劉 媛 王 茹 夏緒勇 馬恩成 朱 恒

(1.西安建筑科技大學(xué)土木學(xué)院，西安 710055;

2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件研究所，北京 100013)

PKPM鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)程序的重建與改進(jìn)

劉 媛1王 茹1夏緒勇2馬恩成2朱 恒2

(1.西安建筑科技大學(xué)土木學(xué)院，西安 710055;

2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件研究所，北京 100013)

針對(duì)我國(guó)自主研發(fā)的PKPM系列鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)果不能人為干預(yù)的問(wèn)題以及其設(shè)計(jì)機(jī)制的缺陷，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的專業(yè)特點(diǎn)，研發(fā)出新的適合于鋼框架節(jié)點(diǎn)的CAD程序。程序研發(fā)采用C++面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)技術(shù)，提供了靈活的人工交互功能，不僅可以實(shí)現(xiàn)三維框架的全樓自動(dòng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，且設(shè)計(jì)者可以合并節(jié)點(diǎn)、修改節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)果并重新校核，使得鋼框架節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)變得快速、簡(jiǎn)便且準(zhǔn)確，從而提高工程效率。本文成果已以動(dòng)態(tài)庫(kù)插件形式作為鋼結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)基類庫(kù)應(yīng)用于PKPM系列鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件各個(gè)模塊中，取得了良好的應(yīng)用效果。

鋼結(jié)構(gòu);節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì);面向?qū)ο?PKPM;CAD

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中工作量比較大且十分關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)完成節(jié)點(diǎn)的連接設(shè)計(jì)，可以將鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者從繁瑣而復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中解脫出來(lái)，提高工作效率。

PKPM系列鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件STS和STXT可以完成鋼結(jié)構(gòu)框架的全樓節(jié)點(diǎn)自動(dòng)設(shè)計(jì)，但其長(zhǎng)期以來(lái)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)模式是自動(dòng)設(shè)計(jì)，即程序自動(dòng)獲得節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)件的截面尺寸和端部?jī)?nèi)力，通過(guò)反復(fù)的調(diào)整和驗(yàn)算，獲得滿足要求的合理的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。這種方法的好處是需要用戶參與修改的地方較少，自動(dòng)化程度高，對(duì)于比較規(guī)則的小型框架結(jié)構(gòu)有較大優(yōu)勢(shì)。但在實(shí)際工程中，框架本身的內(nèi)力并不均勻，而這些較小的內(nèi)力差別也可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)自動(dòng)設(shè)計(jì)出的結(jié)果不同，使得節(jié)點(diǎn)類型增多，出圖量急劇增加，也給施工帶來(lái)很大的難度。所以，大部分情況下都需要對(duì)自動(dòng)設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行修改歸并，并重新驗(yàn)算。

本文針對(duì)以上問(wèn)題，在STS和STXT鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)程序基礎(chǔ)上，不僅實(shí)現(xiàn)了三維框架的全樓自動(dòng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，同時(shí)提供了靈活的人工交互功能，設(shè)計(jì)者可以進(jìn)行合并節(jié)點(diǎn)、修改節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)果并重新校核，使鋼框架節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)變得快速、簡(jiǎn)便且準(zhǔn)確，從而提高工程效率。本文成果已應(yīng)用于PKPM系列鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件。

2 新節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)程序的開(kāi)發(fā)

PKPM系列鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中原有的程序組織采用早期的過(guò)程化設(shè)計(jì)方式，每種節(jié)點(diǎn)類型的全部設(shè)計(jì)步驟都在一個(gè)過(guò)程中完成，因此針對(duì)每個(gè)不同類型的節(jié)點(diǎn)，都需要編寫一個(gè)相應(yīng)的設(shè)計(jì)流程。這樣不僅組織上比較混亂，易讀性也很差，添加新節(jié)點(diǎn)也比較麻煩，難以跟上改進(jìn)的需求。另一方面，其自動(dòng)設(shè)計(jì)的方式是對(duì)各項(xiàng)驗(yàn)算內(nèi)容邊校核邊調(diào)整，二者是連在一起的，無(wú)法修改為校核和調(diào)整兩項(xiàng)功能。綜上，直接進(jìn)行修改顯然是不現(xiàn)實(shí)的，要對(duì)原有的自動(dòng)設(shè)計(jì)機(jī)制做改變，重新開(kāi)發(fā)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)程序。

