范高杰， 王子茹

（大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院，遼寧 大連 116024）

煙囪屬于特種結(jié)構(gòu)的一種，是工業(yè)建筑尤其是火電廠建筑中的重要構(gòu)筑物，結(jié)構(gòu)形式與作用、荷載獨(dú)特，與一般建筑結(jié)構(gòu)有許多不同之處，如需考慮溫度影響，在內(nèi)力分析時(shí)還需考慮附加彎矩等，其設(shè)計(jì)工作量大。采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法費(fèi)時(shí)、繁瑣。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在設(shè)計(jì)界的應(yīng)用，煙囪的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)也得到了開(kāi)展。文獻(xiàn)[1]是以《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ51—83 為計(jì)算依據(jù)，以DELPHI5 為開(kāi)發(fā)工具實(shí)現(xiàn)單筒式鋼筋混凝土煙囪的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[2]是PKPM 系列軟件中的一個(gè)模塊，采用Visual C++ 和Visual Fortran 混合編程，以自主產(chǎn)權(quán)的CFG 圖形支撐庫(kù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單筒式鋼筋混凝土煙囪上部結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)的計(jì)算和施工圖的自動(dòng)生成。文獻(xiàn)[3]主要針對(duì)單筒式鋼筋混凝土煙囪的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，并提出對(duì)于套筒式煙囪計(jì)算時(shí)，需要將內(nèi)筒的荷載按照相關(guān)規(guī)定計(jì)算好以后，以附加荷載的形式輸入。從已有的資料看，目前國(guó)內(nèi)在煙囪CAD 的研發(fā)上，主要是以單筒煙囪設(shè)計(jì)為主要研究開(kāi)發(fā)對(duì)象。隨著環(huán)保要求的提高，目前新建的電廠均需脫硫或考慮脫硫條件。電廠脫硫后，對(duì)煙囪的腐蝕將會(huì)加劇。為防腐蝕需要，煙囪內(nèi)外筒結(jié)構(gòu)分開(kāi)的套筒式和多管式煙囪已在電廠廣泛采用[4]。因此，研究套筒式煙囪的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。本文以Visual C++6.0 為編程語(yǔ)言，以AutoCAD 為圖形支撐平臺(tái)開(kāi)發(fā)，以《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50051―2002)為計(jì)算依據(jù)，對(duì)套筒式煙囪的CAD 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)作了研究，實(shí)現(xiàn)了套筒式煙囪設(shè)計(jì)從結(jié)構(gòu)分析、配筋計(jì)算到施工圖繪制的一體化。

1 套筒式煙囪CAD 系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括3 個(gè)模塊，即前處理模塊、計(jì)算模塊和后處理模塊。其中前處理模塊實(shí)現(xiàn)模型的建立和即時(shí)預(yù)覽。計(jì)算模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)套筒式煙囪的計(jì)算。后處理模塊實(shí)現(xiàn)施工圖的自動(dòng)繪制和計(jì)算書(shū)的自動(dòng)生成。套筒式煙囪CAD 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 套筒式煙囪CAD 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)主要模塊功能及實(shí)現(xiàn)

1.2.1 前處理模塊

此模塊用于實(shí)現(xiàn)套筒式煙囪計(jì)算模型的建立及即時(shí)預(yù)覽。

計(jì)算模型是通過(guò)往AutoCAD 數(shù)據(jù)庫(kù)的塊表記錄中寫(xiě)入實(shí)體的方式來(lái)建立。 用CAcUiTabMainDialog 類來(lái)構(gòu)造標(biāo)簽式對(duì)話框的主對(duì)話框，用CAcUiTabChildDialog 類來(lái)構(gòu)造每個(gè)標(biāo)簽子對(duì)話框。首先，是在對(duì)話框中輸入?yún)?shù)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)所輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)合法性檢查，然后根據(jù)參數(shù)建立相應(yīng)的實(shí)體，并將建立的實(shí)體寫(xiě)入圖塊，實(shí)現(xiàn)計(jì)算模型的建立。其中，三維模型的建立主要通過(guò)兩種方式：① 創(chuàng)建一系列的常規(guī)三維實(shí)體，然后對(duì)這些實(shí)體進(jìn)行布爾運(yùn)算(AcDb：：kBoolUnite（并集）、AcDb：：kBoolIntersect（交集）和AcDb：：kBoolSubtract（差集）三種類型)實(shí)現(xiàn)三維模型的建立；② 建立多段線，形成面域，通過(guò)對(duì)面域的拉伸、旋轉(zhuǎn)生成自定義形狀的三維實(shí)體。以下的程序說(shuō)明斜撐式支承平臺(tái)中的鋼筋混凝土承重環(huán)梁三維實(shí)體的主要構(gòu)建過(guò)程：

