梯形鋼屋架計算機輔助設計系統研究

龍 天 王子茹*

(大連理工大學建設工程學部，遼寧 大連 116024)

·計算機技術及應用·

梯形鋼屋架計算機輔助設計系統研究

龍 天 王子茹*

(大連理工大學建設工程學部，遼寧 大連 116024)

針對梯形鋼屋架計算機可視化輔助設計問題展開了研究，依據設計規范，基于OpenGL三維圖形庫和ANSYS接口編程等技術，采用面向對象軟件設計技術實現了梯形鋼屋架三維可視化輔助設計系統，通過實例驗證取得了良好的效果。

鋼屋架，OpenGL，可視化，ANSYS

隨著計算機硬件與軟件技術的迅猛發展，計算機輔助設計在建筑領域的應用也得到了長足的發展。目前一般鋼結構設計常用的軟件有PKPM-STS，該軟件是中國建筑科學研究院開發的集平面空間于一體的功能強大的以鋼結構計算為主導的建筑軟件，是目前國內應用最廣泛，被絕大多數設計院所認可的鋼結構計算程序之一。還有適合于網架結構設計的SFCAD或MST軟件和適用于桁架結構設計的3D3S軟件。

系統的設計在已有研究成果的基礎上，針對梯形鋼結構屋架三維可視化輔助設計問題，以Visual C++6.0作為開發平臺，采用面向對象編程技術，以對話框的形式輸入屋架設計參數、桿件、節點的設計和校核。通過編寫Visual C++與有限元軟件ANSYS的接口程序，實現了對ANSYS的后臺調用并提取計算結果作為桿件構件和節點設計依據。根據設計結果應用OpenGL圖形標準技術構建桿件和節點的三維模型，從而形成鋼結構屋架的三維可視化輔助設計系統。

1 系統的結構與功能設計

1.1 系統的總體結構

系統的總體結構如圖1所示。整個系統主要由以下三個功能模塊組成：1)設計參數輸入模塊。包括結構選型，荷載計算，材料參數。2)桿件與節點設計模塊。主要包括內力計算，桿件設計校核，節點選型校核，設計報告。3)三維模型建立模塊。包括桿件模型構建，節點模型構建，模型的組裝與顯示。

1.2 系統的主要功能設計

1)設計參數輸入模塊。

a.選型參數的確定。在屋架參數界面，設計人員只需輸入跨度L，屋面坡度i，屋架端部高度H0等幾個控制參數即可完成屋架的選型。程序根據這些控制參數即可計算出屋架各點的點和桿件的信息，并分別通過自定義的節點類CNode和單元類CElement負責屋架結構的幾何信息及點和單元、點和點之間的幾何拓撲關系信息的處理和儲存。

b.荷載確定及鋼材選用。系統根據屋架荷載的特點設計荷載計算界面，并按照《建筑結構荷載規范》[2]的規定，定義各項荷載的分項系數和荷載設計值的計算公式。設計人員僅需對應輸入各項荷載，然后載入設計分項系數，系統即可計算出最不利的集中荷載設計值。

各種型號鋼材的參數已根據《鋼結構設計規范》[3]預先在程序中定義。用戶只需通過直接選擇鋼材型號后點擊輸入完成按鈕即可完成材料參數的輸入。

2)桿件和節點設計模塊。

a.內力計算。結構的內力計算根據桁架計算分析所采用的計算假定[1]選取Link1單元用于有限元分析。用戶在完成設計參數的輸入后，程序可根據屋架結構的幾何信息和拓撲關系輸出相應的APDL命令流文件，并以后臺調用ANSYS的方式對屋架結構內力的有限元計算分析。

b.桿件的設計與校核。桿件設計：在程序中定義角鋼類CAngleSteel來管理各類角鋼的幾何信息，用戶在載入桿件數據后對桿件截面進行選擇。

桿件校核：通過傳遞程序中設計數據，采用I/O流讀取ANSYS輸出的計算結果，并以列表控件中報表的形式實現對桿件的校核功能，并在完成校核后可根據用戶需要自動輸出桿件的選型報告。

c.節點的設計與校核。用戶通過編輯框輸入各個構件的尺寸參數，并為各構件添加詳圖圖例，以方便用戶輸入各尺寸設計參數。在確定完節點板的設計參數輸入后，在校核界面中完成對相應節點構件的校核工作。

3)三維建模模塊。

在CSRoofView類中將桿件和節點相應的繪制代碼封裝在DrawJG( )，DrawZZJD( )和DrawPJJD( )等繪制函數中，并在RenderSence( )函數中采用矩陣堆棧的技術，根據桿件和節點的坐標、幾何拓撲關系和節點處的構造線性實現角鋼和節點等三維模型繪制和整體模型的組裝。

