基于ACA軟件的結構設計與分析前處理模塊開發(fā)

張繼鋒 廖澤邦 張 昕 汪叢軍

(上海凱德數(shù)值信息科技有限公司 200080)

1 引言

建筑設計是建筑、結構、水暖電各專業(yè)相互配合、協(xié)同工作完成項目的過程,而 CAD軟件在建筑設計過程中已經得到了普及應用。建筑 CAD的發(fā)展趨勢是專業(yè)化、智能化和集成化。建筑設計企業(yè)及相關研究機構在集成化設計領域均花費了巨大的精力,本文基于 ACA這一建筑專業(yè) CAD軟件,研究了建筑和結構設計集成的可能性。

ACA是 AutoCAD Architecture的簡稱,是一款在 AutoCAD軟件基礎上開發(fā)的采用了 BIM[1]技術的建筑設計與繪圖軟件。它的建模方式是從兩維生成三維,與傳統(tǒng)的兩維方式比較接近。但其采用了面向對象的技術,即:構件在 ACA軟件中都是對象(如圖1所示),并且可在對象上添加屬性,使得每個構件都可以有很多不同的屬性,如:截面屬性、材料屬性等。而這些屬性都是跟構件緊密結合在一起的,即結構屬性成為了構件屬性的一部分。

國際標準 IFC致力于為建筑信息模型(BIM)提供一致的描述,國際上也有相應的基于 IFC集成各專業(yè)設計的研究。然而,筆者認為,各專業(yè)模型有其獨特性,如建筑與結構模型在墻、柱等構件部位相互重疊,結構分析模型又須考慮計算對模型的要求,因此,結構工程師實際上是參考建筑師的設計成果建立結構模型。本文的結構設計模塊開發(fā)原則即是能夠直接參照建筑模型建立結構模型。

圖1 ACA軟件中的對象

ACA中建模更加直觀,可以減少錯誤并提高工作效率。而與 AutoCAD軟件的無縫連接使得熟悉AutoCAD軟件的建筑師和結構工程師上手也比較容易。但因為其主要面向建筑師,缺少結構上的建模功能,所以,為了能使結構工程師也能充分的利用ACA軟件,減少重復勞動,實現(xiàn)建筑與結構設計的集成化,我們開發(fā)了 ACA軟件的結構模塊。結構模塊菜單的形式如圖2所示。

圖2 ACA結構模塊菜單

2 結構模塊功能概覽

ACA軟件的結構模塊是在充分利用 ACA現(xiàn)有功能的基礎上采用 DOT NET API開發(fā)的[2-5],使其更加適合結構工程師進行結構建模。其主要功能有:

(1)以表格數(shù)據(jù)形式建立軸網系統(tǒng),以及顯示和隱藏軸線編號;

(2)自動生成樓板;

(3)提取構件結構信息的功能,并添加了一些構件的額外結構屬性;

(4)添加構件材料信息;

(5)添加構件荷載以及荷載隱藏和顯示;

(6)根據(jù)層高更新樓層構件;

(7)導出 ETABS格式模型文件。

下面按照結構建模的基本步驟對此模塊的結構功能進行較詳細的介紹。

2.1 軸網功能

根據(jù) ACA軟件自帶的軸網功能,我們添加了通過表格形式輸入軸線數(shù)據(jù)的功能,使得軸網的建立更加直觀和方便,如圖3。添加軸線編號以后,還可根據(jù)需要顯示和隱藏軸線的編號。

2.2 構件布置和定義

2.2.1 構件布置

通過自動在軸線上添加輔助線的方法,可以直接在軸線上布置梁和墻構件。柱布置則通過直接點選軸網的節(jié)點生成柱。結合 ACA軟件的項目功能,我們實現(xiàn)了柱的長度和墻的高度自動同當前層的層高一致,而且梁自動生成在當前層的層高位置。樓板的生成基于軸網,以軸網的格子為模板(包括位置和形狀),同樣自動生成在層高的位置。

圖3 軸網數(shù)據(jù)輸入表格

圖4 通過樣式列表給構件設置具體的樣式

2.2.2 構件樣式

構件布置時構件樣式會自動采用 ACA軟件中默認定義的“Standard”樣式。通過方便的獲取 ACA軟件提供的“結構桿件目錄”或“結構桿件樣式向導”給梁和柱構件添加截面樣式?！澳夸洝敝幸呀浱峁┝撕芏鄻藴实慕孛?但沒有提供中國標準的截面尺寸,可以通過“向導”來自定義截面尺寸。

在定義了樣式以后,就可以選擇樣式,并賦給構件?？梢砸淮伟岩粋€樣式多次賦給多個構件。樣式設置的菜單如圖4所示。

2.2.3 構件的結構屬性

對于柱構件,我們定義了其起點和終點的偏移距離,以及是否需要傳遞剛度的屬性。對于墻,則定義墻的結構形式,即是剪力墻(1.PIER),還是連梁(2.SPANDEL)。對于樓板和墻,還需要定義面的類型,即是殼 (1.SHELL),還是膜 (2.MEMBRANE)。

