PKPM鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設計程序的重建與改進

劉 媛 王 茹 夏緒勇 馬恩成 朱 恒

(1.西安建筑科技大學土木學院，西安 710055;

2.中國建筑科學研究院建筑工程軟件研究所，北京 100013)

PKPM鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設計程序的重建與改進

劉 媛1王 茹1夏緒勇2馬恩成2朱 恒2

(1.西安建筑科技大學土木學院，西安 710055;

2.中國建筑科學研究院建筑工程軟件研究所，北京 100013)

針對我國自主研發(fā)的PKPM系列鋼結(jié)構(gòu)設計軟件中節(jié)點設計結(jié)果不能人為干預的問題以及其設計機制的缺陷，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設計的專業(yè)特點，研發(fā)出新的適合于鋼框架節(jié)點的CAD程序。程序研發(fā)采用C++面向?qū)ο蟮拈_發(fā)技術(shù)，提供了靈活的人工交互功能，不僅可以實現(xiàn)三維框架的全樓自動節(jié)點設計，且設計者可以合并節(jié)點、修改節(jié)點設計結(jié)果并重新校核，使得鋼框架節(jié)點連接設計變得快速、簡便且準確，從而提高工程效率。本文成果已以動態(tài)庫插件形式作為鋼結(jié)構(gòu)連接設計基類庫應用于PKPM系列鋼結(jié)構(gòu)設計軟件各個模塊中，取得了良好的應用效果。

鋼結(jié)構(gòu);節(jié)點設計;面向?qū)ο?PKPM;CAD

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點設計是鋼結(jié)構(gòu)設計中工作量比較大且十分關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。利用計算機輔助技術(shù)完成節(jié)點的連接設計，可以將鋼結(jié)構(gòu)設計者從繁瑣而復雜的節(jié)點設計中解脫出來，提高工作效率。

PKPM系列鋼結(jié)構(gòu)設計軟件STS和STXT可以完成鋼結(jié)構(gòu)框架的全樓節(jié)點自動設計，但其長期以來的節(jié)點設計模式是自動設計，即程序自動獲得節(jié)點連接構(gòu)件的截面尺寸和端部內(nèi)力，通過反復的調(diào)整和驗算，獲得滿足要求的合理的節(jié)點數(shù)據(jù)。這種方法的好處是需要用戶參與修改的地方較少，自動化程度高，對于比較規(guī)則的小型框架結(jié)構(gòu)有較大優(yōu)勢。但在實際工程中，框架本身的內(nèi)力并不均勻，而這些較小的內(nèi)力差別也可能導致節(jié)點自動設計出的結(jié)果不同，使得節(jié)點類型增多，出圖量急劇增加，也給施工帶來很大的難度。所以，大部分情況下都需要對自動設計的結(jié)果進行修改歸并，并重新驗算。

本文針對以上問題，在STS和STXT鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設計程序基礎上，不僅實現(xiàn)了三維框架的全樓自動節(jié)點設計，同時提供了靈活的人工交互功能，設計者可以進行合并節(jié)點、修改節(jié)點設計結(jié)果并重新校核，使鋼框架節(jié)點連接設計變得快速、簡便且準確，從而提高工程效率。本文成果已應用于PKPM系列鋼結(jié)構(gòu)設計軟件。

2 新節(jié)點設計程序的開發(fā)

PKPM系列鋼結(jié)構(gòu)設計軟件中原有的程序組織采用早期的過程化設計方式，每種節(jié)點類型的全部設計步驟都在一個過程中完成，因此針對每個不同類型的節(jié)點，都需要編寫一個相應的設計流程。這樣不僅組織上比較混亂，易讀性也很差，添加新節(jié)點也比較麻煩，難以跟上改進的需求。另一方面，其自動設計的方式是對各項驗算內(nèi)容邊校核邊調(diào)整，二者是連在一起的，無法修改為校核和調(diào)整兩項功能。綜上，直接進行修改顯然是不現(xiàn)實的，要對原有的自動設計機制做改變，重新開發(fā)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設計程序。

