòu)模型映射而來(lái)，結(jié)構(gòu)的構(gòu)件將被映射為有限元計(jì)算模型的單元和節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)模型的支撐情況在計(jì)算模型上設(shè)置正確的支座約束；結(jié)構(gòu)模型上的載荷也被轉(zhuǎn)換為有限元計(jì)算模型上的單元或節(jié)點(diǎn)載荷.
3模型對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1模型對(duì)象的范圍劃分和界定
可獨(dú)立操作模型對(duì)象的范圍界定直接影響軟件內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織，同時(shí)也在很大程度上決定軟件在使用界面上的基本模式.［2］
龍骨式低層冷彎薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅全部由C形或U形構(gòu)件搭建而成，如果以單根構(gòu)件為基本操作對(duì)象，則各對(duì)象自身的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單統(tǒng)一，對(duì)深化設(shè)計(jì)階段的節(jié)點(diǎn)和細(xì)部操作非常有利.但是，對(duì)于建立和維護(hù)對(duì)象間的邏輯關(guān)聯(lián)信息，基于構(gòu)件的對(duì)象界定方法顯得非常復(fù)雜和繁瑣，而且這種結(jié)構(gòu)體系是基于墻、樓板及榀架等部件的結(jié)構(gòu)計(jì)算，單根構(gòu)件的對(duì)象界定方式非常不利于部件計(jì)算模型和載荷的組織與信息關(guān)聯(lián).
根據(jù)龍骨式低層冷彎薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅的建模和結(jié)構(gòu)計(jì)算的特點(diǎn)看，結(jié)構(gòu)的物理對(duì)象可分為2個(gè)層次：（1）部件層次，包括墻體、樓蓋區(qū)塊（由墻體圍成的平面封閉區(qū)域）和屋蓋的各榀平面桁架.其中，屋蓋桁架的上弦沿坡屋面的形狀轉(zhuǎn)折起伏，需通過(guò)一個(gè)“坡屋面”的虛擬對(duì)象用于桁架的建模，此外，還用于屋面載荷向各榀桁架的導(dǎo)算分配.（2）構(gòu)件層次，即組成結(jié)構(gòu)部件的C形、U形冷彎薄壁構(gòu)件以及鋼拉帶和外覆面板等支撐構(gòu)件.因此，建立以部件為基本操作對(duì)象的層次化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是更好的組織方案.
3.2模型的層次化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
構(gòu)件對(duì)象內(nèi)嵌在部件對(duì)象中.部件是多個(gè)構(gòu)件的有機(jī)集成體，在部件對(duì)象中存儲(chǔ)并維護(hù)部件本身的總體信息和部件內(nèi)各根構(gòu)件對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)信息，各根構(gòu)件自身的信息存儲(chǔ)在構(gòu)件對(duì)象內(nèi).該層次化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)［2］的統(tǒng)一描述見(jiàn)圖8.
將上述層次化的參數(shù)描述關(guān)系具體到墻體、樓蓋和屋架等3個(gè)子系統(tǒng)，則有如圖9所示的邏輯組織關(guān)系.構(gòu)件集成體（子系統(tǒng)）內(nèi)部各構(gòu)件之間連接節(jié)點(diǎn)內(nèi)置為子系統(tǒng)內(nèi)部的連接功能，構(gòu)件集成體之間的連接節(jié)點(diǎn)（如連接板與抗拔錨栓等）則由外部的連接零件對(duì)象和連接功能予以表示和實(shí)現(xiàn).
(a)墻體對(duì)象的層次化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
(b)樓蓋對(duì)象的層次化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
(c)屋架對(duì)象的層次化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
(d)單根構(gòu)件對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
4程序設(shè)計(jì)
在AutoCAD三維圖形平臺(tái)［3］上，以二次開(kāi)發(fā)接口ObjectARX［4］和VC++為工具，用普通PC機(jī)開(kāi)發(fā)該CAD/CAM軟件系統(tǒng).軟件的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行環(huán)境的層次結(jié)構(gòu)［1］見(jiàn)圖10.
