冷弯薄壁轻型钢结构住宅建筑CAD/CAM软件

 　   摘要： 为开发冷弯薄壁轻型钢结构住宅结构体系的专用CAD/CAM软件，在介绍并分析该类结构体系及其典型连接节点的组成和构造特点的基础上，依据实际设计工作进行软件的功能设计和流程划分，设计从设计模型到计算模型、再到深化模型的软件架构和操作模式.该类结构体系基于部件进行设计、计算和拼装，据此界定墙片、楼盖区块和单榀平面屋架等基本软件对象，设计部件-构件的层次化对象数据结构，以兼顾结构设计与深化设计的不同要求.在AutoCAD图形平台上编制该CAD/CAM软件，实现建模、计算和绘图等若干核心功能. 

　　关键词： 冷弯薄壁轻型钢结构； CAD/CAM； 软件架构； 数据结构； 软件开发 

　　中图分类号： TU392；TP317.4文献标志码： B 　 　

　　0引言 

　　冷弯薄壁轻型钢结构住宅是一种以冷弯薄壁型钢构件和轻型板材共同作为承重和维护结构的新型绿色住宅，见图1. 　 

　　冷弯薄壁轻型钢结构住宅具有节能环保、质量轻、强度高、抗震性能好以及易于规模化与标准化生产等诸多优点，在国外已被大量使用，近年来国内也开始逐步推广应用. 

　　国外已经具备比较完善的轻型钢结构住宅CAD/CAM软件，已实现设计加工一体化、无纸化的自动数控加工；而在国内，由于这种软件的复杂性以及国外对此类软件的技术与商业垄断，轻型钢结构住宅CAD/CAM软件成为国内各生产厂家普遍的技术瓶颈. 

　　龙骨结构体系是冷弯薄壁轻型钢结构住宅的主要结构形式.针对该结构体系，本文开发出三维可视化的CAD/CAM集成化软件. 

　　1结构体系与构造 

　　龙骨式低层冷弯薄壁轻型钢结构住宅由屋面系统、楼面系统和墙面系统等3部分组成，见图2.  

　　墙面系统由冷弯薄壁轻型钢柱和内、外层结构覆面板组成，见图3.墙体是主要的竖向和水平承重系统，起维护和承重的双重作用.墙柱体系由C形钢柱和导轨组成钢骨架，并设置钢拉带支撑，墙体外侧OSB板和内侧石膏板通过自钻螺钉与钢骨架相连.楼面系统由冷弯薄壁轻型格栅钢梁，上、下结构面板以及楼面细石混凝土等材料构成，栅格钢梁间亦设置钢拉带等支撑构件，见图4.屋面系统由冷弯薄壁轻型钢桁架、屋面水平支撑及屋面板材料构成，见图5. 　 

　　竖向载荷由楼盖和屋盖分别传递到墙体，再传递到基础；风和地震等水平向载荷全部由载荷方向的墙体承担. 

　　龙骨式低层冷弯薄壁轻型钢结构住宅的所有部件均由薄壁的C形钢、U形钢及钢带拼装而成，再用自攻螺钉连接.从功能和构造上看，连接节点可分为2类：一类是墙面、楼面及屋面各子系统中构件的连接节点；另一类是子系统之间的连接节点.典型的连接节点见图6. 

　　(a)墙体与基础的连接(b)墙体构件的连接(c)上下层墙体的连接(d)楼盖梁与基础的连接(e)楼盖梁与墙体的连接(f)屋盖桁架的屋脊节点 　 

　　2系统功能与架构组织设计 

　　软件功能［1］在总体上可分为2部分：建模以及图纸绘制与数控加工CNC数据的输出.由于软件本身的专业性质是结构设计软件，根据结构的设计流程，可划分为结构布置设计、结构力学计算、结构深化设计以及图纸与数据输出等4个功能阶段. 

　　在结构布置设计阶段，根据建筑设计图布置与搭建墙体、楼盖与屋盖结构部件，形成住宅的主结构模型.在该阶段中，忽略次构件以及构件的连接节点等细部构造，重点是形成整个主结构，为下一步的结构计算和规范验算作准备.在此阶段的模型上还要施加和编辑所有的外部载荷，包括恒载、活载、雪载、风载和地震作用等. 