本文充分利用C++面向?qū)ο蟮某绦蛟O計方法，系統(tǒng)研究鋼框架節(jié)點的類型、設計與校核等內(nèi)容，根據(jù)其專業(yè)設計特點，對節(jié)點設計類進行了全面的劃分、設計與整體構(gòu)架的搭建。

2.1 模塊劃分與組織

按照功能可以將節(jié)點設計重新劃分為初始化、校核、調(diào)整、輸出四個模塊。在設計思路上各模塊應做到相互之間獨立，這樣就可以用不同的模塊組合來實現(xiàn)不同的功能。

每個模塊需要實現(xiàn)不同的功能，具體如下。

(1)初始化模塊

實現(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)的初始化，節(jié)點自動設計之前根據(jù)構(gòu)造要求對各項節(jié)點連接參數(shù)進行合理的初值賦值。

(2)校核模塊

包含了各個板件、焊縫、螺栓等的校核。每一項的校核都是獨立成員函數(shù)，各函數(shù)之間相互獨立，只以連接參數(shù)、連接設計內(nèi)力為條件進行驗算，這樣一方面避免了因為參數(shù)傳遞導致的類型匹配之類的錯誤，同時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，對相關(guān)的節(jié)點連接參數(shù)進行調(diào)整。調(diào)整內(nèi)容和校核內(nèi)容相對應，單項調(diào)整后立刻調(diào)用對應的校核函數(shù)進行復核。單項調(diào)整循環(huán)進行，滿足校核要求或超過一定限值則自動退出。

(4)結(jié)果輸出模塊

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

由于做到了各模塊之間的相互獨立，所以可以按照不同的需求，進行自由組合。

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

若要自動設計功能，則應先調(diào)用初始化模塊，然后接校核模塊對初始化數(shù)據(jù)進行驗算，再調(diào)用調(diào)整模塊對不滿足的校核項進行調(diào)整，最后由輸出模塊輸出最后的設計結(jié)果，如圖1中②。

若要在用戶輸入的連接參數(shù)值的基礎上進行調(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)點連接形式主要包括梁柱節(jié)點連接、主次梁節(jié)點連接、柱腳節(jié)點連接和支撐連接等。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一步細分，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)點為對象，按照節(jié)點類型來分類管理，具體節(jié)點的實現(xiàn)再由類型類派生出節(jié)點類，在各自的類里完成對該類型的所有設計。各部分之間關(guān)系可以通過樹狀圖來反映(圖2)。

由于采用了繼承機制，所以很多共同的校核內(nèi)容和輸出內(nèi)容可以直接通過繼承來實現(xiàn)(比如對于柱腳底板的設計，在區(qū)隔劃分上和設計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，同時也便于程序的維護。

2.3 程序的代碼組織和實現(xiàn)

任一類中都有四個函數(shù)InitDesn()，LinkCheck()，AdjustItem()，WriteCheckResult()分別實現(xiàn)了初始化，校核，調(diào)整和結(jié)果輸出四個模塊的功能。這四個函數(shù)在連接基類中定義為虛函數(shù)，搭建構(gòu)架，在各節(jié)點類中具體實現(xiàn)。在LinkCheck()的具體實現(xiàn)中，通過多個函數(shù)來獨立實現(xiàn)各零件的校核。根據(jù)各節(jié)點類的驗算方法和繼承關(guān)系，對各校核函數(shù)進行繼承和重載。

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、埋入和外包式的驗算方法相同，兩種剛性固定露出式(無頂板托座和有頂板托座)的驗算方法相同，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)點類中實現(xiàn)，在埋入和外包的節(jié)點類中繼承，在兩種固定露出式節(jié)點類中重載。