2 系統中的關鍵問題及技術

2.1 VC6.0與ANSYS的接口技術[4]

系統通過VC++對APDL和ANSYS的批處理功能對軟件進行后臺封裝，應用Win32 API函數CreateProcess( )函數來為ANSYS創建一個新的進程，并對注冊表進行編程來實現程序自動修改ANSYS的文件路徑及文件名。最終實現以后臺調用ANSYS的方式對屋架結構內力的有限元計算分析，并以*.txt的文件格式輸出計算結果。

2.2 三維建模技術

三維建模技術是實現三維可視化設計的一個重要基礎，系統通過MFC的窗口平臺實現OpenGL三維模型的構建和顯示。

模型構建[5，6]如下：

桿件模型：程序根據規范《熱軋型鋼》[7]所規定的角鋼截面形式編寫桿件模型的繪制函數。對角鋼肢端弧面和內弧面采用三階Bézier曲面進行模擬，采用GL_QUAD(四邊形)和GL_POLYGON(多邊形)圖元繪制其他各面。最后，選用OpenGL中的渲染技術對模型渲染以提高真實感。完成渲染的雙角鋼桿件模型如圖2所示。

節點模型：在DrawZZJD( )和DrawPJJD( )等函數中完成節點模型的繪制工作，節點中各構件的繪制同樣通過采用上述幾種基本圖元完成。用戶在節點設計界面中輸入相應的參數，程序根據各構件幾何和位置參數對完成節點模型的繪制。

整體模型的組裝：結構整體模型的建立采用了OpenGL中矩陣堆棧的技術，通過分別繪制各桿件和節點的模型最終以層次建模的方式實現。程序讀取結構各節點和桿件的幾何信息和拓撲關系，再結合節點處相應的構造信息分別以每個節點為基礎建立其節點模型和相應的桿件模型，如圖3所示為支座處節點整體模型的組裝。

3 系統應用

3.1 基本設計資料

某單層單跨工業廠房，跨長L=24，總長60 m。冬季計算溫度高于-20 ℃。廠房中沒有設置吊車，且不需地震設防。屋面材料包括1.5 m×6 m的預應力混凝土大型屋面板，10 cm厚泡沫混凝土保溫層和卷材屋面。雪荷載0.40 kN/m2，屋面積灰荷載0.75 kN/m2。屋架鉸支于鋼筋混凝土柱上，柱截面400 mm×400 mm，混凝土等級C20。鋼材選用Q235-B。采用E43型焊條，手工焊接。

由于采用大型屋面板作為屋面材料，故選用無檁體系平坡梯形屋架形式。屋面坡度i=1/10。屋面計算跨度L0=L-300=

23 700 mm。端部高度H0=1 990 mm，中部高度H=3 190 mm。屋架幾何尺寸如圖4所示。

3.2 設計與實現

首先，根據本文1.2中所敘述的步驟對屋架進行結構選型、荷載和材料參數輸入、內力計算、桿件和節點設計及校核，最終完成的屋架整體模型如圖5所示。

4 結語

本文基于MFC應用程序框架，采用開放式三維圖形標準，依據國家相關技術規范，研究基于OpenGL圖形技術的梯形鋼屋架三維可視化輔助設計系統，建立了以對話框的形式輸入屋架設計參數、桿件和節點的設計及校核。應用了Visual C++與有限元軟件ANSYS的接口，實現了對ANSYS的后臺調用，并提取計算結果作為桿件構件和節點設計依據，設計和實現了鋼屋架桿件和節點的三維模型構建。系統的可視化結果具有三維真實感，而且系統具有操作簡便的特點。整個鋼屋架的計算機輔助設計過程，可以為設計者提供可視化成果，為鋼屋架的設計提供一種新方法，對設計方案優選具有一定的參考價值。

[1] 牟在根.簡明鋼結構設計與計算[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2] GB 50009—2012，建筑結構荷載規范[S].

[3] GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S].

[4] 吳曉涵.面向對象結構分析程序設計[M].北京：科學出版社，2002.

[5] 和克智.OpenGL編程技術詳解[M].北京：化學工業出版社，2010.

[6] Dave Shreiner，Mason Woo，Jackie Neider，et al. OpenGL編程指南[M].徐 波,譯.第6版.北京：機械工業出版社，2008.

[7] GB/T 706—2008,熱軋型鋼[S].

[8] 劉聲揚.鋼結構原理與設計[M].武漢：武漢理工大學出版社，2005.

Research on computer aided design system of trapezoid steel roof truss

Long Tian Wang Ziru*

(FacultyofInfrastructureEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

This paper researched the computer visualization aided design problems of trapezoid steel roof truss, according to the design specification, based on OpenGL 3D graphics library and ANSYS interface programming technology, using the oriented object software design technology realized the 3D visualization aided design system of trapezoid steel roof truss, through the examples made good effect.

steel truss, OpenGL, visualization, ANSYS

1009-6825(2015)16-0257-02

2015-03-25

龍 天(1989- )，男，在讀碩士

王子茹(1955- )，女，博士，博士生導師，教授

TP319

A