本文充分利用C++面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)研究鋼框架節(jié)點(diǎn)的類型、設(shè)計(jì)與校核等內(nèi)容，根據(jù)其專業(yè)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)類進(jìn)行了全面的劃分、設(shè)計(jì)與整體構(gòu)架的搭建。

2.1 模塊劃分與組織

按照功能可以將節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)重新劃分為初始化、校核、調(diào)整、輸出四個(gè)模塊。在設(shè)計(jì)思路上各模塊應(yīng)做到相互之間獨(dú)立，這樣就可以用不同的模塊組合來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能。

每個(gè)模塊需要實(shí)現(xiàn)不同的功能，具體如下。

(1)初始化模塊

實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的初始化，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)設(shè)計(jì)之前根據(jù)構(gòu)造要求對(duì)各項(xiàng)節(jié)點(diǎn)連接參數(shù)進(jìn)行合理的初值賦值。

(2)校核模塊

包含了各個(gè)板件、焊縫、螺栓等的校核。每一項(xiàng)的校核都是獨(dú)立成員函數(shù)，各函數(shù)之間相互獨(dú)立，只以連接參數(shù)、連接設(shè)計(jì)內(nèi)力為條件進(jìn)行驗(yàn)算，這樣一方面避免了因?yàn)閰?shù)傳遞導(dǎo)致的類型匹配之類的錯(cuò)誤，同時(shí)也可以方便的在其他模塊中直接調(diào)用。

(3)調(diào)整模塊

在校核不滿足的前提下，對(duì)相關(guān)的節(jié)點(diǎn)連接參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整內(nèi)容和校核內(nèi)容相對(duì)應(yīng)，單項(xiàng)調(diào)整后立刻調(diào)用對(duì)應(yīng)的校核函數(shù)進(jìn)行復(fù)核。單項(xiàng)調(diào)整循環(huán)進(jìn)行，滿足校核要求或超過(guò)一定限值則自動(dòng)退出。

(4)結(jié)果輸出模塊

考慮用戶需求上的不同，分為詳細(xì)輸出和摘要輸出。摘要輸出主要輸出校核的結(jié)果，給出一個(gè)簡(jiǎn)要的超限信息，而詳細(xì)輸出則是具體到一些計(jì)算中的具體中間變量，便于用戶手工校核(比如柱腳底板的計(jì)算，詳細(xì)輸出則會(huì)輸出各個(gè)驗(yàn)算區(qū)隔的位置和彎矩)。

由于做到了各模塊之間的相互獨(dú)立，所以可以按照不同的需求，進(jìn)行自由組合。

若需要校核節(jié)點(diǎn)連接，則連接參數(shù)值直接從對(duì)話框讀取，傳入校核模塊和輸出模塊即可，如圖1中①。

若要自動(dòng)設(shè)計(jì)功能，則應(yīng)先調(diào)用初始化模塊，然后接校核模塊對(duì)初始化數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)算，再調(diào)用調(diào)整模塊對(duì)不滿足的校核項(xiàng)進(jìn)行調(diào)整，最后由輸出模塊輸出最后的設(shè)計(jì)結(jié)果，如圖1中②。

若要在用戶輸入的連接參數(shù)值的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，則采用圖1中③的流程。

