Excel VBA在SATWE構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算中的應(yīng)用

沈 超

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南昆明650051)

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)，高層建筑在國內(nèi)發(fā)展迅速，設(shè)計(jì)思想和結(jié)構(gòu)體系不斷更新并日趨多樣化，這也給高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析提出了更高的要求。在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，構(gòu)件的應(yīng)力分析是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，PKPM軟件的有限元分析模塊“SATWE”在高層建筑的構(gòu)件應(yīng)力分析方面被廣泛應(yīng)用。

實(shí)際工作中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析、計(jì)算。雖然SATWE可將構(gòu)件的數(shù)據(jù)導(dǎo)出為文本文件，但對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行手工分析，不僅耗時(shí)還容易出錯(cuò)，此種情況下通過編程來對(duì)導(dǎo)出的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，程序不需要復(fù)雜的功能和結(jié)構(gòu)，“數(shù)據(jù)讀取——處理——結(jié)果輸出”的三步驟模式即可。因此，選擇一個(gè)功能滿足要求且簡單、適用的平臺(tái)來進(jìn)行程序編寫無疑可以提升工作效率，而Excel VBA是可選方案之一。

文章從編程的角度簡述了Excel VBA具備的優(yōu)勢，介紹了如何對(duì)SATWE導(dǎo)出文件中的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行利用。分析了“文件打開及文本讀取”、“中間計(jì)算”及“結(jié)果顯示”三個(gè)過程可能涉及到的編程元素，最后對(duì)程序的設(shè)計(jì)、編碼提出建議。

1 Excel VBA在分析計(jì)算中的優(yōu)勢

VBA是上世紀(jì)90年代出現(xiàn)的微軟Office平臺(tái)二次開發(fā)工具，Excel VBA是成員之一。雖然在今天看來它無論語言特性及功能均無法與當(dāng)下主流的開發(fā)平臺(tái)同日而語，甚至微軟公司也推薦使用VSTO取代VBA作為Office下新的開發(fā)工具。但對(duì)于SATWE的構(gòu)件信息分析計(jì)算，Excel VBA依然具備以下優(yōu)勢:①適用于普通的分析計(jì)算。對(duì)SATWE構(gòu)件數(shù)據(jù)的計(jì)算，即非專業(yè)軟件開發(fā)且不涉及復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算，沒有了繁復(fù)的對(duì)象間邏輯關(guān)系及處理流程。能支持面向過程編程并且有一定數(shù)據(jù)精確度的語言都可以勝任此類程序的開發(fā)，VBA完全可以滿足上述要求。②簡單易學(xué)、功能強(qiáng)大。VBA是VB語言的子集，包含了VB常用的語法，放棄了一些復(fù)雜的語言特性。對(duì)于非專業(yè)編程人員，學(xué)習(xí)VBA要比學(xué)習(xí)主流的編程語言更加容易。同時(shí)，作為基于對(duì)象的編程語言，VBA除可以訪問Excel內(nèi)部的諸多功能，也可以訪問Windows文件系統(tǒng)等外部對(duì)象，具備Windows窗體顯示等能力，可以勝任一些需求較高的編程場合，至今依然是非專業(yè)編程領(lǐng)域的重要工具。③Excel的平臺(tái)優(yōu)勢。Excel本身就是專門的數(shù)值處理工具，原生具備強(qiáng)大而豐富的數(shù)值處理能力。Excel VBA可以直接調(diào)用Excel內(nèi)置的函數(shù)和對(duì)象，通過編程實(shí)現(xiàn)絕大部分Excel功能，這一便利性是許多編程語言所不具備的。④易于開發(fā)和部署。作為VBA成員之一的Excel VBA其開發(fā)環(huán)境已經(jīng)內(nèi)嵌在Excel軟件之中，無需單獨(dú)安裝，編碼及調(diào)試較為便利。開發(fā)完成的程序以“帶宏的Excel表格”形式發(fā)布，無需安裝。

在了解了VBA的優(yōu)勢之后，下面將討論如何將Excel VBA運(yùn)用到SATWE構(gòu)件數(shù)據(jù)的分析計(jì)算中。

2 導(dǎo)出文件讀取

從SATWE導(dǎo)出文件中包含了構(gòu)件有關(guān)的文本說明及數(shù)據(jù)。要識(shí)別并利用這些信息需要用到Excel VBA的外部文件訪問對(duì)象、對(duì)話框及文本讀取對(duì)象。首先，要了解導(dǎo)出文件的內(nèi)容構(gòu)成。

