計(jì)算機(jī)模擬建筑抗震模塊設(shè)計(jì)

閆金迎

摘 要 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在建筑抗震分析中的應(yīng)用是通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)研究，以及對(duì)防振建筑物基本原理和設(shè)計(jì)過(guò)程的研究，從而利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來(lái)模擬建筑物的構(gòu)造過(guò)程。所制作的計(jì)算機(jī)模擬仿真環(huán)境，要實(shí)現(xiàn)根據(jù)建筑物所提供的數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)造建筑物的雛形，并連接相關(guān)的工程造價(jià)軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)的建筑物進(jìn)行預(yù)算評(píng)價(jià)，從中計(jì)算出合理的預(yù)算價(jià)格。系統(tǒng)通過(guò)模擬震動(dòng)環(huán)境，把已經(jīng)構(gòu)造好的建筑物放到模仿真實(shí)地震的環(huán)境中，通過(guò)對(duì)建筑物材料、結(jié)構(gòu)等多方面的數(shù)據(jù)測(cè)算，來(lái)實(shí)現(xiàn)檢查所設(shè)計(jì)的建筑物是否能滿足設(shè)計(jì)的要求。

關(guān)鍵詞 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù) 抗震設(shè)防系數(shù) DirectDraw技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展普及，國(guó)內(nèi)外在計(jì)算機(jī)建筑設(shè)計(jì)包括模擬計(jì)算、圖紙繪制和資料管理等方面的研究和開(kāi)發(fā)有了較大進(jìn)展。由于社會(huì)發(fā)展對(duì)建筑設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量要求的不斷提高，近十年來(lái)逐漸提出集成化建筑設(shè)計(jì)系統(tǒng)（IBDS）的概念。各種高性能計(jì)算機(jī)正以其強(qiáng)大的運(yùn)算能力被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，其中對(duì)自然界的物理現(xiàn)象和自然規(guī)律進(jìn)行仿真是主要應(yīng)用之一。

建筑施工要考慮的因素很多，其中就包括水波對(duì)建筑物的影響。所以對(duì)水波在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行事先的模擬技術(shù)十分重要，它可以大大提高建筑安全設(shè)計(jì)的效率。筆者希望通過(guò)對(duì)真實(shí)水波的產(chǎn)生、擴(kuò)散、衰減以及多個(gè)水波的交迭過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬為例，介紹此類程序的設(shè)計(jì)思路與解決方法。在程序的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，為了使仿真的效果更加逼真、處理數(shù)據(jù)顯示的速度更快，使用了DirectX中的DirectDraw技術(shù)利用硬件加速器對(duì)數(shù)據(jù)的顯示進(jìn)行加速。通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)研究，以及對(duì)防振建筑物基本原理和設(shè)計(jì)過(guò)程的研究，從而利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來(lái)模擬建筑物的構(gòu)造過(guò)程。所制作的計(jì)算機(jī)模擬仿真環(huán)境，要實(shí)現(xiàn)根據(jù)建筑物所提供的數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)造建筑物的雛形，并連接相關(guān)的工程造價(jià)軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)的建筑物進(jìn)行預(yù)算評(píng)價(jià)，從中計(jì)算出合理的預(yù)算價(jià)格。系統(tǒng)通過(guò)模擬震動(dòng)環(huán)境，把已經(jīng)構(gòu)造好的建筑物放到模仿真實(shí)地震的環(huán)境中，通過(guò)對(duì)建筑物材料、結(jié)構(gòu)等多方面的數(shù)據(jù)測(cè)算，來(lái)實(shí)現(xiàn)檢查所設(shè)計(jì)的建筑物是否能滿足設(shè)計(jì)的要求。

在計(jì)算機(jī)模擬所應(yīng)具備如下幾個(gè)模塊：

首先，光折射模擬，雖然模擬了對(duì)波的傳播過(guò)程，但如不考慮起伏的水波對(duì)光的折射也是不逼真的。根據(jù)光學(xué)有關(guān)知識(shí)，將水下的景物存在的偏移程度同水波的斜率、水的折射率和水的深度進(jìn)行精確的模擬，做線性的近似處理。我們可以近似地用水面上某點(diǎn)的前后、左右兩點(diǎn)的波幅之差來(lái)代表所看到的水底景物的偏移量：通過(guò)循環(huán)來(lái)計(jì)算每次產(chǎn)生數(shù)據(jù)的偏移量

xoff = buf1[k-1]-buf1[k+1]；

yoff = buf1[k-BACKWIDTH]-buf1[k+BACKWIDTH]；

int pos1， pos2； pos1=ddsd1.