2.2 類的組織

鋼框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接形式主要包括梁柱節(jié)點(diǎn)連接、主次梁節(jié)點(diǎn)連接、柱腳節(jié)點(diǎn)連接和支撐連接等。各種連接還包括鉸接和剛接兩種形式。根據(jù)連接截面形式的不同進(jìn)一步細(xì)分，梁截面形式主要為工字形(包括焊接組合H形、普通工字鋼、H型鋼，在本文中通稱為工字形)，柱截面形式包括箱形、工字形、十字形、圓鋼管。

圖1 模塊的組織

因此，程序以連接節(jié)點(diǎn)為對(duì)象，按照節(jié)點(diǎn)類型來(lái)分類管理，具體節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)再由類型類派生出節(jié)點(diǎn)類，在各自的類里完成對(duì)該類型的所有設(shè)計(jì)。各部分之間關(guān)系可以通過(guò)樹(shù)狀圖來(lái)反映(圖2)。

由于采用了繼承機(jī)制，所以很多共同的校核內(nèi)容和輸出內(nèi)容可以直接通過(guò)繼承來(lái)實(shí)現(xiàn)(比如對(duì)于柱腳底板的設(shè)計(jì)，在區(qū)隔劃分上和設(shè)計(jì)方式上鉸接柱腳和埋入式柱腳都是一致的，那么埋入式柱腳的底板校核完全就可以繼承自鉸接柱腳)，這樣可以大大提高程序的代碼效率，同時(shí)也便于程序的維護(hù)。

2.3 程序的代碼組織和實(shí)現(xiàn)

任一類中都有四個(gè)函數(shù)InitDesn()，LinkCheck()，AdjustItem()，WriteCheckResult()分別實(shí)現(xiàn)了初始化，校核，調(diào)整和結(jié)果輸出四個(gè)模塊的功能。這四個(gè)函數(shù)在連接基類中定義為虛函數(shù)，搭建構(gòu)架，在各節(jié)點(diǎn)類中具體實(shí)現(xiàn)。在LinkCheck()的具體實(shí)現(xiàn)中，通過(guò)多個(gè)函數(shù)來(lái)獨(dú)立實(shí)現(xiàn)各零件的校核。根據(jù)各節(jié)點(diǎn)類的驗(yàn)算方法和繼承關(guān)系，對(duì)各校核函數(shù)進(jìn)行繼承和重載。

比如柱腳連接中底板厚度的校核函數(shù)Check-PlateT()，由于在箱形柱腳連接中，鉸接、埋入和外包式的驗(yàn)算方法相同，兩種剛性固定露出式(無(wú)頂板托座和有頂板托座)的驗(yàn)算方法相同，因此該函數(shù)可以在柱腳連接類型類CSupLink中定義為虛函數(shù)，在箱形鉸接節(jié)點(diǎn)類中實(shí)現(xiàn)，在埋入和外包的節(jié)點(diǎn)類中繼承，在兩種固定露出式節(jié)點(diǎn)類中重載。

圖2 類的相互繼承關(guān)系

此后如果需要添加新的節(jié)點(diǎn)類型，只需通過(guò)分析新添加節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算內(nèi)容和已有相近節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算內(nèi)容的差別，確定需要繼承和重載的函數(shù)，而不用完全重寫設(shè)計(jì)流程。

2.4 節(jié)點(diǎn)校核和設(shè)計(jì)調(diào)整的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

節(jié)點(diǎn)校核模塊是保證連接設(shè)計(jì)能否滿足現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范與設(shè)計(jì)手冊(cè)要求的重要環(huán)節(jié)，而設(shè)計(jì)自動(dòng)調(diào)整模塊則是在當(dāng)前設(shè)計(jì)不滿足要求的情況下，通過(guò)程序自動(dòng)調(diào)整來(lái)尋求一個(gè)合理的滿足要求的連接設(shè)計(jì)結(jié)果，這個(gè)模塊組織的好壞直接決定了節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)程序的設(shè)計(jì)效率與設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性。下面以梁箱形柱鉸接連接中的單/雙連接板形式為例詳細(xì)說(shuō)明校核和調(diào)整程序的編寫和實(shí)現(xiàn)。

