崔 祿，寧 京，董建偉

（1.雄縣唐銀檢測有限公司，河北 保定 071800；2.中鐵十七局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006；3.煙臺市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 煙臺 264003）

0 引言

2016 年由世界著名設(shè)計(jì)師Haim Dotan 設(shè)計(jì)的張家界大峽谷玻璃橋——“云天渡” 正式開通運(yùn)營，短短時(shí)間便在國內(nèi)迅速走紅。究其原因，該橋除滿足基本交通功能需求外，其更進(jìn)一步增加景區(qū)特色，豐富旅游內(nèi)涵，加之蹦極等項(xiàng)目的結(jié)合，極大滿足了游客的獵奇心理和個(gè)性化需求。

由于網(wǎng)紅效應(yīng)以及極佳的經(jīng)濟(jì)效益，隨后玻璃橋如雨后春筍般在各大景區(qū)出現(xiàn)，市場建造需求也隨之迅速增多。

1 項(xiàng)目分析

作為景點(diǎn)的玻璃橋一般均需跨越較大的峽谷才會給游客帶來刺激的體驗(yàn)感，而懸索橋的跨越能力則讓其成為首選橋型。但玻璃懸索橋一般不會太寬，因此橫向穩(wěn)定性及舒適性就成了這類橋型要解決的重點(diǎn)，目前解決橫向穩(wěn)定性及舒適性國內(nèi)常見的方式有三種：抗風(fēng)纜、斜張索和抗風(fēng)纜與斜張索，但不管哪種方式都會給設(shè)計(jì)師帶來巨大的工作量，并且玻璃懸索橋的景觀要求極高，方案論證也必須深入而充分，這無形之中又加劇了設(shè)計(jì)任務(wù)且拉長了工期，不利于維護(hù)業(yè)主的經(jīng)濟(jì)效益，為滿足設(shè)計(jì)需求，有必要研發(fā)一款自動(dòng)化精細(xì)設(shè)計(jì)的軟件來滿足各類需求。

考慮到國內(nèi)設(shè)計(jì)師最常用的就是CAD（Computer Aided Design），而且CAD 支持的DXF 文件格式是國際上開放的編碼格式，也被各種計(jì)算、繪圖、表現(xiàn)的軟件所支持。為了便于使用且降低學(xué)習(xí)成本，最終選擇基于CAD 的二次開發(fā)進(jìn)行編程。

2 開發(fā)分享

目前市場上占主流的CAD 軟件是Autodesk 公司的AutoCAD，其提供了包括AutoLISP/Visual LIP、VBA/COM、基于VC++ 的ObjectARX、基于.NET 的ObjectARX 等多種方式， 即支持LISP、C/C++/C#、VB/VBA、JAVA 等所有主流編程語言以及他們之間的混合編程。

考慮到基于VC++ 的ObjectARX 擁有與Auto-CAD 自身幾乎相同的編程接口和控制能力，且程序運(yùn)行效率高，有利于數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，本次核心算法及繪圖功能采用基于此方式。VC++ 的對話框采用的是MFC 技術(shù)，這個(gè)技術(shù)雖然強(qiáng)大，但是效率極低，但C# 的WinForm 技術(shù)卻效率極高，因此對于僅用于表現(xiàn)的對話框等非核心均采用C# 的WinForm 技術(shù)。因?yàn)閂C++ 與C# 的語言以及編譯均不同， 采用了C++/CLR 技術(shù)將二者無縫銜接。

3 算法簡述

懸索橋設(shè)計(jì)最主要的任務(wù)就是主纜找形，其按假定不同分為：傳統(tǒng)拋物線理論、分段拋物線理論、分段直線理論和分段懸鏈線理論。第一種理論假定主纜上的荷載只有豎直分布荷載，且該荷載沿主纜跨度的水平方向均勻分布。后三種理論假定主纜各索段的節(jié)點(diǎn)上作用了集中力，而在各索段內(nèi)部只有豎向均布荷載,如圖1 所示。顯然傳統(tǒng)的拋物線理論最為粗糙，一旦跨徑較大時(shí)傳統(tǒng)拋物線將存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。分段直線理論則要求分段數(shù)足夠，分段懸鏈線理論的假定最為符合實(shí)際。

