管桁架设计软件开发

摘 要:针对管桁架设计过程中绘图工作量大､出错率高､效率低等问题,利用.Net和ObjectARX在AutoCAD 2004中实现管桁架结构设计软件. 介绍开发该软件的总体思路､构架和数据存储及基本功能. 该软件将三维实体模型应用到管桁架后处理系统之中,通过对实体模型消隐来出图,可以大大减少人工绘图的工作量.

关键词:管桁架; 三维实体模型; ObjectARX; AutoCAD

中图分类号:TU435; O241

文献标志码: A

Development on tubular truss design software HU Jiangmin1,ZHANG Qilin2

(1. Shanghai Tonglei Civil Eng. Tech. Co.,Ltd.,Shanghai 200092,China;

2. College of Civil Eng.,Tongji Univ.,Shanghai 200092,China)

Abstract:With the heavy workload of drawing,high error probability,low efficiency and so on in the design of tubular truss,.Net and ObjectARX are used to implement a tubular truss structure design software in AutoCAD 2004. The general idea,framework and data storage in developing the software are introduced. The basic functions are introduced simply. In the software,3D solid models are applied into post-process design system of tubular truss and the detailed drawing can be obtained by the way of hiding solid models . The software can reduce the workload of drawing greatly.

Key words:tubular truss; 3D solid model; ObjectARX; AutoCAD

0 引 言

管桁架结构随着近代钢管生产技术的成熟而逐渐发展.在我国,采用管桁架结构的建筑物越来越多,各地相继建成一大批千姿百态的体育场馆､会展中心和机场航站楼等大型公共标志性建筑.从受力方面而言,管桁架结构对称的截面形式使得截面惯性矩对各轴相同,有利于单一杆件的稳定性设计,截面的闭合也可提高抗扭刚度;从建筑效果来看,管桁架结构外观简洁,合理使用管截面一般都能得到整洁和宽敞的结构;从经济方面来看,钢管价格虽高于普通开口截面型钢,但钢管外表面积相对同样承载性能的开口截面钢构件往往要小,这就能减少防腐防火涂层的材料消耗,加上钢管加工的便利性,为制造商和业主带来明显经济效益.

钢结构建筑应用广泛,钢结构软件已成为钢结构设计中不可缺少的部分,越来越多的钢结构设计､施工和加工单位需要1套计算功能强大､出图详尽､使用方便的软件作为工程工具.钢结构软件作为结构软件的组成部分,其地位和作用日益提高.

1 软件整体思路和架构

1.1 AutoCAD 2004二次开发平台[1-3]

随着IT技术的飞速发展及全国CAD应用推广的普及,计算机在建筑行业的应用水平得到很大提高.AutoCAD是目前在Windows 98/NT/2000/XP环境下应用最广泛､使用人数最多的CAD软件,是国内工程设计行业广泛使用的通用图形平台,如果能对AutoCAD平台进行卓有成效的二次开发,能大大减轻设计人员设计绘图的工作量,提高成图质量､优化设计结果.目前,国内开发的工程制图软件大多将AutoCAD作为其软件支撑平台进行二次开发而成,为工程设计和制图行业创造巨大的经济效益和社会效益,如国内建筑行业的天正CAD系统､机械行业的大恒CAD系统､煤炭行业的采掘工程平面绘图系统等,均是对AutoCAD二次开发后实现的.

基于AutoCAD平台开发的钢结构软件具有以下几个优点:(1)不用自己开发图形平台,大大缩短研发时间;(2)可充分利用AutoCAD强大的图形功能;(3)AutoCAD作为被广泛使用的通用平台,提供强大的绘图编辑功能,可供各专业绘图使用,大部分工程计算人员对此较熟,在该平台上开发软件更具亲和力;(4)AutoCAD属于开放性平台,用户可在二次开发的基础上加入自己的扩充程序.

