冷彎薄壁輕型鋼結構住宅建筑CAD/CAM軟件

 　   摘要： 為開發冷彎薄壁輕型鋼結構住宅結構體系的專用CAD/CAM軟件，在介紹并分析該類結構體系及其典型連接節點的組成和構造特點的基礎上，依據實際設計工作進行軟件的功能設計和流程劃分，設計從設計模型到計算模型、再到深化模型的軟件架構和操作模式.該類結構體系基于部件進行設計、計算和拼裝，據此界定墻片、樓蓋區塊和單榀平面屋架等基本軟件對象，設計部件-構件的層次化對象數據結構，以兼顧結構設計與深化設計的不同要求.在AutoCAD圖形平臺上編制該CAD/CAM軟件，實現建模、計算和繪圖等若干核心功能. 

　　關鍵詞： 冷彎薄壁輕型鋼結構； CAD/CAM； 軟件架構； 數據結構； 軟件開發 

　　中圖分類號： TU392；TP317.4文獻標志碼： B 　 　

　　0引言 

　　冷彎薄壁輕型鋼結構住宅是一種以冷彎薄壁型鋼構件和輕型板材共同作為承重和維護結構的新型綠色住宅，見圖1. 　 

　　冷彎薄壁輕型鋼結構住宅具有節能環保、質量輕、強度高、抗震性能好以及易于規?；c標準化生產等諸多優點，在國外已被大量使用，近年來國內也開始逐步推廣應用. 

　　國外已經具備比較完善的輕型鋼結構住宅CAD/CAM軟件，已實現設計加工一體化、無紙化的自動數控加工；而在國內，由于這種軟件的復雜性以及國外對此類軟件的技術與商業壟斷，輕型鋼結構住宅CAD/CAM軟件成為國內各生產廠家普遍的技術瓶頸. 

　　龍骨結構體系是冷彎薄壁輕型鋼結構住宅的主要結構形式.針對該結構體系，本文開發出三維可視化的CAD/CAM集成化軟件. 

　　1結構體系與構造 

　　龍骨式低層冷彎薄壁輕型鋼結構住宅由屋面系統、樓面系統和墻面系統等3部分組成，見圖2.  

　　墻面系統由冷彎薄壁輕型鋼柱和內、外層結構覆面板組成，見圖3.墻體是主要的豎向和水平承重系統，起維護和承重的雙重作用.墻柱體系由C形鋼柱和導軌組成鋼骨架，并設置鋼拉帶支撐，墻體外側OSB板和內側石膏板通過自鉆螺釘與鋼骨架相連.樓面系統由冷彎薄壁輕型格柵鋼梁，上、下結構面板以及樓面細石混凝土等材料構成，柵格鋼梁間亦設置鋼拉帶等支撐構件，見圖4.屋面系統由冷彎薄壁輕型鋼桁架、屋面水平支撐及屋面板材料構成，見圖5. 　 

　　豎向載荷由樓蓋和屋蓋分別傳遞到墻體，再傳遞到基礎；風和地震等水平向載荷全部由載荷方向的墻體承擔. 

　　龍骨式低層冷彎薄壁輕型鋼結構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.從功能和構造上看，連接節點可分為2類：一類是墻面、樓面及屋面各子系統中構件的連接節點；另一類是子系統之間的連接節點.典型的連接節點見圖6. 

　　(a)墻體與基礎的連接(b)墻體構件的連接(c)上下層墻體的連接(d)樓蓋梁與基礎的連接(e)樓蓋梁與墻體的連接(f)屋蓋桁架的屋脊節點 　 

　　2系統功能與架構組織設計 

　　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控加工CNC數據的輸出.由于軟件本身的專業性質是結構設計軟件，根據結構的設計流程，可劃分為結構布置設計、結構力學計算、結構深化設計以及圖紙與數據輸出等4個功能階段. 

　　在結構布置設計階段，根據建筑設計圖布置與搭建墻體、樓蓋與屋蓋結構部件，形成住宅的主結構模型.在該階段中，忽略次構件以及構件的連接節點等細部構造，重點是形成整個主結構，為下一步的結構計算和規范驗算作準備.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、風載和地震作用等. 

　　龍骨式低層冷彎薄壁輕型鋼結構住宅結構的力學計算方式不同于一般的房屋結構計算.通常的房屋結構計算，如多層鋼框架結構或磚混砌體結構進行包含墻、柱、梁和樓板在內的整體結構計算，而冷彎薄壁輕型鋼結構住宅是基于屋蓋、樓蓋及墻體等結構部件的計算.外載荷按受載荷面積進行分配，如屋面載荷分配到各榀屋面的桁架；然后按連接關系進行載荷傳遞計算，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.各部件單獨形成計算模型，進行結構內力與位移計算，并按相關規范進行部件及其中各構件的驗算.一般情況下會將結構的計算結果返回結構布置設計階段，進行結構部件和構件的調整，然后再進行結構的力學計算.如此往復，直到各個結構指標均滿足要求. 

　　深化設計階段是連接節點與構件細部的設計，并進行節點和構件的歸并與編號，為鋼結構施工圖、加工圖和CNC加工數控輸出進行模型和數據準備.繪圖及CNC數據的編制完全依據深化模型，并形成一一對應關系. 

　　由上述可知，整個設計過程是模型由部件到構件、由構件到節點的逐步深入和細化過程，見圖7.其中，計算模型由結構模型映射而來，結構的構件將被映射為有限元計算模型的單元和節點，并根據結構模型的支撐情況在計算模型上設置正確的支座約束；結構模型上的載荷也被轉換為有限元計算模型上的單元或節點載荷. 　 