2.4.1 校核程序算法流程圖

該種形式的連接中梁腹板與連接板可采用高強(qiáng)螺栓連接或全焊連接，全焊連接中包括帶安裝螺栓和不帶安裝螺栓。連接板和柱采用雙面角焊縫連接。

圖3 校核流程圖

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》和《鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)手冊(cè)》，分析需要校核的部分，本段簡(jiǎn)述一下校核程序算法流程。校核算法的流程圖如圖3所示。

2.4.2 調(diào)整程序的算法結(jié)構(gòu)

(1)利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)解決調(diào)整和校核數(shù)據(jù)組織方式

原有的調(diào)整程序與校核功能緊密結(jié)合在一起，在校核的同時(shí)也完成了調(diào)整，這樣的好處是思路上比較符合人手算的特征，目的性比較明確。但是也正是這種機(jī)制導(dǎo)致了大量的循環(huán)，使程序變得異?；靵y。

而采用面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)方法后，調(diào)整和校核功能是相互分離的，則可以很明晰的體現(xiàn)出兩者間的依存關(guān)系。組織方式的問(wèn)題解決了，調(diào)整本身的實(shí)現(xiàn)以及如何才能讓程序盡可能地獲得最優(yōu)的調(diào)整結(jié)果就是要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

(2)參數(shù)多樣性與關(guān)聯(lián)性問(wèn)題的解決方法

參數(shù)調(diào)整主要解決了兩個(gè)問(wèn)題。

一個(gè)問(wèn)題是參數(shù)的多樣性問(wèn)題，即對(duì)于單個(gè)校核項(xiàng)來(lái)說(shuō)，影響其校核結(jié)果的參數(shù)可能有多個(gè)，如何合理的選取調(diào)整的變量是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。一般手算的調(diào)整方法是直接選取一個(gè)變量做調(diào)整;而計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)，則可以加入一定的邏輯關(guān)聯(lián)，比如A，B兩個(gè)變量，分別給以不同的調(diào)整步長(zhǎng)，A調(diào)整3次時(shí)，對(duì)B進(jìn)行一次調(diào)整?；蛘弋?dāng)A達(dá)到某個(gè)值后，再回過(guò)頭調(diào)整B，而將A還原到初始值(例如下面將提到的焊縫的調(diào)整)。這種調(diào)整方法相對(duì)更加精細(xì)一些，盡可能的包絡(luò)所有的變量組合可能。

另一個(gè)問(wèn)題是參數(shù)相關(guān)聯(lián)的特性，即為了滿足其中一項(xiàng)的校核，調(diào)整了其中相關(guān)的參數(shù)，直接導(dǎo)致了校核項(xiàng)值的變化;但是同時(shí)，調(diào)整的參數(shù)也為另一項(xiàng)所用，導(dǎo)致另一項(xiàng)的校核結(jié)果發(fā)生變化。一般情況下，這種變化基本上都是單向性的，即同時(shí)變大，或同時(shí)變小，但是也有反向變化的情況，此時(shí)，就需要做到在調(diào)整中的關(guān)聯(lián)調(diào)用和關(guān)聯(lián)修改，同時(shí)對(duì)兩個(gè)調(diào)整結(jié)果的變化趨勢(shì)做分析，來(lái)確定何時(shí)需要對(duì)另一個(gè)調(diào)整項(xiàng)中相關(guān)的系數(shù)做調(diào)整。

以梁箱形柱單/雙連接板鉸接連接為例，根據(jù)各參數(shù)與調(diào)整項(xiàng)之間的關(guān)系，本文給出調(diào)整分析算法結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 調(diào)整分析算法結(jié)構(gòu)圖