1.2 AutoCAD二次开发工具ObjectARX

面向对象的编程环境ObjectARX是1种开发AutoCAD应用程序的工具,以C+[KG-*3]+为编程语言,采用先进的面向对象编程原理,提供可与AutoCAD直接交互的开发环境,能使用户方便快捷地编制高效简洁的程序.ObjectARX编程环境提供面向对象的C+[KG-*3]+应用程序编程接口,使开发者能够更加深入地使用AutoCAD,并使其用户化和得到扩展.它不仅提供AutoCAD系统的核心类库,而且在数据库访问方面比其他二次开发工具有更进一步的拓展.

ObjectARX实质上是1种特定的C+[KG-*3]+编程环境,包括1组动态链接库(DLL),这些库与AutoCAD在同一地址空间运行并能直接利用AutoCAD核心数据结构和代码.库中包含1组通用工具,使得二次开发者可以充分利用AutoCAD的开放结构,直接访问AutoCAD数据库结构､图形系统以及CAD几何造型核心,以便能在运行期间实时扩展AutoCAD的功能.创建能全面享受AutoCAD固有命令的新命令,已成为AutoCAD二次开发的最重要手段. ObjectARX 程序编译所生成的文件后缀名为arx,但本质上是个动态链接库DLL文件,它与AutoCAD的接口通过acrxEntryPoint()函数实现.

1.3 软件整体思路分析

钢结构设计过程涉及面非常广泛,在设计初期需要建立计算分析模型,分析计算部分要在杆件和节点上布置载荷和约束,进行有限元分析时需频繁提取杆件和载荷信息,且在分析完成后将分析结果加入到杆件中.节点设计是钢结构设计中最复杂的阶段,需要从模型中提取杆件信息和力学分析结果,据此进行节点的选型和设计,然后将设计结果加入到实体模型中去.施工图绘制则要从计算模型或实体模型中提取几何信息和工程属性,然后才能自动给出施工图.

由于上述各子模块(建立模型､分析计算､节点设计､施工图绘制)需要频繁与核心数据模型进行通信,这就需要建立1个精简的核心数据模型,为各子模块提供各种接口服务,实现核心数据模型与各子模块的相对独立性,面向对象技术为这一设想提供可能.利用面向对象的封装性建立独立的核心数据模型,并在此基础上提供各种通用接口服务,子模块能通过接口访问核心资料,且有一定级别和权限.这样,当核心数据模型改变时,只要接口不变,其他子模块就可以不做改动.

软件的核心数据模型以ObjectARX为基础构建,其规则是:只具有工程属性而没有图形表示的专业对象都从AcDbObject或AcDbDictionary派生,存储在AutoCAD的有名对象字典中,并且钢结构的核心资料自成1个树结构,具有图形表示的对象从AcDbEntity或AcDb3dSolid派生,使其既有图形又有工程属性.对象之间的相互关系通过ObjectId建立,ObjectId是1个对象的标志,在1个AutoCAD进程中是唯一的.在核心数据模型之外建立通用接口后,再建立模型､分析计算､节点设计和施工图绘制等模块与核心数据模型通信.

软件设计步骤为:

(1)根据管桁架生成向导快速建立平面或空间三维直线或圆弧管桁架计算模型,也可在AutoCAD下使用画线命令自己建立管桁架计算模型;

(2)对计算模型里的杆件赋予杆件截面和材料性质等属性,通过向导生成的模型可省略该步;

(3)给生成的计算模型加上支座约束和载荷;

(4)进行力学分析和杆件验算[4,5],如杆件验算不满足则需调整杆件截面,并重新进行力学分析和杆件验算,如此往复直到杆件验算满足为止;

(5)将计算模型导成空间三维后处理实体模型;

(6)进行相贯节点和支座节点的设计[6];

(7)对三维实体模型进行投影变换和消隐,生成管桁架施工图.

1.4 软件数据的存储

在软件设计中,由于结果数据比较大,需要考虑数据存储的合理性,如单纯只采用AutoCAD本身所带数据库,会导致DWG文件过大,而且不利于数据检查.软件开发中采用AutoCAD本身所带数据库和另外再建附加文件系统来存储数据.具体存储结构见图1.