　　3模型對象的數據結構設計 

　　3.1模型對象的范圍劃分和界定 

　　可獨立操作模型對象的范圍界定直接影響軟件內部的數據結構組織，同時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構住宅全部由C形或U形構件搭建而成，如果以單根構件為基本操作對象，則各對象自身的數據結構簡單統一，對深化設計階段的節點和細部操作非常有利.但是，對于建立和維護對象間的邏輯關聯信息，基于構件的對象界定方法顯得非常復雜和繁瑣，而且這種結構體系是基于墻、樓板及榀架等部件的結構計算，單根構件的對象界定方式非常不利于部件計算模型和載荷的組織與信息關聯. 

　　根據龍骨式低層冷彎薄壁輕型鋼結構住宅的建模和結構計算的特點看，結構的物理對象可分為2個層次：（1）部件層次，包括墻體、樓蓋區塊（由墻體圍成的平面封閉區域）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折起伏，需通過一個“坡屋面”的虛擬對象用于桁架的建模，此外，還用于屋面載荷向各榀桁架的導算分配.（2）構件層次，即組成結構部件的C形、U形冷彎薄壁構件以及鋼拉帶和外覆面板等支撐構件.因此，建立以部件為基本操作對象的層次化數據結構是更好的組織方案. 

　　3.2模型的層次化數據結構設計 

　　構件對象內嵌在部件對象中.部件是多個構件的有機集成體，在部件對象中存儲并維護部件本身的總體信息和部件內各根構件對象之間的關聯信息，各根構件自身的信息存儲在構件對象內.該層次化數據結構［2］的統一描述見圖8. 　 

　　將上述層次化的參數描述關系具體到墻體、樓蓋和屋架等3個子系統，則有如圖9所示的邏輯組織關系.構件集成體（子系統）內部各構件之間連接節點內置為子系統內部的連接功能，構件集成體之間的連接節點（如連接板與抗拔錨栓等）則由外部的連接零件對象和連接功能予以表示和實現. 

　　(a)墻體對象的層次化數據結構 

　　(b)樓蓋對象的層次化數據結構 

　　(c)屋架對象的層次化數據結構 

　　(d)單根構件對象的數據結構 　 

　　4程序設計 

　　在AutoCAD三維圖形平臺［3］上，以二次開發接口ObjectARX［4］和VC++為工具，用普通PC機開發該CAD/CAM軟件系統.軟件的開發和運行環境的層次結構［1］見圖10. 　 

　　墻體、樓蓋和屋架的數據結構拓樸具有很大的相似性，應用C++的“繼承”和“多態”特性，建立基類和繼承類的派生關系，見圖11.多構件集成體類從ObjectARX的AcDbEntity類派生，構件類從AcDb3dSolid類派生.AcDb3dSolid是三維實體類，具有C形和U形截面構件的三維造型與編輯操作. 　 

　　軟件的主要功能模塊組織［5-6］見圖12，結構三維實體模型是系統核心數據庫. 　 

　　5軟件核心功能 

　　墻體和樓蓋的建模示例見圖13，軟件根據門窗和樓蓋洞口的位置進行構件的布置調整以及周邊構件的加強處理.結構外周墻體形成一個封閉的平面邊界，軟件根據此邊界以及指定的坡度自動生成坡屋面，然后再依據坡屋面的形狀自動排列生成各榀屋蓋桁架，見圖14.平面桁架腹桿的劃分布置按對稱與不對稱區域，三角區域、梯形區域及任意形狀區域進行優化. 　　 

　　屋蓋上的載荷按受載荷面積經導算后分配到各榀桁架.作用在結構設計模型上的恒載、活載、雪載及風載等經導算后有不同的方向和分布模式，見圖15.但是，當設計模型映射為有限元計算模型后，所有載荷都歸為統一形式的有限元載荷.  

　　樓蓋對象以每個單連通的平面區域（即房間）為單位，樓蓋上的均布載荷也需經過分配和傳遞后導算到每根構件上，見圖16.  

　　通過對話框的交互方式進行模型的深化設計，見圖17.軟件根據深化設計三維實體模型進行圖紙繪制和數控加工CNC數據的輸出，圖18為樓蓋施工圖示例. 　 

　　6結論 

　?。?）根據結構設計流程進行軟件功能階段和模型深化過程的劃分和組織，一方面符合實際設計工作的要求，另一方面也實現從結構設計到深化設計，從建模到結構計算以及繪圖的功能集成一體化. 

　?。?）基本模型對象的范圍界定直接決定軟件的內部數據結構設計，也在很大程度上影響軟件在界面上的使用模式. 

　?。?）與常規的框架和剪力墻結構體系相比，龍骨式低層冷彎薄壁輕型鋼結構住宅的構造和設計模式有較大不同.多集合體的層次化模型設計方法同時兼顧結構部件設計的宏觀性和構件深化設計的細節性. 

　?。?）龍骨式低層冷彎薄壁輕型鋼結構住宅不是整體結構計算，而是基于部件的結構分析，各部件的外載荷需經多次傳遞和分配導算后確定.由于實際工程結構布置的復雜性，載荷導算的正確性顯得尤為重要. 

　?。?）基于三維深化模型進行圖紙繪制和CNC數據的編制，是該軟件與常規參數化直接二維繪圖的重要區別.該方式的最大優點是結果表達的正確性和精確性，需要進一步改善的是二維圖紙的可讀性和美觀性. 

　　(本文獲計算機輔助工程及其理論研討會2011(CAETS 2011)優秀論文獎.)參考文獻： 

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