環(huán)梁創(chuàng)建效果如圖2 所示。

圖2 斜撐式支撐平臺(tái)環(huán)梁效果圖

對(duì)計(jì)算模型的即時(shí)預(yù)覽由CPreview 類來(lái)實(shí)現(xiàn)，該類是從AcGsView 中派生。把建立的圖塊加載在對(duì)話框的CStatic 控件區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算模型的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、拖動(dòng)等預(yù)覽操作。

1.2.2 計(jì)算模塊

采用了面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，將一系列的?jì)算（煙囪自重計(jì)算、溫度計(jì)算、風(fēng)荷載計(jì)算、地震荷載計(jì)算、附加彎矩計(jì)算等）都通過(guò)類的封裝來(lái)實(shí)現(xiàn)，將計(jì)算過(guò)程中的重要系數(shù)、參數(shù)設(shè)計(jì)為類的成員變量，將計(jì)算過(guò)程中涉及到的主要的函數(shù)設(shè)為虛函數(shù)，這樣繼承與多態(tài)性還可以大大提高程序的可重用性，對(duì)不同形式的煙囪采用不同的派生子類，使得軟件的后續(xù)開(kāi)發(fā)和維護(hù)都更為方便，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的安全性也有了良好的保障。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，每一個(gè)子模塊的計(jì)算都通過(guò)標(biāo)簽式對(duì)話框?qū)⒚恳徊接?jì)算的結(jié)果在對(duì)話庫(kù)中的表格中體現(xiàn)出來(lái)，因此在計(jì)算過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員可以人工干預(yù)計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)會(huì)對(duì)所用戶輸入的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行驗(yàn)算。

此模塊包含了4 個(gè)子模塊，在此闡述各個(gè)子模塊計(jì)算時(shí)關(guān)鍵計(jì)算方法如下：

（1） 磚砌排煙筒計(jì)算模塊

套筒式煙囪之磚內(nèi)筒設(shè)置于各層平臺(tái)上，其地震效應(yīng)類似于樓層上放置一個(gè)設(shè)備。根據(jù)《石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于“樓層上設(shè)備地震作用計(jì)算”的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算[4-5]。

對(duì)于煙囪其風(fēng)荷載效應(yīng)包含兩部分，即順風(fēng)向荷載和橫風(fēng)向荷載。對(duì)于順風(fēng)向荷載，同樣也包含兩部分，即平均風(fēng)靜荷載和脈動(dòng)風(fēng)引起的動(dòng)荷載。由于鋼筋混凝土外筒的存在，平均風(fēng)靜荷載不直接作用在磚內(nèi)筒上，因此可不考慮這部分荷載對(duì)內(nèi)筒的影響。對(duì)于風(fēng)荷載中的動(dòng)力部分,應(yīng)考慮振動(dòng)效應(yīng)對(duì)內(nèi)筒的影響[4]。

一般磚煙囪由于高度較小、截面較大，并且設(shè)計(jì)時(shí)控制其截面偏心距不大于截面核心距，因此《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50051―2002)沒(méi)有考慮附加彎矩影響。但對(duì)于套筒式鋼筋混凝土煙囪，由于煙囪較高，煙囪變形大，并且每節(jié)磚內(nèi)筒的高度都在25m 左右，平臺(tái)之間的層間位移較大，因此，有必要考慮磚內(nèi)筒的附加彎矩。

（2） 斜撐式支撐平臺(tái)計(jì)算模塊

斜撐式支撐平臺(tái)是由鋼筋混凝土承重環(huán)梁、鋼支柱、平臺(tái)鋼梁、平臺(tái)剪力撐和平臺(tái)鋼格柵板組成。

此模塊實(shí)現(xiàn)的計(jì)算主要有：

1） 平臺(tái)鋼梁計(jì)算；

2） 鋼筋混凝土承重環(huán)梁計(jì)算，主要包括環(huán)梁荷重計(jì)算、環(huán)梁承載能力極限狀態(tài)計(jì)算、環(huán)梁正常使用極限狀態(tài)計(jì)算；