圖1 主纜受力簡圖

分段懸鏈線理論的基本假定如下：

（1）索只能受拉，不能抗壓和抗彎；

（2）索的應(yīng)力—應(yīng)變符合胡克定律；

（3）受力前后主纜抗拉剛度的計(jì)算均使用變形前的主纜橫截面面積；

（4）在同一索段內(nèi)，索只承受沿變形前索長均布的鉛直向下荷載，集中荷載只能作用在索段的兩端；

（5）局部坐標(biāo)系取在索段重心線所在的平面。

設(shè)索段無應(yīng)力長度為S0，索的彈模為E，截面積為A，沿索長豎向荷載集度為q，吊索處豎向和水平集中荷載分別為Q、F，索拉力為T，索拉力的水平、豎向分力分別為H、V，其他參數(shù)如圖2 所示。

圖2 索單元模型

用S 表示有應(yīng)力條件下的索長，由幾何關(guān)系和整個(gè)索段的平衡條件等可得出如下結(jié)論：

式1~4 中：l 為有應(yīng)力條件下索長的水平長度，m；h為有應(yīng)力條件下索長的豎向長度，m；x 為拉索的水平坐標(biāo)，m；y 為拉索的豎向坐標(biāo)，m；H 為拉索索力的水平分力，kN；V 為拉索索力的豎向分力，kN；T 為拉索索力，kN；q 為沿索長豎向荷載集度，kN/m；Q 為吊索處豎向集中荷載，kN；S0為索段無應(yīng)力長度為，m；E 為拉索的彈性模量，kN/m2；A 為拉索的橫斷面面積，m2。

式（3）、（4）就是索與幾何變量之間的關(guān)系式，稱為索段狀態(tài)的基本方程

索段ij 的形狀長度S 為：

由式（1）~ 式（5）按纜索找形思路即可開發(fā)自動(dòng)化設(shè)計(jì)程序。

4 界面及測試

風(fēng)纜懸索橋的參數(shù)比常規(guī)懸索橋多了風(fēng)纜的相關(guān)參數(shù)，風(fēng)纜對整個(gè)結(jié)構(gòu)也會有相互影響，這時(shí)整個(gè)懸索橋就會更加復(fù)雜。為降低學(xué)習(xí)和使用成本，設(shè)計(jì)的操作界面如圖3 所示，應(yīng)盡量簡潔。

圖3 參數(shù)對話框

通過導(dǎo)入路線文件后，然后再填寫相關(guān)主纜參數(shù)、風(fēng)纜參數(shù)、荷載參數(shù)，大概只需要幾分鐘即可找形生成出期望的三維帶風(fēng)纜懸索橋模型，此模型即可用作確定橋梁景觀效果，亦可作為最終纜形指導(dǎo)施工圖設(shè)計(jì)。

該程序支持鴻業(yè)、緯地、EIcad 等主流道路豎曲線文件，也可以自己定義，程序自動(dòng)輸出主風(fēng)纜和吊桿的剛度數(shù)據(jù)。自動(dòng)生成的空間模型如圖4 所示。

圖4 生成模型示意

5 工程案例

山東某景區(qū)玻璃橋設(shè)計(jì)為單跨300 m 簡支帶風(fēng)纜空間懸索橋，橋面凈寬3.0 m，主梁采用節(jié)段拼裝的帶風(fēng)嘴雙邊梁結(jié)構(gòu)，橋型布置圖如圖5 所示。

圖5 橋型布置圖（單位：mm）

將空間纜索玻璃懸索橋自動(dòng)化設(shè)計(jì)程序的結(jié)果導(dǎo)入Midas Civil 軟件中進(jìn)行大位移的幾何非線性分析，得到的位移相差很小，說明程序非?？煽俊＞唧w結(jié)果如圖6 所示。

圖6 恒載狀態(tài)下整體結(jié)構(gòu)的變形

6 結(jié)語

因?yàn)镸idas Civil 的懸索橋建模助手無法建立風(fēng)纜的模型，同時(shí)風(fēng)纜與主纜、加勁梁具有耦合作用，通過手動(dòng)建立將極其低效。但通過空間纜索玻璃懸索橋自動(dòng)化設(shè)計(jì)軟件就可以高效完美的解決這個(gè)棘手的問題。通過驗(yàn)證測試，該程序不但在有或無抗風(fēng)纜的空間纜索玻璃懸索橋上有效，并且在人行或車行駛的懸索橋都有很好的找形效率。

該程序的開發(fā)嘗試為玻璃懸索橋的自動(dòng)化設(shè)計(jì)提供了實(shí)例，可在初設(shè)時(shí)迅速估算或調(diào)整方案的經(jīng)濟(jì)性與美觀性，該程序的計(jì)算數(shù)據(jù)可作為下一步施工圖自動(dòng)繪制的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。隨著未來工程設(shè)計(jì)行業(yè)逐漸走向智能化，這次嘗試可以給這個(gè)領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)提供不一樣的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)。