lPitch*（i+yoff）+ depth*（j+xoff）；

pos2=ddsd2.lPitch*i+ depth*j；

其次，生成波源，在無(wú)外力影響的情況下，水平面是不會(huì)自發(fā)產(chǎn)生水波的，必須對(duì)水平面施加某種波源才能引起震動(dòng)波的擴(kuò)散。擴(kuò)散的速度與范圍同波源的能量大小與受力范圍有關(guān)。通過(guò)在程序中修改振幅緩沖區(qū)buf，來(lái)模擬外力的加入。在著力點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的“尖脈沖”，即讓buf[x，y]=-n。當(dāng)系數(shù)n的取值范圍在32至128之間對(duì)建筑物的影響較小。受力半徑是以著力點(diǎn)為圓心，圓里所有的點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的“尖脈沖”。

利用if （（x+stonesize）>BACKWIDTH ||y+stonesize）>BACKHEIGHT||（x-stonesiz

e）<0||（y-stonesize）<0）語(yǔ)句判斷著力點(diǎn)的方位以做出不同波源對(duì)建筑物所產(chǎn)生的作用，從而對(duì)所設(shè)計(jì)的建筑物以及構(gòu)筑物等做出相應(yīng)的修改。

第三，震動(dòng)波模擬，這種用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)對(duì)圖像進(jìn)行處理的方法其最大的好處就是：程序運(yùn)算和顯示的速度與水波的復(fù)雜程度無(wú)關(guān)，用類似的方法完全可以對(duì)其他一些物理和自然現(xiàn)象。

第四，結(jié)構(gòu)模塊單元開(kāi)裂處理模擬設(shè)計(jì)，判斷開(kāi)裂的出現(xiàn)通常有兩個(gè)準(zhǔn)則：最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，認(rèn)為當(dāng)最大拉應(yīng)力超過(guò)某一極限時(shí)裂縫出現(xiàn)：最大拉應(yīng)變準(zhǔn)則，認(rèn)為當(dāng)最大拉應(yīng)變超過(guò)某一極限時(shí)出現(xiàn)裂縫。Kupfer等人的實(shí)驗(yàn)表明，最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則比較接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此一般的工程計(jì)算中，可采用最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則。

混凝土的裂縫模式主要有：離散裂縫模式（Discrete cracking model）和分布裂縫模式（Smeared cracking model）。裂縫模式的選擇應(yīng)根據(jù)分析研究的目的來(lái)確定，如果只需要了解結(jié)構(gòu)構(gòu)件總的荷載一位移性能時(shí)，選擇分布裂縫模式比較好，如果要了解構(gòu)件實(shí)際的裂縫形態(tài)和詳細(xì)的局部性能，則采用離散裂縫模式比較好。

最后，加速顯示模塊設(shè)計(jì)，由于動(dòng)畫(huà)對(duì)處理速度要求比較嚴(yán)格，所以要竭盡所能來(lái)提高數(shù)據(jù)的處理速度。采用DirectX中的DirectDraw技術(shù)來(lái)對(duì)圖形進(jìn)行加速處理，它在提供直接訪問(wèn)顯示設(shè)備的同時(shí)，與GDI相兼容，提供了一種與設(shè)備無(wú)關(guān)的途徑，以訪問(wèn)特定的顯示設(shè)備的某些高級(jí)特性。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的仿真結(jié)果可以得知，當(dāng)材料采用低強(qiáng)度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)體系的抗震系數(shù)就會(huì)很低，直接影響建筑物的安全性能。還有當(dāng)結(jié)構(gòu)支撐節(jié)點(diǎn)所受到外部荷載很大時(shí)，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)也會(huì)隨之降低或減弱。所以應(yīng)在關(guān)鍵部位做特殊處理，如選用高強(qiáng)度的抗震材料，或提高結(jié)構(gòu)應(yīng)力受力面積等，從而減少其節(jié)點(diǎn)偏心位移，提前驗(yàn)證并修改所設(shè)計(jì)的建筑構(gòu)筑物中存在的不安全節(jié)點(diǎn)，大大減少不必要的損失及降低有效成本。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭九苓.模擬仿真關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國(guó)遠(yuǎn)程教育，2005（9）.

[2] 陳華.建筑抗震系統(tǒng)研究[D].上海：華東師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)系，2006.