其中，焊腳尺寸的合理取值范圍是由連接板板厚確定的，因此調(diào)整時(shí)不能單單只是增加焊腳尺寸。首先要判斷焊腳尺寸是否在取值范圍內(nèi)，若小于最小允許焊腳尺寸，則令焊腳尺寸等于最小焊腳尺寸;若大于等于最大焊腳尺寸，則按板規(guī)格增加板厚，焊腳尺寸取初始焊腳尺寸;其他情況，則令焊腳尺寸增加1。

解決了以上兩個(gè)問(wèn)題，確定好合理地調(diào)整步長(zhǎng)和邊緣條件，調(diào)整的合理性問(wèn)題也就迎刃而解了。

3 小結(jié)

新的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)程序除了利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)實(shí)現(xiàn)全樓節(jié)點(diǎn)自動(dòng)設(shè)計(jì)功能外，還加強(qiáng)了用戶的交互干預(yù)功能:(1)對(duì)于自動(dòng)設(shè)計(jì)出的節(jié)點(diǎn)，用戶可以交互修改連接設(shè)計(jì)結(jié)果，修改后程序自動(dòng)校核修改后的結(jié)果是否滿足要求;(2)自動(dòng)連接設(shè)計(jì)后用戶可以交互的合并節(jié)點(diǎn)，減少節(jié)點(diǎn)類型與圖紙量，程序同時(shí)提供合并節(jié)點(diǎn)后的校核功能。而且新程序構(gòu)架易于維護(hù)與擴(kuò)展，具有更強(qiáng)的生命力，設(shè)計(jì)結(jié)果也更為準(zhǔn)確。

新程序已以動(dòng)態(tài)庫(kù)插件形式作為鋼結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)基類庫(kù)應(yīng)用于PKPM系列鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件各個(gè)模塊中，取得了良好的應(yīng)用效果。隨著鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和用戶需求的增多，該模塊程序?qū)⒊掷m(xù)改進(jìn)，進(jìn)一步加強(qiáng)軟件的實(shí)用性，貼近鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的需要，提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率，推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

［1］李星榮等.鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

［2］趙熙元.建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)(上、下)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1995.

［3］王一駿等.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［4］馬恩成，朱偉，晉鑄，陳岱林等.鋼結(jié)構(gòu)CAD軟件STS的功能和應(yīng)用［J］.鋼結(jié)構(gòu):2001，16卷(56期):62-63.

［5］夏緒勇，馬恩成，陳玉林，晉娟茹，張欣.鋼結(jié)構(gòu)詳圖軟件的開(kāi)發(fā)與功能介紹［C］.第十四屆全國(guó)工程設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，杭州，2008.浙江:浙江大學(xué)出版社:464-469.

［6］中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM工程部.STXT鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件用戶手冊(cè)及技術(shù)條件［M］.北京:中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM工程部，2010.

Reconstruction and Improvement of PKPM Steel Structure Connection-joint Design Program

Liu Yuan1，Wang Ru1，Xia Xuyong2，Ma Encheng2，Zhu Heng2

(1.Civil Engineering College of Xi'an University of Architecture and Technology，Xian710055，China;
2.Institution of Building Engineering Software，China Academy of Building Research，Beijing100013，China)

Considering the professional features of steel connection-joint design，this paper developed a new computer-aided design(CAD)program which is aiming at solving problems that the connection-joint design results unsuitable for human intervention of the software developed by our country.Program developing and researching is adopted the object-oriented development technique C++to provide a flexible interactive function which can not only achieve the whole building's automatic connection-joint design of three-dimensional framework but also nodes merging，node design results modification and re-checking by designer.The program can make the connection-joint design of framework fast，simple and accurate to improve engineering efficiency.The achievement has been used in each module of the PKPMseries steel structure design software as base class library of steel connection design in dynamic library plug-in form and obtained good application effects.

Steel Structure;Connection-joint Design;Object-oriented;PKPM;CAD

TU391;TU201.4

A

1674－7461(2011)01－0048－04

劉媛(1988－)，女，碩士。主要研究方向:計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。E-mail:liuyuantg@163.com