墻體、樓蓋和屋架的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)拓樸具有很大的相似性，應(yīng)用C++的“繼承”和“多態(tài)”特性，建立基類(lèi)和繼承類(lèi)的派生關(guān)系，見(jiàn)圖11.多構(gòu)件集成體類(lèi)從ObjectARX的AcDbEntity類(lèi)派生，構(gòu)件類(lèi)從AcDb3dSolid類(lèi)派生.AcDb3dSolid是三維實(shí)體類(lèi)，具有C形和U形截面構(gòu)件的三維造型與編輯操作.
軟件的主要功能模塊組織［5-6］見(jiàn)圖12，結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型是系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)庫(kù).
5軟件核心功能
墻體和樓蓋的建模示例見(jiàn)圖13，軟件根據(jù)門(mén)窗和樓蓋洞口的位置進(jìn)行構(gòu)件的布置調(diào)整以及周邊構(gòu)件的加強(qiáng)處理.結(jié)構(gòu)外周墻體形成一個(gè)封閉的平面邊界，軟件根據(jù)此邊界以及指定的坡度自動(dòng)生成坡屋面，然后再依據(jù)坡屋面的形狀自動(dòng)排列生成各榀屋蓋桁架，見(jiàn)圖14.平面桁架腹桿的劃分布置按對(duì)稱(chēng)與不對(duì)稱(chēng)區(qū)域，三角區(qū)域、梯形區(qū)域及任意形狀區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化.
屋蓋上的載荷按受載荷面積經(jīng)導(dǎo)算后分配到各榀桁架.作用在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型上的恒載、活載、雪載及風(fēng)載等經(jīng)導(dǎo)算后有不同的方向和分布模式，見(jiàn)圖15.但是，當(dāng)設(shè)計(jì)模型映射為有限元計(jì)算模型后，所有載荷都?xì)w為統(tǒng)一形式的有限元載荷.
樓蓋對(duì)象以每個(gè)單連通的平面區(qū)域（即房間）為單位，樓蓋上的均布載荷也需經(jīng)過(guò)分配和傳遞后導(dǎo)算到每根構(gòu)件上，見(jiàn)圖16.
通過(guò)對(duì)話框的交互方式進(jìn)行模型的深化設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖17.軟件根據(jù)深化設(shè)計(jì)三維實(shí)體模型進(jìn)行圖紙繪制和數(shù)控加工CNC數(shù)據(jù)的輸出，圖18為樓蓋施工圖示例.
6結(jié)論
�。�1）根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行軟件功能階段和模型深化過(guò)程的劃分和組織，一方面符合實(shí)際設(shè)計(jì)工作的要求，另一方面也實(shí)現(xiàn)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到深化設(shè)計(jì)，從建模到結(jié)構(gòu)計(jì)算以及繪圖的功能集成一體化.
�。�2）基本模型對(duì)象的范圍界定直接決定軟件的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也在很大程度上影響軟件在界面上的使用模式.
�。�3）與常規(guī)的框架和剪力墻結(jié)構(gòu)體系相比，龍骨式低層冷彎薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅的構(gòu)造和設(shè)計(jì)模式有較大不同.多集合體的層次化模型設(shè)計(jì)方法同時(shí)兼顧結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)的宏觀性和構(gòu)件深化設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)性.
�。�4）龍骨式低層冷彎薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅不是整體結(jié)構(gòu)計(jì)算，而是基于部件的結(jié)構(gòu)分析，各部件的外載荷需經(jīng)多次傳遞和分配導(dǎo)算后確定.由于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)布置的復(fù)雜性，載荷導(dǎo)算的正確性顯得尤為重要.
�。�5）基于三維深化模型進(jìn)行圖紙繪制和CNC數(shù)據(jù)的編制，是該軟件與常規(guī)參數(shù)化直接二維繪圖的重要區(qū)別.該方式的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)果表達(dá)的正確性和精確性，需要進(jìn)一步改善的是二維圖紙的可讀性和美觀性.
(本文獲計(jì)算機(jī)輔助工程及其理論研討會(huì)2011(CAETS 2011)優(yōu)秀論文獎(jiǎng).)參考文獻(xiàn)：
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