2.1 導(dǎo)出文件內(nèi)容構(gòu)成

SATWE導(dǎo)出的構(gòu)件信息文件由4個(gè)部分組成:①構(gòu)件幾何材料信息;②標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)力信息;③構(gòu)件設(shè)計(jì)驗(yàn)算信息;④荷載組合分項(xiàng)系數(shù)說明，每個(gè)部分均包含有文本信息及數(shù)據(jù)。

2.2 文件名獲取

打開一個(gè)SATWE構(gòu)件信息文件應(yīng)先取得包含完整路徑的文件名稱。既可以采用系統(tǒng)默認(rèn)的名稱(如:MemoInfor．txt)保存到固定的文件夾，也可以通過文件對(duì)話框來獲取。前者寫成一個(gè)字符串常量即可，但考慮到應(yīng)用的靈活性，建議以文件對(duì)話框來獲取被分析文件的名稱，如表2．1中的示例代碼。

文件對(duì)話框的申明類型及初始化方式見第1、4行，當(dāng)FileDialog對(duì)象show方法返回值為-1時(shí)說明用戶按下了確定打開文件的按鈕，通過SelectItems返回完整的文件路徑(行 5)。代碼中fileName被顯式申明為""，以備用戶按下取消按鈕時(shí)能確定地返回空字符串，fd對(duì)象在使用后也被顯式地關(guān)閉。(因篇幅有限，本文不對(duì)代碼中對(duì)象成員、方法、參數(shù)的使用方式及含義進(jìn)行詳述，相關(guān)對(duì)象及語法的信息可參考VBA說明文檔或手冊)。

2.3 文件打開及文本讀取

讀取信息時(shí)，可根據(jù)需要讀取部分文本也可以一次讀取整個(gè)文件的內(nèi)容。文章中的代碼采用標(biāo)示識(shí)別的讀取方式(分別設(shè)定開始及結(jié)束的文本標(biāo)示)，通過不同的標(biāo)示設(shè)定既可以獲取某個(gè)部分的文本內(nèi)容，也可以一次讀取整個(gè)文件。

在獲取文件完整路徑后可以使用系統(tǒng)的File-SystemObject對(duì)象獲得文件的訪問權(quán)，之后通過OpenTextFile方法以文本方式打開文件，并用ReadLine方法的迭代獲取整個(gè)文件的文本內(nèi)容。

表2 打開文件代碼Tab.2 Open-file code

代碼1到3行申明并初始化了讀取文本文件的對(duì)象，從第4行開始的Do While循環(huán)將依次遍歷整個(gè)文本文件，當(dāng)開始讀取標(biāo)志被找到后can Read被設(shè)為True，通過第9行的代碼處理將要讀取的字符串，直至碰到終止讀取標(biāo)志或者文件尾，讀取后的字符串存放到一個(gè)動(dòng)態(tài)的字符串?dāng)?shù)組中。

3 中間計(jì)算的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

進(jìn)行分析計(jì)算之前需要對(duì)已經(jīng)讀取的文本中包括的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別和讀取。

對(duì)于文本信息的提取直接使用VBA中的部分字符串截取函數(shù)Mid，Mid可以靈活地分離字符串中的部分內(nèi)容，對(duì)信息的定位就需要用到mid。以導(dǎo)出文件第二部分“標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)力信息”為例，需了解11種荷載工況分別對(duì)應(yīng)的內(nèi)力或工況號(hào)，以便在讀取工況數(shù)據(jù)矩陣的時(shí)候加以識(shí)別。通常這11種內(nèi)力信息的順序是固定的，但如果SATWE模塊升級(jí)后相關(guān)內(nèi)力信息的排布位置如果發(fā)生變化，需要修改代碼以適應(yīng)。要靈活應(yīng)對(duì)變化，可在讀取工況文本說明后，對(duì)每種工況的編號(hào)做識(shí)別。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)力信息的文本Fig.1 text of standard internal force information

工況信息的讀取見圖1。每種工況的編號(hào)均在正反括號(hào)內(nèi)，且在一行中只出現(xiàn)一次，使用InStr函數(shù)定位正反括號(hào)的位置，就可以直接讀出工況的編號(hào)數(shù)字，轉(zhuǎn)為整型變量即可。對(duì)于工況類型的判斷可以采用標(biāo)志詞的判斷法，如“X方向地震”、“Y向風(fēng)力”等，同樣使用InStr函數(shù)，如果返回值不為0則表示文本包含標(biāo)志詞，用于判斷的標(biāo)志詞可以作為字符常量寫入代碼或者存放于Excel工作表待使用時(shí)再讀取。