图 1 数据存储结构图

2 软件主要功能简介

该管桁架CAD软件具有如下主要功能:

(1)三维建模.软件采用空间三维建模,建模形式灵活多样､方便快捷,可以通过指定1条直线或曲线来生成空间管桁架,也可以指定多条直线或曲线作为上弦或下弦杆,从而生成空间管桁架.载荷布置和内力计算均在空间三维模型上进行.

(2)灵活的显示方式.AutoCAD环境下可视图显示,平移､放大和缩小显示,旋转任意角度及自定义视角观察等.

(3)丰富的载荷编辑和显示功能.可任意添加1个或多个节点载荷､单元载荷,可自动将风载荷导到杆件上,对已添加的载荷可方便地进行修改和删除,可在三维空间模型上显示已添加的载荷,使用户对所加载荷有更直观的认识.

(4)有限元内力计算.软件的计算核心是有限单元法.软件提供梁杆等截面和变截面的线性有限单元,考虑只受拉和只受压单元的退出机制,若单元的退出导致结构成为机构,软件还自动设置迭代计算开关;在非线性有限元方面,软件不仅考虑索杆和索梁体系各种不同初始状态的确定原则和方法,而且可以对整个结构进行非线性跟踪､分析结构的极限承载力以及计算结构的线性稳定模态等.

(5)杆件验算.软件将杆件验算分为3类,即校核､截面放大和截面优选.校核是指软件根据当前内力对原先定义的杆件截面进行校核,判断其是否满足设计要求(强度､整体稳定､局部稳定､位移､长细比等的控制).截面放大和截面优选均指在原先定义的截面基础上在截面表中找到符合当前内力要求的截面.

(6)节点设计.软件提供相贯节点的连接设计和验算,并可以对相贯线进行自动展开.

(7)能够提供Word格式的相贯节点验算的计算书.

(8)自动绘制施工图.能自动生成平面布置图､轴侧图､节点图､材料表和相贯线展开图等,并可在AutoCAD环境下对生成的图形进行修改.

3 软件的应用

图2为管桁架软件快捷生成向导的1个参数输入界面,通过生成向导以及利用AutoCAD本身常用的一系列命令,可以很方便地生成如图3所示的三维空间管桁架模型.

图 2 快捷建模对话框

图 3 空间管桁架模型

通过软件将计算模型导成后处理三维空间实体模型,然后进行节点设计以及绘制施工图.图4和5分别为经过焊接球节点设计和相贯节点设计后的三维实体模型图,相贯过程通过AutoCAD的实体布尔运算实现.软件通过对三维实体模型进行消隐的方式自动快速地绘制各种施工图.图6为软件自动绘制的圆管相贯线展开图.

图 4 焊接球节点

图 5 相贯节点

图 6 相贯线展开图

4 结束语

围绕管桁架软件开发展开研究,基于AutoCAD平台采用ObjectARX开发工具开发管桁架设计软件.软件利用AutoCAD提供的图形数据库功能,可在AutoCAD环境里直接完成结构建模､计算分析､绘制施工图和图形编辑修改等系列过程,较好地解决设计人员绘图工作量大､出错率高､效率低等问题.

参考文献:

[1] 陈杉. 用ObjectARX开发AutoCAD 2000应用程序[M]. 北京:人民邮电出版社,2000.

[2] 李世国. AutoCAD高级开发技术――ARX编程及应用[M]. 北京:机械工业出版社,1999.

[3] 孙江宏,丁立伟. AutoCADObjectARX开发工具及应用[M]. 北京:清华大学出版社,1999.

[4] 中华人民共和国建设部. GB 50017―2003钢结构设计规范[S]. 北京:中国计划出版社,2003.

[5] 陈绍番. 钢结构设计原理[M]. 北京:科学出版社,1998.

[6] 李星荣,魏才昂,丁峙,等. 钢结构连接节点设计手册[K]. 2版. 北京:中国建筑工业出版社,2005.