　　龙骨式低层冷弯薄壁轻型钢结构住宅结构的力学计算方式不同于一般的房屋结构计算.通常的房屋结构计算，如多层钢框架结构或砖混砌体结构进行包含墙、柱、梁和楼板在内的整体结构计算，而冷弯薄壁轻型钢结构住宅是基于屋盖、楼盖及墙体等结构部件的计算.外载荷按受载荷面积进行分配，如屋面载荷分配到各榀屋面的桁架；然后按连接关系进行载荷传递计算，即屋盖桁架与楼盖的载荷传递到墙体，上层墙体载荷传递到下层墙体.各部件单独形成计算模型，进行结构内力与位移计算，并按相关规范进行部件及其中各构件的验算.一般情况下会将结构的计算结果返回结构布置设计阶段，进行结构部件和构件的调整，然后再进行结构的力学计算.如此往复，直到各个结构指标均满足要求. 

　　深化设计阶段是连接节点与构件细部的设计，并进行节点和构件的归并与编号，为钢结构施工图、加工图和CNC加工数控输出进行模型和数据准备.绘图及CNC数据的编制完全依据深化模型，并形成一一对应关系. 

　　由上述可知，整个设计过程是模型由部件到构件、由构件到节点的逐步深入和细化过程，见图7.其中，计算模型由结构模型映射而来，结构的构件将被映射为有限元计算模型的单元和节点，并根据结构模型的支撑情况在计算模型上设置正确的支座约束；结构模型上的载荷也被转换为有限元计算模型上的单元或节点载荷. 　 

　　3模型对象的数据结构设计 

　　3.1模型对象的范围划分和界定 

　　可独立操作模型对象的范围界定直接影响软件内部的数据结构组织，同时也在很大程度上决定软件在使用界面上的基本模式.［2］ 

　　龙骨式低层冷弯薄壁轻型钢结构住宅全部由C形或U形构件搭建而成，如果以单根构件为基本操作对象，则各对象自身的数据结构简单统一，对深化设计阶段的节点和细部操作非常有利.但是，对于建立和维护对象间的逻辑关联信息，基于构件的对象界定方法显得非常复杂和繁琐，而且这种结构体系是基于墙、楼板及榀架等部件的结构计算，单根构件的对象界定方式非常不利于部件计算模型和载荷的组织与信息关联. 

　　根据龙骨式低层冷弯薄壁轻型钢结构住宅的建模和结构计算的特点看，结构的物理对象可分为2个层次：（1）部件层次，包括墙体、楼盖区块（由墙体围成的平面封闭区域）和屋盖的各榀平面桁架.其中，屋盖桁架的上弦沿坡屋面的形状转折起伏，需通过一个“坡屋面”的虚拟对象用于桁架的建模，此外，还用于屋面载荷向各榀桁架的导算分配.（2）构件层次，即组成结构部件的C形、U形冷弯薄壁构件以及钢拉带和外覆面板等支撑构件.因此，建立以部件为基本操作对象的层次化数据结构是更好的组织方案. 

　　3.2模型的层次化数据结构设计 

　　构件对象内嵌在部件对象中.部件是多个构件的有机集成体，在部件对象中存储并维护部件本身的总体信息和部件内各根构件对象之间的关联信息，各根构件自身的信息存储在构件对象内.该层次化数据结构［2］的统一描述见图8. 　 

　　将上述层次化的参数描述关系具体到墙体、楼盖和屋架等3个子系统，则有如图9所示的逻辑组织关系.构件集成体（子系统）内部各构件之间连接节点内置为子系统内部的连接功能，构件集成体之间的连接节点（如连接板与抗拔锚栓等）则由外部的连接零件对象和连接功能予以表示和实现. 

　　(a)墙体对象的层次化数据结构 

　　(b)楼盖对象的层次化数据结构 

　　(c)屋架对象的层次化数据结构 

　　(d)单根构件对象的数据结构 　 

　　4程序设计 

　　在AutoCAD三维图形平台［3］上，以二次开发接口ObjectARX［4］和VC++为工具，用普通PC机开发该CAD/CAM软件系统.软件的开发和运行环境的层次结构［1］见图10. 　 

