裝配式混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)軟件

摘要：

針對(duì)當(dāng)前裝配式混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速而相應(yīng)的設(shè)計(jì)軟件嚴(yán)重缺乏的現(xiàn)狀，研發(fā)裝配式混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)軟件PCMSD。該軟件具有疊合梁端結(jié)合面、預(yù)制柱底施工縫、桁架鋼筋混凝土疊合樓板、預(yù)制外掛墻板、疊合梁與預(yù)制柱節(jié)點(diǎn)、主次梁牛擔(dān)板連接節(jié)點(diǎn)和主次梁缺口連接節(jié)點(diǎn)等設(shè)計(jì)功能。PCMSD在緊扣國(guó)家結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際，針對(duì)設(shè)計(jì)人員在裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中急需解決的問(wèn)題提供相應(yīng)的解決方案。通過(guò)采用OpenXML標(biāo)準(zhǔn)和C++托管技術(shù)實(shí)現(xiàn)Word計(jì)算書(shū)的輸出，其中包含構(gòu)件設(shè)計(jì)的詳細(xì)過(guò)程、公式和數(shù)據(jù)代入過(guò)程，便于設(shè)計(jì)人員檢查校核。

關(guān)鍵詞：

裝配式混凝土； C++托管技術(shù)； OpenXML標(biāo)準(zhǔn)； 設(shè)計(jì)軟件

中圖分類(lèi)號(hào)： TP311.5； TU399

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Design software for precast concrete members

ZHENG Yinrui

（Shanghai Tonglei Civil Engineering Technology Co.， Ltd.， Shanghai 200433， China）

Abstract：

As to the problem that the precast concrete structure is growing in high speed but the design software is starved， an assembled concrete component design software named PCMSD is developed. Many design functions can be completed in the software， including interface of composite beam， construction join of precast concrete column bottom， truss reinforced concrete composite floor， precast concrete external wall， joint of composite beam and precast concrete column， joint of primary and secondary beam with shear steel plate， and joint of primary and secondary beam with gap. Based on the national structure design standard， combing with the engineering practice， PCMSD provides corresponding solutions to the design engineer on the urgent problems in precast concrete structural design. Using the OpenXML standard and C++ hosting technology， the outputting calculation report in Word is realized. The report contains detailed design process， formula using， and data substitution process， which is easy to be checked by the designers.

Key words：

precast concrete； C++ hosting technology； OpenXML standard； design software

收稿日期： 2017-11-24

修回日期： 2017-12-17

作者簡(jiǎn)介：

鄭愔睿（1983—），女，上海人，工程師，博士，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)優(yōu)化與軟件設(shè)計(jì)，（E-mail）caitong1117@126.com

0 引 言

19世紀(jì)初，混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)入中國(guó)。在100余年的發(fā)展歷程中，現(xiàn)澆混凝土因?yàn)槭┕ぜ夹g(shù)成熟、結(jié)構(gòu)整體性好，所以始終在民用和公用建筑中占主導(dǎo)地位。[1]近年來(lái)，隨著建筑設(shè)計(jì)理論、施工理論、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展[2-3]，以及對(duì)環(huán)境保護(hù)的進(jìn)一步重視，建筑業(yè)進(jìn)入發(fā)展轉(zhuǎn)型期[4]。2014年，上海頒布《上海市綠色建筑發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2014—2016）》，明確要求各區(qū)縣政府在本區(qū)域供地面積總量中落實(shí)裝配式建筑的建筑面積比例為：2014年不少于25%；2015年不少于50%；2016年外環(huán)線以內(nèi)符合條件的新建民用建筑原則上全部采用裝配式建筑。裝配式建筑比例進(jìn)一步提高。2016年，上海市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)管理委員會(huì)發(fā)布《關(guān)于本市裝配式建筑單體預(yù)制率和裝配率計(jì)算細(xì)則（試行）的通知》，要求符合條件的新建民用、工業(yè)建筑應(yīng)全部按裝配式建筑要求實(shí)施，建筑單體預(yù)制率不應(yīng)低于40%或單體裝配率不低于60%。這些政策給裝配式混凝土（precast concrete，PC）建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供良好的環(huán)境。[4]