圖2 荷載工況數(shù)值矩陣Fig.2 Values matrix of load case

荷載工況數(shù)據(jù)處理需要將讀取后的行文本轉(zhuǎn)為數(shù)字，見圖2。荷載工況的數(shù)據(jù)通過空格字符分開，可采用Split函數(shù)進(jìn)行分離，工況數(shù)據(jù)文本間的空格數(shù)量不一，最少有3個(gè)，多的有5個(gè)，分離標(biāo)志字符串可設(shè)為3個(gè)空格字符串。低于3個(gè)空格時(shí)可能會(huì)將部分空格字符分離為獨(dú)立字符串，產(chǎn)生垃圾數(shù)據(jù)，使用3個(gè)空格進(jìn)行分離后的每個(gè)字符串只包含1個(gè)工況數(shù)據(jù)，多余的空格可以通過Trim函數(shù)去除。

分離并轉(zhuǎn)換后的數(shù)字可存入結(jié)構(gòu)體類型，使用type關(guān)鍵詞定義(如將其定義為“BeamLoadData”類型)，再申明BeamLoadData類型的動(dòng)態(tài)數(shù)組，即可將整個(gè)工況數(shù)據(jù)存入，并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)用。需要注意的是:梁構(gòu)件的位置信息與其它構(gòu)件不同，圖2顯示的是梁構(gòu)件的情況，如果結(jié)構(gòu)體以單個(gè)工況下各位置的數(shù)據(jù)作為成員(即文本中一行的數(shù)據(jù)作為一個(gè)結(jié)構(gòu)體類型)就需要針對(duì)其它構(gòu)件的數(shù)據(jù)構(gòu)成來定義結(jié)構(gòu)體;如果以構(gòu)件各位置下的工況數(shù)據(jù)作為成員(文本中的一列作為一個(gè)結(jié)構(gòu)體類型)，則不需要針對(duì)不同構(gòu)件定義結(jié)構(gòu)體類型，但建議在結(jié)構(gòu)體中增加一個(gè)字符串成員以標(biāo)示本列數(shù)據(jù)屬于哪個(gè)位置。具體采用何種定義方式，視實(shí)際分析計(jì)算的需要而定。

其它部分的信息及數(shù)據(jù)讀取方式可以參照上文示例，文本信息轉(zhuǎn)換為數(shù)值和可識(shí)別信息后就能被用于計(jì)算、分析。因?qū)?shù)據(jù)的利用方式各有不同，有關(guān)具體計(jì)算過程的編碼就不在此討論。

4 結(jié)果輸出

數(shù)據(jù)在計(jì)算完成后需要將計(jì)算的結(jié)果呈現(xiàn)給使用人員，以便在設(shè)計(jì)工作中參考使用。不同的計(jì)算需求形成的結(jié)果數(shù)據(jù)的形態(tài)各有不同，本文將以二維矩陣為例描述結(jié)果輸出的方式。

以圖3的顯示的結(jié)果數(shù)據(jù)為例，計(jì)算各種系數(shù)組合情況下構(gòu)件各位置的受力的復(fù)合值，行數(shù)據(jù)為分項(xiàng)系數(shù)編號(hào)，列為構(gòu)件位置。Excel VBA的便利性之一就是可以直接將數(shù)據(jù)寫入Excel表格，通過Sheets對(duì)象的Cells方法可以直接對(duì)單元格的內(nèi)容進(jìn)行讀寫，將計(jì)算結(jié)果寫入指定的表格之中。

圖3中單元格右上角的紅色標(biāo)記是單元格注釋，內(nèi)容是數(shù)值的計(jì)算過程。對(duì)于比較復(fù)雜的計(jì)算，如果能將參與計(jì)算的數(shù)值及計(jì)算方式列出，不僅有利于程序調(diào)試，也可以為使用者提供參考。圖4為計(jì)算過程顯示示例。

圖3 計(jì)算結(jié)果顯示Fig.3 Calculation results display

圖4 單元格注釋Fig.4 Cells comment

當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到單元格之上時(shí)注釋文本就會(huì)自動(dòng)顯示。要對(duì)單元格添加注釋可以通過表3中的代碼實(shí)現(xiàn)。

表3 添加注釋代碼Tab.3 Adding comments code

選中要添加注釋的單元格(第2行)，通過ActiveCell對(duì)象的AddComment方法添加注釋文本，通過 ActiveCell．Comment．Shape 對(duì)象的 Height 和Width屬性可以控制注釋顯示框的大小。

5 設(shè)計(jì)及編程建議

良好的設(shè)計(jì)和編碼不僅有利于用戶的使用、調(diào)試和修改也利于未來需求變化時(shí)的增加和改動(dòng)。

5.1 界面設(shè)計(jì)