圖2 類的相互繼承關(guān)系

此后如果需要添加新的節(jié)點類型，只需通過分析新添加節(jié)點驗算內(nèi)容和已有相近節(jié)點驗算內(nèi)容的差別，確定需要繼承和重載的函數(shù)，而不用完全重寫設計流程。

2.4 節(jié)點校核和設計調(diào)整的實現(xiàn)技術(shù)

節(jié)點校核模塊是保證連接設計能否滿足現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范與設計手冊要求的重要環(huán)節(jié)，而設計自動調(diào)整模塊則是在當前設計不滿足要求的情況下，通過程序自動調(diào)整來尋求一個合理的滿足要求的連接設計結(jié)果，這個模塊組織的好壞直接決定了節(jié)點設計程序的設計效率與設計結(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說明校核和調(diào)整程序的編寫和實現(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)點連接設計手冊》，分析需要校核的部分，本段簡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。但是也正是這種機制導致了大量的循環(huán)，使程序變得異常混亂。

而采用面向?qū)ο蟮拈_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。組織方式的問題解決了，調(diào)整本身的實現(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)鍵問題。

(2)參數(shù)多樣性與關(guān)聯(lián)性問題的解決方法

參數(shù)調(diào)整主要解決了兩個問題。

一個問題是參數(shù)的多樣性問題，即對于單個校核項來說，影響其校核結(jié)果的參數(shù)可能有多個，如何合理的選取調(diào)整的變量是一個關(guān)鍵問題。一般手算的調(diào)整方法是直接選取一個變量做調(diào)整;而計算機實現(xiàn)時，則可以加入一定的邏輯關(guān)聯(lián)，比如A，B兩個變量，分別給以不同的調(diào)整步長，A調(diào)整3次時，對B進行一次調(diào)整。或者當A達到某個值后，再回過頭調(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)整方法相對更加精細一些，盡可能的包絡所有的變量組合可能。

另一個問題是參數(shù)相關(guān)聯(lián)的特性，即為了滿足其中一項的校核，調(diào)整了其中相關(guān)的參數(shù)，直接導致了校核項值的變化;但是同時，調(diào)整的參數(shù)也為另一項所用，導致另一項的校核結(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，即同時變大，或同時變小，但是也有反向變化的情況，此時，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，同時對兩個調(diào)整結(jié)果的變化趨勢做分析，來確定何時需要對另一個調(diào)整項中相關(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。

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

3 小結(jié)

新的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設計程序除了利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)實現(xiàn)全樓節(jié)點自動設計功能外，還加強了用戶的交互干預功能:(1)對于自動設計出的節(jié)點，用戶可以交互修改連接設計結(jié)果，修改后程序自動校核修改后的結(jié)果是否滿足要求;(2)自動連接設計后用戶可以交互的合并節(jié)點，減少節(jié)點類型與圖紙量，程序同時提供合并節(jié)點后的校核功能。而且新程序構(gòu)架易于維護與擴展，具有更強的生命力，設計結(jié)果也更為準確。

新程序已以動態(tài)庫插件形式作為鋼結(jié)構(gòu)連接設計基類庫應用于PKPM系列鋼結(jié)構(gòu)設計軟件各個模塊中，取得了良好的應用效果。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，進一步加強軟件的實用性，貼近鋼結(jié)構(gòu)設計人員的需要，提高鋼結(jié)構(gòu)設計效率，推動鋼結(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)點設計手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

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

［3］王一駿等.鋼結(jié)構(gòu)設計手冊［M］.北京:中國建筑工業(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)詳圖軟件的開發(fā)與功能介紹［C］.第十四屆全國工程設計計算機應用學術(shù)會議論文集，杭州，2008.浙江:浙江大學出版社:464-469.

［6］中國建筑科學研究院PKPM工程部.STXT鋼結(jié)構(gòu)詳圖設計軟件用戶手冊及技術(shù)條件［M］.北京:中國建筑科學研究院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:計算機輔助結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。E-mail:liuyuantg@163.com