目前，PC構(gòu)件生產(chǎn)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化。相比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量可得到更有效控制，并且在施工現(xiàn)場(chǎng)只需對(duì)構(gòu)件進(jìn)行安裝和少量的澆筑工作，可減少現(xiàn)場(chǎng)施工的強(qiáng)度和人員的配備，降低施工成本，提高安全生產(chǎn)率。從環(huán)境保護(hù)方面考慮，預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的特點(diǎn)可提高材料利用率，減少浪費(fèi)，而且施工現(xiàn)場(chǎng)的建筑垃圾、揚(yáng)塵大大減少，更符合環(huán)境保護(hù)要求。[5]

目前，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件僅有PKPM和YJK開(kāi)始研制PC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊，均處于起步階段，特別是在構(gòu)件設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算方面，提供的形式少，且沒(méi)有詳細(xì)的計(jì)算過(guò)程，難以令設(shè)計(jì)人員信服。因此，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一款針對(duì)PC構(gòu)件設(shè)計(jì)的軟件PCMSD。該軟件既提供規(guī)范推薦的構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法，也加入一些在行業(yè)中已經(jīng)較常見(jiàn)的節(jié)點(diǎn)形式和設(shè)計(jì)驗(yàn)算方法。

1 軟件功能介紹

PCMSD不僅包含目前PC結(jié)構(gòu)常用的桁架鋼筋混凝土疊合樓板（見(jiàn)圖1a））、預(yù)制外掛墻板（見(jiàn)圖1b）），還包括疊合梁端結(jié)合面（見(jiàn)圖1c））、預(yù)制柱底施工縫（見(jiàn)圖1d））、梁柱節(jié)點(diǎn)域（見(jiàn)圖1e））、疊合主次梁鉸接節(jié)點(diǎn)（見(jiàn)圖1f）和1g））。用戶只需輸入必要的參數(shù)，即可由軟件完成設(shè)計(jì)工作，軟件提供詳細(xì)的計(jì)算書(shū)，便于設(shè)計(jì)人員校核。

a）桁架鋼筋混凝土疊合樓板

b）預(yù)制外掛墻板

c）疊合梁端結(jié)合面

d）預(yù)制柱底施工縫

e）梁柱節(jié)點(diǎn)域

f）疊合主次梁牛擔(dān)板連接節(jié)點(diǎn)

g）疊合主次梁缺口連接節(jié)點(diǎn)

圖 1 PCMSD可設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)與構(gòu)件

PCMSD在設(shè)計(jì)疊合梁端結(jié)合面[6-9]、預(yù)制柱底施工縫[6]、梁柱節(jié)點(diǎn)域[7]時(shí)，結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）、《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 1—2014）、《預(yù)制裝配整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（SJG 18—2009）等相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的設(shè)計(jì)方法，并根據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造》（G 310-1～2）進(jìn)行構(gòu)件的構(gòu)造設(shè)計(jì)。對(duì)于鋼筋混凝土疊合樓板、外掛墻板和次梁鉸接節(jié)點(diǎn)，PCMSD引入行業(yè)中較成熟的設(shè)計(jì)方法[2，10]。

2 軟件界面設(shè)計(jì)

PCMSD的操作界面簡(jiǎn)單，導(dǎo)向性強(qiáng)，主界面見(jiàn)圖2。打開(kāi)主界面即可選擇相應(yīng)的構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖 2 PCMSD主界面

所有的子界面均分為3部分：左側(cè)部分為數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)；右側(cè)上方為示意圖；右側(cè)下方為結(jié)果顯示區(qū)。疊合主次梁牛擔(dān)板連接節(jié)點(diǎn)子界面見(jiàn)圖3，對(duì)于節(jié)點(diǎn)部位連接多個(gè)構(gòu)件的情況，分別用標(biāo)簽頁(yè)分開(kāi)。

圖 3 PCMSD子界面

構(gòu)件中的關(guān)鍵部件輸入另外設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的對(duì)話框，見(jiàn)圖4。

圖 4 牛擔(dān)板信息設(shè)置

3 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 部件的組成

由于施工工藝的需要，PC構(gòu)件的組件與構(gòu)造措施比現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件要復(fù)雜得多，見(jiàn)表1。

表 1 PC構(gòu)件組件及其構(gòu)造措施

根據(jù)PC構(gòu)件的設(shè)計(jì)流程和施工工藝，以及構(gòu)件的組件和構(gòu)造措施，PCMSD數(shù)據(jù)主要由3部分組成。第1部分是組件類(lèi)（見(jiàn)圖5）。CUnitPart類(lèi)為PC構(gòu)件組件和構(gòu)造措施的基類(lèi)，其中包括純虛函數(shù)Check（）。

圖 5 PC數(shù)據(jù)組件類(lèi)

