生土结构住宅建筑CAD软件开发

摘要：为合理地设计生土结构住宅，基于AutoCAD图形平台，开发一套用于单层生土住宅的结构设计软件.软件采用交互式的参数化方式建立结构三维实体模型，整合屋盖体系计算分析、构件规范验算和自动化施工图生成等功能.软件建模方便，操作步骤简单，能完成一般生土结构住宅的设计、计算和绘图.

关键词：生土结构；住宅；CAD； 三维实体模型；软件开发

中图分类号：TU362；TP317.4 文献标志码：A

Development of CAD software for rawsoil

structure residence building

HU Jia1, XIE Buying1, ZHOU Zhihao1, ZHANG Qilin1， YANG Huizhu1, 2

（1. College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;

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

Abstract： To design rawsoil structure residence building rationally, a structure design software for single residence in rawsoil structure is developed based on AutoCAD graphics platform. In the software, 3D solid model can be established for structures interactively by parameterization method, and the functions including calculation and analysis of roof system, code checking for members and generation for construction drawing are integrated. The software can conveniently accomplish modeling and automatically generate drawing with several simple steps. It can perform design, calculation and drawing for common rawsoil structure residence building.

Key words： rawsoil structure; residence; CAD; 3D solid model; software development

基金项目： “十一五”国家科技支撑计划(2008BAJ08B06)

作者简介： 胡笳（1983―），女，天津人，博士研究生，研究方向为土木工程计算机仿真，(Email)0引言

生土结构是指以生土墙作为主要承重构件的木楼（屋）盖住宅，包括土坯墙和夯土墙承重住宅，其优点是就地取材、成本低廉，缺点是房屋耐久性和抗震能力差.生土结构住宅在我国历史悠久，在我国西北、华北和南方大部分农村贫困地区至今仍广泛存在.生土是天然材料，生土结构住宅有节能环保、冬暖夏凉的优点，而其抗震性能可以通过设置合理的构造措施进行加固和提高，因此生土结构作为一种绿色建筑近来重新受到关注.然而，我国农村现存的生土结构住宅大多依靠农民的经验建造，既没有经过合理设计又没有明确的施工图纸，建造随意性很大，导致生土结构住宅安全性降低.［1］

在建筑行业中，使用计算机辅助设计软件进行结构设计和施工图绘制已经十分普遍，各类结构设计软件已趋于成熟化和产业化，但针对生土结构的建筑设计软件目前仍然空白.为解决该问题，本文研究生土结构住宅的构造特点，结合我国农村住宅相关规范和图集，在AutoCAD平台上开发一套生土结构住宅CAD软件，该软件能对生土结构的主要构件进行三维快速建模，自动进行构件计算和构造检查，并能够生成计算书和绘制施工图.

1生土结构特点及功能需求分析

1.1生土结构住宅的结构体系

生土结构住宅的结构体系［2］见图1.

图 1生土结构住宅的结构体系

Fig.1Structural system of rawsoil structure residence

住宅纵横墙由生土砌块砌筑或由黏土掺杂材料夯筑而成.住宅的全部竖向载荷由生土墙承担，在纵横墙交接处的墙体中可置入树条、荆条或竹片等增加其整体性和抗剪能力.在墙体开洞处应设置木过梁，木过梁支撑处应设置垫木.

屋盖是生土结构住宅的主要部分，主要采用硬山搁檩屋盖或木屋架屋盖2种形式.硬山搁檩是将木檩条搁置于横墙上，此时需将横墙顶部砌筑至屋盖下缘，成尖状，在墙顶设置木卧梁起到支撑和链接木檩的作用，檩条上沿纵向布置椽条，其上铺设屋面；而采用木屋架屋盖时，木屋架搁置在生土墙体上并设置木垫板，当墙体厚度不足时还应设置壁柱.

除上述主要构件外，为提高结构的抗震性能，还应设置圈梁和构造柱，在屋面和墙间的相应位置设置一定数量的水平系杆.采用硬山搁檩屋盖时，应在山墙设置竖向剪刀撑.