3） 鋼支柱計(jì)算，主要包括鋼支柱長(zhǎng)度和柱頂荷載計(jì)算、鋼支柱強(qiáng)度驗(yàn)算、鋼支柱穩(wěn)定驗(yàn)算。

計(jì)算方法詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[6]，不再贅述。 （3） 鋼筋混凝土承重外筒計(jì)算模塊

在考慮了各層斜撐式支撐平臺(tái)、內(nèi)煙道和內(nèi)煙道處鋼筋混凝土承重外筒與磚砌排煙筒間夾層平臺(tái)傳來(lái)的附加荷載后，煙囪鋼筋混凝土承重外筒的計(jì)算和單筒式鋼筋混凝土煙囪的計(jì)算完全相同。僅僅是將煙氣溫度由原來(lái)的煙氣最高溫度改為內(nèi)外筒間夾層溫度，煙囪筒身保溫隔熱層和內(nèi)襯磚砌體厚度按照0mm 考慮即可。承重外筒計(jì)算時(shí)，平臺(tái)活荷載根據(jù)不同計(jì)算目的按照規(guī)范中的計(jì)算原則分別加以計(jì)算[6]。

斜柱下端處外筒受的附加環(huán)向拉力計(jì)算

外筒局部抗壓強(qiáng)度驗(yàn)算

外筒抗沖切強(qiáng)度驗(yàn)算

1.2.3 后處理模塊

此模塊包含兩個(gè)部分：計(jì)算書(shū)與文件存取、施工圖紙的自動(dòng)生成。

（1） 計(jì)算書(shū)與文件存取

工程文件的存取和計(jì)算書(shū)的生成通過(guò)序列化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)生成txt 格式計(jì)算書(shū)。

（2） 施工圖紙的自動(dòng)生成

一套完整的煙囪施工圖紙通常包含復(fù)雜的工程信息量。為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)生成圖紙，需要將復(fù)雜圖形分塊和參數(shù)化，再對(duì)塊進(jìn)行拼裝。AutoCAD 數(shù)據(jù)庫(kù)中的帶屬性定義的塊表記錄和帶屬性的塊引用能滿足解決此類問(wèn)題的要求。為此，在圖紙的自動(dòng)生成過(guò)程中，大量運(yùn)用了AutoCAD 數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖塊技術(shù)。在此以鋼筋混凝土外筒豎向配筋塊為例說(shuō)明圖紙動(dòng)態(tài)生成主要技術(shù)，圖3 中除了標(biāo)注部分的文字之外的所有文字都為屬性對(duì)象。主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

創(chuàng)建塊參照與前一函數(shù)創(chuàng)建的塊表記錄相關(guān)聯(lián)，并添加到模型空間；

圖3 鋼筋混凝土外筒（一節(jié)）豎向配筋圖塊

創(chuàng)建塊表記錄遍歷器，遍歷指定塊表記錄中的實(shí)體

2 工程實(shí)例

2.1 設(shè)計(jì)資料

采用《煙囪工程手冊(cè)》套筒式煙囪計(jì)算算例，煙囪高240m，煙囪頂部出口內(nèi)直徑D0=7m，設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓W0=0.35kN/m2，抗震設(shè)防烈度7 度，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，地面粗糙程度為B 類。排煙筒內(nèi)煙氣溫度Tg1=145℃，鋼筋混凝土承重外筒與磚砌排煙筒間夾層溫度Tg2=41.5℃+10 =51.5℃ ℃（夏季工況）和Tg2=10℃（冬季工況），夏季極端最高溫度 Ta=41.5℃，冬季極端最低溫度Ta=-3.7℃。套筒式煙囪筒身有鋼筋混凝土承重外筒、磚砌排煙筒（含耐酸砂漿封閉層和保溫隔熱層）、斜撐式支撐平臺(tái)、積灰平臺(tái)、內(nèi)煙道和其他附屬設(shè)施組成。斜撐式支撐平臺(tái)是由鋼筋混凝土承重環(huán)梁、鋼支柱、平臺(tái)鋼梁、平臺(tái)剪力撐和平臺(tái)鋼格柵板組成，支撐平臺(tái)沿筒身高度25m 間距設(shè)置，共9 層，標(biāo)高分別為30.0m、55.0m、80.0m、105.0m、130.0m、155.0m、180.0m、205.0m和230.0m。