PC構(gòu)件需要用到的部件和構(gòu)造措施均從CUnitPart派生，并且重載Check（）函數(shù)，實(shí)現(xiàn)所有部件的自我設(shè)計(jì)或驗(yàn)算。

第2部分是構(gòu)件類(lèi)（見(jiàn)圖6）。CPCUnit是PC構(gòu)件基類(lèi)，其中包括CUnitPart鏈表數(shù)組和虛函數(shù)Check（）。疊合梁、預(yù)制柱、疊合板、外掛墻板均從CPCUnit派生，并且重載Check（）函數(shù)。在重載函數(shù)時(shí)，先調(diào)用基類(lèi)的Check（）完成構(gòu)件所包含的部件以及構(gòu)造措施的設(shè)計(jì)或驗(yàn)算，再進(jìn)行構(gòu)件整體設(shè)計(jì)。

圖 6 PC數(shù)據(jù)構(gòu)件類(lèi)

第3部分是節(jié)點(diǎn)類(lèi)。CPCNode是節(jié)點(diǎn)基類(lèi)，其中包括CPCUnit鏈表數(shù)組和虛函數(shù)Check（），其類(lèi)關(guān)系圖和設(shè)計(jì)過(guò)程與構(gòu)件類(lèi)相似。

PCMSD數(shù)據(jù)組成關(guān)系見(jiàn)圖7。

圖 7 PCMSD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

所有的部件、構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)自身進(jìn)行設(shè)計(jì)或驗(yàn)算，驗(yàn)算的中間數(shù)據(jù)保存在自身類(lèi)中，結(jié)論返回到上一層類(lèi)中，即部件驗(yàn)算結(jié)論返回給構(gòu)件。若是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，則構(gòu)件驗(yàn)算結(jié)論返回給節(jié)點(diǎn)，最終將總結(jié)論輸出到界面上。所有的中間數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算書(shū)的形式詳細(xì)輸出。

3.2 OpenXML技術(shù)應(yīng)用

PCMSD的計(jì)算書(shū)采用OpenXML標(biāo)準(zhǔn)。OpenXML是針對(duì)文字處理文檔、演示文稿和電子表格的國(guó)際化開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，可免費(fèi)供多個(gè)應(yīng)用程序在多個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。MS OFFICE自2007版以來(lái)增加基于OpenXML標(biāo)準(zhǔn)的公式編輯器，故PCMSD可以在Word中書(shū)寫(xiě)可編輯的公式。

目前，一般采用C#中的OpenXML庫(kù)實(shí)現(xiàn)在Word中添加文字、公式和表格的功能，但PCMSD的主程序采用C++語(yǔ)言編寫(xiě)，所以為實(shí)現(xiàn)Word計(jì)算書(shū)輸出，采用托管項(xiàng)目將C#的功能轉(zhuǎn)換為C++功能，見(jiàn)圖8。

圖 8 C++實(shí)現(xiàn)OpenXML應(yīng)用

4 軟件應(yīng)用

4.1 PC疊合梁端設(shè)計(jì)

在工廠生產(chǎn)時(shí)，PC疊合梁已完成預(yù)制混凝土部分的鋼筋設(shè)置，在施工現(xiàn)場(chǎng)只進(jìn)行疊合層混凝土澆筑。為保證預(yù)制區(qū)與疊合區(qū)協(xié)同工作，有時(shí)會(huì)在預(yù)制區(qū)預(yù)留凹槽；為保證疊合梁與預(yù)制柱連接處擁有良好的整體性，在梁端部設(shè)置鍵槽增加節(jié)點(diǎn)區(qū)的抗剪能力。為此，對(duì)于疊合梁，用戶可以詳細(xì)輸入端部鍵槽和凹槽數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖9。

圖 9 疊合梁端數(shù)據(jù)輸入

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，鍵槽的數(shù)量越多越有利于抗剪，故軟件提供優(yōu)選鍵槽個(gè)數(shù)和尺寸的功能。在鍵槽的尺寸、深度、間距和邊距都滿足《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造》（G 310-1～2）的基礎(chǔ)上，給出鍵槽數(shù)量最多的布置方式。

驗(yàn)算完成后，點(diǎn)擊主界面上的“打印報(bào)告”按鈕，即可得到計(jì)算書(shū)，見(jiàn)圖10。

4.2 桁架鋼筋混凝土疊合樓板設(shè)計(jì)