1.2系统功能需求分析

典型的结构设计程序通常包括结构建模、计算分析、模型后处理和施工（或加工）图生成等功能模块.［3-4］

（1）结构建模功能.生土结构形式较简单，构件种类较少，因此程序建模应以流程清晰、操作简单为目标，应能快速定义结构的主要构件，包括轴网、墙体、门窗洞口、屋面几何、屋架和屋面体系等.

（2）计算分析功能.生土结构的计算分析可从以下2方面考虑：对于屋架和屋面体系，可简化为杆或梁单元进行有限元计算，然后根据《木结构设计规范》［5］进行构件验算；对于生土墙体，由于具有开间进深较小、房屋布置简单的特点，《镇（乡）村建筑抗震技术规程》［6］对生土结构的房间布置、墙体厚度和门窗洞口等构造尺寸作出控制，软件应据此对上述构件进行构造检查.计算结果应既能从图形界面直观查看，又可以生成包含详细设计步骤的计算书.

（3）模型后处理.在结构主要构件设计完成后，程序还应对次要构件进行建模设计，包括圈梁、卧梁、构造柱和屋架支撑等.一般次要构件作为提高结构抗震性能和整体性的构造措施，不需要与主要构件一起进行建模计算，因此模型后处理的主要目的是为施工图表达提供必要的几何信息.［7］

（4）施工图生成.施工图是结构设计结果的最终表达，生土结构施工图需包括房屋结构平面布置图、结构立面图、剖面图、屋顶布置图和构造详图等.大部分图纸需通过三维实体模型投影生成.一些详细构造如墙体内部连接、木构件搭接等，根据国家标准图集有其固定做法，只需在图纸生成后将详图插入并索引到相应位置即可.

2系统设计

2.1系统整体架构

系统在AutoCAD平台上进行二次开发，采用VC++基于ObjectARX接口进行编程，程序界面风格和操作习惯与AutoCAD保持一致，继承AutoCAD的全部优良特性.［5］选择ObjectARX作为二次开发方式，既保证AutoCAD对程序的快速响应,又能满足系统功能在图形表达方面的需求，使软件在通用性和表达完备性上得到良好支持.［8］

系统功能模块见图2.结构三维模型作为系统功能的核心，既能对设计对象进行直观的观察，同时又是整个设计流程中各种信息的载体.生土结构各部分构件采用交互式参数化建模方式，直接建立三维实体模型.随着结构设计的深入，构件载荷信息和内力信息也借助于该模型进行表达.这些信息为抽象信息，根据结构设计的习惯，采用符号结合图形的方式进行表达.最后，设计模型经过一系列建筑投影规则被转化为二维施工图.因此，在AutoCAD可视化图形编辑功能基础上，软件各部分功能围绕三维实体模型展开，主要工作集中于快捷建模、结构计算分析和施工出图等功能的开发上.

图 2系统功能模块

Fig.2System function module organization

2.2数据对象组织

建模涉及到的数据对象分为三维实体类、附加实体类和一般信息类等.所有具有图形表达的结构对象都属于三维实体类，这些类从AcDb3dSolid类派生，如墙体类RSWall,板类RSPlate,梁类RSBeam,杆类RSBar及其派生类等，可进行拉伸、布尔运算等三维图形变换.附加实体类指与三维实体类相关但不具备图形表达的类，如截面类RSSector,洞口类RSHole，这些类从AcDbObject类派生.除前两类数据对象外，计算分析过程中的一般数据经过抽象形成众多信息类，可从CObject类派生.实体对象之间的包含采用指针进行关联，实体类与信息类之间的引用采用ObjectId和自定义的Id进行关联.

2.3重要功能实现

2.3.1椽条檩条快捷建模

椽条檩条是生土结构模型中数量最多的实体对象，一般沿整个屋面均匀布置.椽条檩条自动生成命令，以椽条檩条的截面、布置间距为输入参数，一键完成其沿屋面的均匀布置，从而大大提高实体建模速度.