2.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

2.2.1 啟動(dòng)程序

套筒式煙囪CAD 系統(tǒng)本質(zhì)為一.arx 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，啟動(dòng)AutoCAD 后選擇“工具”-＞“加載應(yīng)用程序”，選擇chimney.arx，運(yùn)行程序，套筒式煙囪CAD 系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖4 所示。

圖4 套筒式煙囪CAD 系統(tǒng)菜單和工具欄

2.2.2 建立模型、預(yù)覽

在總體信息中輸入煙囪總高、頂部?jī)?nèi)直徑、溫度信息、地震、風(fēng)荷載信息；在材料信息中輸入材料的重力密度、導(dǎo)熱系數(shù)；外筒分節(jié)信息中輸入外筒參數(shù)，如分層高度、筒壁厚度、坡度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)等；在磚內(nèi)筒分節(jié)信息中輸入平臺(tái)總數(shù)、各個(gè)平臺(tái)高度、各分節(jié)磚煙囪砌體厚度、封閉層、保溫層厚度、筒壁坡度等；支撐平臺(tái)、洞口信息中輸入各平臺(tái)鋼梁長(zhǎng)度、鋼支柱長(zhǎng)度、選用規(guī)格、鋼筋混凝土環(huán)梁寬度、高度、角度、重心半徑、各個(gè)分節(jié)洞口寬度、高度等。通過(guò)前處理模塊實(shí)現(xiàn)計(jì)算模型的建立及預(yù)覽如圖5 所示。

2.2.3 計(jì) 算

前處理完成之后點(diǎn)擊“計(jì)算”會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)煙囪的計(jì)算，通過(guò)“磚內(nèi)筒-支撐平臺(tái)-外筒”順序顯示計(jì)算結(jié)果，各個(gè)模塊顯示其中涉及到的計(jì)算，如自重計(jì)算、風(fēng)荷載、動(dòng)力特征、地震荷載、溫度計(jì)算、附加彎矩等的詳細(xì)計(jì)算信息，通過(guò)計(jì)算模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)煙囪動(dòng)力特征的計(jì)算數(shù)據(jù)如圖6 所示。

2.2.4 生成施工圖

點(diǎn)擊“鋼筋混凝土外筒計(jì)算”對(duì)話框（見(jiàn)圖6）中“施工圖”按鈕，實(shí)現(xiàn)施工圖的自動(dòng)繪制，結(jié)果如圖7（筒身布置圖）、圖8（0m─80m 煙囪豎向配筋圖）、圖9（斷面圖）所示。

圖5 煙囪建模、預(yù)覽

圖6 煙囪計(jì)算

圖7 筒身布置圖

圖8 0m─80m 煙囪豎向配筋圖

圖9 斷面圖

3 結(jié) 束 語(yǔ)

基于ObjectARX 的套筒式煙囪CAD 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，根據(jù)煙囪最新規(guī)范，將煙囪設(shè)計(jì)的前處理、結(jié)構(gòu)分析和后處理集為一體，解決了從內(nèi)筒到外筒到支撐平臺(tái)的自動(dòng)導(dǎo)荷計(jì)算的問(wèn)題，并考慮了磚內(nèi)筒置于平臺(tái)上時(shí)的特殊計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)了磚砌排煙筒內(nèi)筒式套筒煙囪的上部結(jié)構(gòu)從計(jì)算模型建立到配筋計(jì)算到施工圖紙的自動(dòng)繪制。實(shí)例表明，該系統(tǒng)具有界面友好、操作簡(jiǎn)單、計(jì)算準(zhǔn)確可靠、繪圖迅速等特點(diǎn)。該系統(tǒng)的研制為套筒形式的煙囪設(shè)計(jì)提供了一種較為快捷、方便的設(shè)計(jì)方法，拓展了煙囪CAD 的應(yīng)用范圍，為提高我國(guó)煙囪設(shè)計(jì)的自動(dòng)化水平做出了有益探索。

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