VBA是事件驅(qū)動(dòng)語言，用戶的操作都是通過對(duì)各種控件(如命令按鈕)或可編程元素(如特定的工作表、單元格)來觸發(fā)的。Excel VBA有3種可利用的界面:①Excel表格;②內(nèi)嵌的Windows窗體;③自定義工具欄。選用何種界面提供給用戶進(jìn)行操作需要根據(jù)具體情況斟酌，上述3種操作界面各有優(yōu)劣。

Excel表格的優(yōu)勢是直觀，可放置各種控件，用戶打開表格即可見，不足之處是直接在表格上放置控件影響界面的美觀性，針對(duì)特定單元格進(jìn)行編程要注意避免用戶無意間修改單元格內(nèi)容。使用Excel表格作為界面時(shí)1個(gè)工作表僅作單一用途，如:數(shù)據(jù)讀取、計(jì)算、結(jié)果顯示分別放置在不同的工作表，一表多用容易讓用戶產(chǎn)生歧義和誤解。僅顯示當(dāng)前操作所需工作表，關(guān)閉暫時(shí)不需要的表格，如初始數(shù)據(jù)讀取時(shí)僅需要顯示當(dāng)前工作表，將中間計(jì)算過程及結(jié)果顯示表格暫時(shí)關(guān)閉，待需要時(shí)再打開。

Windows窗體的優(yōu)勢是符合日常界面的操作習(xí)慣和視覺特征，窗體的控件和數(shù)據(jù)與工作表內(nèi)容相互獨(dú)立。Windows窗體是Excel VBA中一個(gè)強(qiáng)大的工具，將控件放置在窗體，工作表僅用于數(shù)據(jù)顯示是一種常用的設(shè)計(jì)風(fēng)格。不過Excel中的窗體可選控件的數(shù)量有限，而且過多的窗體和過多的工作表一樣，都不利于用戶的使用。

自定義工具欄的直觀性和界面元素最少，可作為窗體的替代，優(yōu)勢是不占用表格顯示空間。由于可編程元素最少，建議用于基本功能的選擇而不是實(shí)際操作。如程序具備分析、計(jì)算兩個(gè)基本功能，可通過自定義工具欄來進(jìn)行選擇。

5.2 數(shù)據(jù)容器

動(dòng)態(tài)數(shù)組是分析計(jì)算程序中最常用的數(shù)據(jù)容器，SATWE構(gòu)件信息中的數(shù)據(jù)大多以二維矩陣形式存放，結(jié)構(gòu)體與動(dòng)態(tài)數(shù)組可以完整還原二維矩陣。Excel VBA還可以把Excel工作表用作數(shù)據(jù)容器，申明一個(gè)臨時(shí)工作表，將數(shù)據(jù)暫存并使用Excel內(nèi)置的功能進(jìn)行預(yù)處理。

5.3 編程風(fēng)格

高內(nèi)聚、低耦合。把需求功能分解后按相互耦合的功能或函數(shù)來設(shè)計(jì)代碼。不要把順序執(zhí)行但不同的功能放在一個(gè)函數(shù)中，如文件名稱的獲取、內(nèi)容的讀取、字符串轉(zhuǎn)為數(shù)字三個(gè)功能可以設(shè)計(jì)為三個(gè)函數(shù)，將文件名、內(nèi)容文本的字符數(shù)組等作為參數(shù)相互傳遞。中間的計(jì)算過程和結(jié)果顯示也風(fēng)格為不同的函數(shù)。高內(nèi)聚、低耦合不僅有利于調(diào)試，也可以較好地應(yīng)對(duì)未來需求變化時(shí)候代碼的改變。

非界面控制代碼單獨(dú)存放。非界面控制類的代碼，應(yīng)該放置到公共代碼文件．bas中，而不是直接寫入工作表或者窗體的事件代碼，當(dāng)界面發(fā)生改變時(shí)不會(huì)影響到界面控制之外的其它功能。

6 結(jié) 語

目前，昆明有色冶金設(shè)計(jì)院股份公司信息中心已經(jīng)參照文章內(nèi)容為公司結(jié)構(gòu)專業(yè)開發(fā)了一個(gè)SATWE構(gòu)件計(jì)算程序并投入使用。Excel VBA雖然是一門較老的語言，但在合理利用其特性的基礎(chǔ)上，也可以在結(jié)構(gòu)專業(yè)構(gòu)件數(shù)據(jù)、信息分析工作中發(fā)揮重要的作用。

［1］欒鈺．淺談SATWE進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題［J］．山西建筑，2006，32(22):100-101．

［2］楊章偉，張婉婉．EXCEL VBA語法辭典［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009．