自动布置以屋面几何为基础，首先对需要布置椽条檩条的屋面进行判断、分类和排序，根据顺序对各屋面进行布置.对于一片屋面，根据布置间距和屋面尺寸计算椽条和檩条的数量，然后计算每根杆件的空间位置.屋盖体系自动建模流程见图3.定义复杂三维实体RSRoofFrame表示一个屋面上的椽条檩条体系，保存总体布置信息，包括椽条和檩条的数量、间距、布置方向等，这些几何信息将用于进一步的计算分析.每个RSRoofFrame对象包含一组檩条和一组椽条实体，每组实体都依照空间排列顺序保持有序存储，这对子实体的查询和编辑非常重要.图4是程序自动计算生成的T形屋盖体系模型.图 3屋盖体系自动建模流程

Fig.3Automatic modeling process of roof system

图 4屋盖体系模型

Fig.4Roof system model

2.3.2屋盖体系自动计算分析

软件将屋盖体系作为独立的设计单元，分别对椽条、檩条和屋架进行设计计算.计算分析分为载荷定义、载荷导算、内力计算和规范验算等4个步骤.屋面体系的载荷作用通过屋面板先传递给椽条、檩条，再向下传递到屋架，因此在屋面几何上定义载荷，将载荷按力学方法导算到各杆件上，按有限元法对模型进行计算，最后根据木结构规范对构件承载能力进行验算.其中，载荷导算和内力计算结果可在实体模型上进行图形显示，方便设计者观察计算信息.

2.3.3结果输出

结构设计结果主要包括计算书和施工图2部分.计算书生成模块以doc格式作为目标文件，利用Microsoft Word对象模型建立接口，控制其生成文字、表格和图形.该模块首先从实体对象中获得几何信息，再从计算信息对象中获得数值计算结果.将以上数据输出成二进制中间结果文件，再由计算书生成接口从二进制文件逐项提取数据，插入定制好的表格和图形中，从而完成图文并茂的详细设计过程和材料明细表.施工图绘制模块对三维实体进行消隐与投影处理，生成二维图形，并利用模型中实体的点线面属性提取关键几何特征作为尺寸标注的数值和位置信息，通过定义图块实现施工图上各类符号的表达.施工图绘制的全部信息均从三维实体模型中识别获得，保证施工图的精确度，只需再作少量的调整排布就可以完成绘图，极大地提高设计效率.

3结束语

利用ObjectARX技术在AutoCAD平台上开发一套用于生土结构住宅设计计算的软件.软件利用参数化快捷建模，可方便地建立生土结构主要构件的三维实体模型，并能进行屋盖系统的自动计算分析、结构布置检查和施工图自动绘制.软件能满足单层生土结构住宅的设计和出图，填补国内生土结构设计软件的空白.该软件的主要功能已基本完成，下一步将进行大量的工程实例测试以完善软件.

参考文献：

［1］王沛钦, 郑山锁, 柴俊, 等. 走向生土建筑结构［J］. 工业建筑, 2008, 38(4): 101105.

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［4］刘艳, 刘志伟, 刘建波. 基于ObjectARX的空间网架结构CAD系统开发［J］. 工业建筑, 2009, 39(S1): 600602.

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［5］中华人民共和国建设部. GB 50005―2003木结构设计规范(2005版)［S］.

［6］中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ 161―2008镇(乡)村建筑抗震技术规程［S］.

［7］杨晖柱, 常志国, 张其林, 等. 广州西塔钢结构深化设计CAD软件［J］. 计算机辅助工程, 2007, 16(3): 1316.

YANG Huizhu, CHANG Zhiguo, ZHANG Qilin, et al. CAD software for detailing design of Guangzhou Westtower steel structure［J］. Comput Aided Eng, 2007, 16(3): 1316.

［8］杨永华, 吴杰, 张其林, 等. 基于ObjectARX的钢结构施工过程软件［J］. 计算机辅助工程, 2008, 17(1): 4246.

YANG Yonghua, WU Jie, ZHANG Qilin, et al. CAD software for construction process of steel structure based on ObjectARX［J］. Comput Aided Eng, 2008, 17(1): 4246.