Venlo型溫室結構設計軟件的開發與應用

程亮+鄧碧鷹+林峰

【摘要】目前市場上的溫室結構設計軟件存在無法按三維模型計算、施工圖難以滿足工程要求等不足，基于AutoCAD平臺開發了用于Venlo型溫室結構設計軟件GreenHouse。GreenHouse操作方便、計算準確、功能齊全。軟件分為前處理、核心計算和后處理三大模塊，快速建模可提升建模效率，三維模型計算可提高內力分析的準確性，詳細計算書和施工圖的輸出方便工程師應用，并以工程實例說明了軟件的功能和應用情況。

著中國農業的不斷發展，溫室結構的應用也越來越廣。Venlo型溫室因其安裝簡便、透光率高、密封性好等特點，在中國得到了較為廣泛的應用[1]。目前，對溫室結構設計軟件的需求日益強烈。國內科研院所也先后開發了溫室結構設計軟件[2-3]，但仍存在不足，如不能按三維模型進行計算、無法考慮空間作用、施工圖難以滿足設計需要等。針對這一現狀，本文開發了一款針對Venlo型溫室的結構設計軟件GreenHouse。該軟件能夠進行Venlo型溫室結構的設計與三維模型計算，具有建模快捷、構件種類豐富、能生成詳細施工圖等優點。

軟件功能特色

GreenHouse軟件具有集成化的交互界面（圖1），模型的建立、計算以及結果的顯示都在同一個界面下進行。軟件基于AutoCAD平臺，可以直接使用CAD功能進行視圖平移、縮放、模型旋轉等操作。軟件主要分為前處理、核心計算和后處理3大模塊。前處理模塊包括快速建模、構件編輯和荷載編輯，核心計算和后處理模塊分別用來進行結構分析和計算結果的輸出（圖2）。

前處理模塊

快速建模是GreenHouse軟件前處理模塊中至關重要的一步，它可以完成標準形式溫室模型的軸網、構件及荷載信息的快速定義。對話框分為“拼接模塊定義”“軸網定義”“總信息”3部分，依次設置完成后即可生成溫室模型，實現步驟：①定義桁架及拼接模塊的形式；②通過拼接模塊的排列，定義X向軸線的立面形式；③定義X向軸線的間距（即Y向軸網尺寸）形成模型的軸網；④生成屋面構件，包括水槽、屋脊、屋頂條；⑤刪除溫室X向軸線最外側立面桁架并在水槽下方布置立柱，在Y向軸線最外側立面增加軸線間的抗風柱，布置墻梁構件，形成整體模型；⑥總體定義溫室的荷載。

快速建模可顯著提高建模效率。通過3個簡單的對話框就可以確定模型的大部分結構設計信息，再通過對部分構件和荷載的編輯及荷載組合定義即可建立完整溫室結構模型。GreenHouse軟件的快速建模功能支持建立高低跨模型、變跨度模型以及帶托架的模型，還支持鋁合金材料的定義以及某些特殊鋼材的定義。快速建模過程中，能夠定義構件的材料、截面、屋頂條和墻梁的布置形式。溫室結構的一些構件（如水槽、屋脊）常采用異型截面，軟件能夠通過直接獲取CAD圖形來定義異型截面并進行承載力驗算，使得軟件計算結果更加全面可靠。軟件將桁架作為整體進行定義和編輯，大大提高了構件截面設置的效率。軟件還對構件的連接方式進行了默認定義，如屋頂條兩端為鉸接、桁架中腹桿兩端鉸接、小立柱頂部為鉸接等，用戶可在快速建模之后通過“修改連接方式”功能對構件兩端的連接方式進行修改。在屬性編輯中，還可修改構件的材料、截面、方位角、計算長度系數以及柱的支座標高。

荷載定義關系到溫室結構設計的安全性[4]。GreenHouse軟件的“荷載定義”功能包括節點荷載、構件荷載和屋面荷載的定義，以及風荷載體型系數和荷載工況組合的定義。在節點荷載定義中，用戶可以在模型的節點上施加集中力或集中彎矩。在構件荷載定義中，可以在柱、支撐、桁架上弦桿、桁架下弦桿上施加集中荷載或分布荷載。總體的屋面荷載和風荷載體型系數在“快速建模”中已經進行了設置，“荷載編輯”下的2項功能能夠進行局部的調整。荷載工況包括永久荷載、屋面活荷載、作物荷載、運動設備荷載、施工檢修荷載、雪荷載及4個方向的風荷載，其中作物荷載以構件荷載的形式施加在桁架下弦桿上。各工況的組合定義支持按GB/T 51183-2016《農業溫室結構荷載規范》及GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》的組合生成，也可進行手動修改。

國內現行的GB/T 18622-2002《溫室結構設計荷載》中的大部分內容，是引用自GBJ 9-1987《建筑結構荷載規范》，部分內容已不適用于當前溫室結構的設計。GB/T 51183-2016《農業溫室結構荷載規范》的規定更詳盡明確，目前已有很多工程師將其作為溫室結構的設計依據，GreenHouse軟件在荷載組合上給出的多種選擇可以更好地滿足工程師的需要。

結構計算模塊

結構分析模塊的主要功能是對前處理模塊中建立的模型進行結構計算，主要結構計算模塊包括荷載導算、有限元計算、構件驗算（圖3）。

在GreenHouse軟件中，構件分為立柱、屋頂條、屋脊、水槽、支撐和墻梁，均為桿單元。而桁架在前處理模塊中雖然是一個整體，但轉化為有限元模型時，依然將桁架各桿件作為獨立單元分析，類型為桿單元。所以在溫室結構中，有限元分析模型的實質為桿系有限元模型。GreenHouse軟件對建立好的有限元模型進行求解即可求得單元的變形和內力。目前對于溫室結構的研究常采用平面結構的方法，將溫室空間整體結構簡化為由柱梁（忽略桁架的橫向軸向變形）組成的平面排架結構[5]，國內溫室結構設計軟件也均采用簡化后的平面模型進行設計計算。但這種簡化使得結構空間作用的效果無法體現，計算結果偏于保守。GreenHouse軟件在進行內力計算時是按三維模型進行計算，這種計算方式會考慮不同榀框架之間的相互作用，尤其在結構豎向荷載分布不均勻[6]或縱向存在支撐時[7]，其作用效果會非常明顯。軟件內力計算結果的正確性也通過與SAP2000三維模型進行內力對比得到了驗證。

后處理模塊

后處理模塊的主要功能是對結構計算模塊中計算所得的數據結果進行顯示，方便用戶快捷查看計算結果（圖4）。