　　墙体、楼盖和屋架的数据结构拓朴具有很大的相似性，应用C++的“继承”和“多态”特性，建立基类和继承类的派生关系，见图11.多构件集成体类从ObjectARX的AcDbEntity类派生，构件类从AcDb3dSolid类派生.AcDb3dSolid是三维实体类，具有C形和U形截面构件的三维造型与编辑操作. 　 

　　软件的主要功能模块组织［5-6］见图12，结构三维实体模型是系统核心数据库. 　 

　　5软件核心功能 

　　墙体和楼盖的建模示例见图13，软件根据门窗和楼盖洞口的位置进行构件的布置调整以及周边构件的加强处理.结构外周墙体形成一个封闭的平面边界，软件根据此边界以及指定的坡度自动生成坡屋面，然后再依据坡屋面的形状自动排列生成各榀屋盖桁架，见图14.平面桁架腹杆的划分布置按对称与不对称区域，三角区域、梯形区域及任意形状区域进行优化. 　　 

　　屋盖上的载荷按受载荷面积经导算后分配到各榀桁架.作用在结构设计模型上的恒载、活载、雪载及风载等经导算后有不同的方向和分布模式，见图15.但是，当设计模型映射为有限元计算模型后，所有载荷都归为统一形式的有限元载荷.  

　　楼盖对象以每个单连通的平面区域（即房间）为单位，楼盖上的均布载荷也需经过分配和传递后导算到每根构件上，见图16.  

　　通过对话框的交互方式进行模型的深化设计，见图17.软件根据深化设计三维实体模型进行图纸绘制和数控加工CNC数据的输出，图18为楼盖施工图示例. 　 

　　6结论 

　　（1）根据结构设计流程进行软件功能阶段和模型深化过程的划分和组织，一方面符合实际设计工作的要求，另一方面也实现从结构设计到深化设计，从建模到结构计算以及绘图的功能集成一体化. 

　　（2）基本模型对象的范围界定直接决定软件的内部数据结构设计，也在很大程度上影响软件在界面上的使用模式. 

　　（3）与常规的框架和剪力墙结构体系相比，龙骨式低层冷弯薄壁轻型钢结构住宅的构造和设计模式有较大不同.多集合体的层次化模型设计方法同时兼顾结构部件设计的宏观性和构件深化设计的细节性. 

　　（4）龙骨式低层冷弯薄壁轻型钢结构住宅不是整体结构计算，而是基于部件的结构分析，各部件的外载荷需经多次传递和分配导算后确定.由于实际工程结构布置的复杂性，载荷导算的正确性显得尤为重要. 

　　（5）基于三维深化模型进行图纸绘制和CNC数据的编制，是该软件与常规参数化直接二维绘图的重要区别.该方式的最大优点是结果表达的正确性和精确性，需要进一步改善的是二维图纸的可读性和美观性. 

　　(本文获计算机辅助工程及其理论研讨会2011(CAETS 2011)优秀论文奖.)参考文献： 

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　　［3］孙家广, 杨长贵. 计算机图形学［M］. 北京: 清华大学出版社, 1995: 368-459. 

　　［4］陈杉, 王宁, 郭剑峰. 用ObjectARX开发AutoCAD 2000应用程序［M］. 北京: 人民邮电出版社, 2000: 21-41. 

　　［5］杨晖柱, 常治国, 张其林, 等. 广州西塔钢结构深化设计CAD软件［J］. 计算机辅助工程, 2007, 16(3): 13-16. 

　　YANG Huizhu, CHANG Zhiguo, ZHANG Qilin, et al. CAD software for detailing design of Guangzhou West-tower steel structure［J］. Comput Aided Eng, 2007, 16(3): 13-16. 

　　［6］杨晖柱, 常治国, 杨宗林, 等. 世博轴阳光谷钢结构CAD/CAM集成信息系统［J］. 施工技术, 2009, 38(8): 35-37.