注:所有的材料和類型定義(包括后面的荷載定義)都可以在構件“特性”的“擴展數(shù)據(jù)”選項卡中找到,并可直接對其中的數(shù)據(jù)進行編輯。在材料和類型定義之前,要先布置結構桿件、墻和樓板等。圖5給出了墻構件的結構特性對話框。

圖5 墻的特性輸入

2.2.4 構件的材料定義

材料定義首先對每個構件進行預定義,即對構件定義材料模板。每次打開模型只能對材料預定義一次,默認生成混凝土材料。在進行具體構件的材料定義時,可以按照構件的類型(如:梁、柱、墻和樓板等)進行構件的材料定義。

注:材料名稱的命名規(guī)則與 ETABS相同,如:混凝土(CONC),鋼材(STEEL),Q235,C40等。構件材料定義的對話框如 6。

圖6 構件的材料定義

2.3 荷載定義及布置

荷載的輸入采用先定義、布置,再更新的方式。包括各種荷載形式(點荷載、線荷載、面荷載等)和荷載工況(恒載和活載)的定義以及顯示。荷載在布置以后,將作為構件屬性的一部分。

2.3.1 荷載定義

定義各種荷載形式,包括點荷載、線荷載、面荷載等,同時以示意圖的形式顯示荷載。

荷載形式包括恒點荷載、活點荷載、恒線荷載、活線荷載、柱的豎向恒載、柱的豎向活載、恒面荷載和活面荷載。面荷載定義后會直接在所有樓板上顯示荷載的值。其中點荷載和線荷載采用 ETABS的形式輸入。即:每次都需給出四個位置點及其上的荷載值和荷載的方向。圖7給出了恒點荷載定義時的輸入表格。

圖7 點荷載恒載輸入表格

2.3.2 荷載布置

選擇定義的一種荷載形式,可以把其中的定義荷載值布置到任意多的構件上,并且會直接在圖形中顯示荷載。與荷載定義對應,在修改荷載值之后(選中構件,在右鍵菜單中選擇“特性”,在“特性”的“擴展數(shù)據(jù)”選項卡中可以修改施加荷載的位置和荷載值),可以隨之更新荷載的顯示。構件荷載數(shù)據(jù)的屬性位置如圖8所示。荷載顯示方式為:點荷載以箭頭的形式顯示,線荷載以尾端相連的箭頭形式顯示,面荷載則直接在樓板上顯示荷載值。

2.3.3 荷載顯示控制

實現(xiàn)了各類荷載的隱藏和顯示功能?？梢燥@示和隱藏恒載、活載、點荷載、線荷載、面荷載或全部荷載。

圖9 ACA中樓層組裝的實例

圖10 從ACA軟件導入到 ETABS軟件的實例

2.4 生成 ETABS文件

樓層的組裝和顯示直接由 ACA軟件的項目管理功能實現(xiàn)。圖9給出了一個顯示荷載的樓層組裝圖。左圖為平面圖,右圖為組裝之后的三維顯示圖,右圖中的紅色部分表示荷載。

2.4.1 更新樓層

若某些樓層類似,可以通過復制構件到層的方法直接得到新的層構件。復制層時,若復制層與目標層的層高不同,可以根據(jù)目標層的層高對柱的長度、梁的位置和墻的高度進行自動更新。

2.4.2 生成 ETABS文件

通過按照樓層的標高從小到大的順序獲取各個樓層的構件信息和荷載信息完成樓層組裝,生成ETABS文本文件。生成的 ETABS文件擁有默認的分析選項,可以直接導入到 ETABS中進行恒載和活載工況的結構計算。圖10給出了圖9所示模型在導入到 ETABS中以后的 ETABS模型圖。

3 結語和展望

對國內的建筑行業(yè)來說,ACA軟件因其從二維到三維的特性,是一個很好的部署 BIM的平臺。本文在 ACA建筑軟件的基礎上進行了結構模塊的開發(fā),建立了 ACA的結構建模的基本功能和模型導出功能,實現(xiàn)了基本的結構建模及與ETABS結構分析軟件的接口。在 ACA中建立結構模型,材料、樣式和荷載都作為構件的屬性,因此可以很方便的得到結構模型信息。接下來我們將進一步完善 ACA軟件的結構建模功能,以使其能完成更加復雜的建模工作。同時我們也在考慮,把結構計算的結果重新導入到 ACA中,把構件的內力信息也作為屬性添加進來,進而實現(xiàn)在 ACA中直接出施工圖的功能。

[1]Autodesk BIM,http://www.autodesk.com.cn

[2]Autodesk系列產品開發(fā)培訓教程,秦洪現(xiàn),崔惠嵐,孫劍等編,化學工業(yè)出版社,2008

[3]http://through-the-interface.typepad.com/

[4]Autodesk ADN網絡,http://adn.autodesk.com/

[5]AutoCAD DOT NET討論組,http://discussion.autodesk.com/