桁架鋼筋混凝土疊合樓板的設(shè)計(jì)過(guò)程相當(dāng)繁瑣復(fù)雜，PCMSD可給出詳細(xì)計(jì)算書(shū)，見(jiàn)圖11。由桁架鋼筋混凝土疊合樓板Word計(jì)算書(shū)的文檔結(jié)構(gòu)可知，桁架鋼筋混凝土疊合樓板的設(shè)計(jì)過(guò)程分為施工階段和使用階段2部分。

（1）施工階段：桁架鋼筋強(qiáng)度和穩(wěn)定驗(yàn)算，帶鋼筋桁架預(yù)制板的裂縫驗(yàn)算，帶鋼筋桁架預(yù)制板的撓度驗(yàn)算；

（2）使用階段：疊合面受剪承載力驗(yàn)算，疊合面受彎承載力驗(yàn)算，縱向受拉鋼筋應(yīng)力驗(yàn)算，疊合板裂縫驗(yàn)算。

圖 10 疊合梁端驗(yàn)算計(jì)算書(shū)

5 結(jié)束語(yǔ)

PCMSD采用C++完成PC構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的核心代碼，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)根據(jù)PC構(gòu)件的特點(diǎn)進(jìn)

行抽象，分為節(jié)點(diǎn)-構(gòu)件-部件3個(gè)層次，每個(gè)層次完成自身的設(shè)計(jì)或驗(yàn)算。通過(guò)部件或構(gòu)件的不同組合，可以快速生成新的節(jié)點(diǎn)形式，使PCMSD具有較高的可擴(kuò)展性，能夠方便增加新的構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)形式。

PCMSD中包含目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中推薦的絕大多

數(shù)裝配式混凝土構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法。但是，隨著裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，新技術(shù)必然會(huì)先于

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)，為此，PCMSD在研發(fā)過(guò)程中還加入一些當(dāng)前實(shí)際工程中較認(rèn)可的構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)形式的設(shè)計(jì)方法。

圖 11 桁架鋼筋混凝土疊合樓板計(jì)算書(shū)

PCMSD使用OpenXML標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)C#語(yǔ)言和C++托管技術(shù)，實(shí)現(xiàn)Word計(jì)算書(shū)輸出。計(jì)算書(shū)中包含完整的計(jì)算過(guò)程，所有計(jì)算過(guò)程都列出公式，并進(jìn)行數(shù)據(jù)代入，便于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行檢查校核。

為提高PC結(jié)構(gòu)的施工效率，大型設(shè)計(jì)院均開(kāi)始研究裝配式結(jié)構(gòu)集成系統(tǒng)，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝潢設(shè)計(jì)、施工工藝作為整體進(jìn)行統(tǒng)籌。所以，未來(lái)PC設(shè)計(jì)軟件也必須在建模階段可完成構(gòu)件拆分、鋼筋排布、施工過(guò)程定義等詳細(xì)輸入過(guò)程，并進(jìn)一步成為裝配式結(jié)構(gòu)集成系統(tǒng)的有機(jī)組成部分。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐有鄰， 劉剛. 我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)基本理論及規(guī)范發(fā)展的回顧[J]. 建筑結(jié)構(gòu)， 2011， 41（11）： 8-11.

[2] 劉浩， 馮超. 混凝土澆筑過(guò)程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)仿真分析[J]. 計(jì)算機(jī)輔助工程， 2013， 22（S1）： 474-479. DOI： 10.3969/j.issn.1006-0871.2013.z1.111.

[3] 趙鳴， 張方超， 張國(guó)峰. 建筑施工模板計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)輔助工程， 2007， 16（3）： 52-56. DOI： 10.3969/j.issn.1006-0871.2007.03.013.

[4] 盧家森. 裝配整體式混凝土框架實(shí)用設(shè)計(jì)方法[M]. 長(zhǎng)沙： 湖南大學(xué)出版社， 2016： 1-2.

[5] 蔣勤儉. 國(guó)內(nèi)外裝配式混凝土建筑發(fā)展綜述[J]. 建筑技術(shù)， 2010， 41（12）： 1074-1077. DOI： 10.3969/j.issn.1000-4726.2010.12.001.

[6] 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程： JGJ 1—2014[S]. 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2014.

[7] 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范： GB 50010—2010[S].

[8] 深圳市住房和建設(shè)局. 預(yù)制裝配整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范： SJG 18—2009[S].

[9] 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造： G 310-1～2[S]. 北京： 中國(guó)計(jì)劃出版社， 2015.

[10] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范： GB 50017—2003[S].