基于歐洲規(guī)范的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)

鄭愔睿

摘要：

與中國(guó)的GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》相比，BS EN199311： 2005等歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)構(gòu)件的驗(yàn)算過(guò)程要復(fù)雜得多.針對(duì)國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)單位近年來(lái)所承擔(dān)的涉外項(xiàng)目激增的現(xiàn)狀，研發(fā)基于歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的設(shè)計(jì)軟件EuroSD.該軟件應(yīng)用Object ARX技術(shù)對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，相對(duì)于目前國(guó)內(nèi)常用的國(guó)外設(shè)計(jì)軟件，其前處理建模更靈活.EuroSD提供多種內(nèi)力分析方式，實(shí)現(xiàn)歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中的第1～4等級(jí)截面的驗(yàn)算，并能按照有效截面進(jìn)行抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算，最后提供詳細(xì)的構(gòu)件驗(yàn)算計(jì)算書.

關(guān)鍵詞：

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 歐洲規(guī)范； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 截面等級(jí)； 有效截面； Object ARX

中圖分類號(hào)： TU391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0 引 言

20世紀(jì)70年代，歐盟國(guó)家為消除貿(mào)易過(guò)程中的技術(shù)壁壘并且協(xié)調(diào)各成員國(guó)的技術(shù)規(guī)范，歐洲共同體委員會(huì)開(kāi)始編制一套建筑設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范，即歐洲規(guī)范Euro Code，并于20世紀(jì)90年代頒布?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)試行規(guī)范.21世紀(jì)初，歐洲共同體委員會(huì)正式推出歐盟國(guó)家級(jí)標(biāo)準(zhǔn)——?dú)W洲規(guī)范EN.執(zhí)行歐洲標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)家包括英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、意大利、西班牙、瑞士、奧地利、比利時(shí)、丹麥、芬蘭、希臘、冰島、愛(ài)爾蘭、盧森堡、荷蘭、挪威、葡萄牙和瑞典等歐洲各國(guó).[12]

我國(guó)與世界各國(guó)的商業(yè)交往日益密切，涉外工程建設(shè)合作項(xiàng)目呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)很多工程建設(shè)企業(yè)開(kāi)始在世界舞臺(tái)上展現(xiàn)我國(guó)的設(shè)計(jì)能力和施工技術(shù).當(dāng)我國(guó)設(shè)計(jì)人員承擔(dān)歐洲地區(qū)的建設(shè)工程項(xiàng)目時(shí)，不得不應(yīng)用國(guó)外軟件，以符合歐洲規(guī)范的設(shè)計(jì)規(guī)定.國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)人員常用的國(guó)外設(shè)計(jì)軟件包括美國(guó)CSI公司的SAP 2000和Etabs，美國(guó)REI公司的STAAD.Pro，韓國(guó)的Midas等.[3]這幾種軟件均不是歐洲規(guī)范應(yīng)用國(guó)開(kāi)發(fā)的，所以各軟件對(duì)于歐洲標(biāo)準(zhǔn)的理解呈現(xiàn)仁者見(jiàn)仁的現(xiàn)象.另外，這些軟件的研發(fā)核心團(tuán)隊(duì)均在國(guó)外，一旦軟件在使用過(guò)程中出現(xiàn)漏洞，問(wèn)題的反饋渠道少、軟件更新速度慢.因此，開(kāi)發(fā)基于國(guó)外規(guī)范的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件是非常必要和急需的.[4]

1 軟件系統(tǒng)介紹

隨著鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和建筑造型復(fù)雜性的提高，設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)必不可少的工具.國(guó)內(nèi)許多工程師選擇采用3D3S軟件，該軟件直接對(duì)CAD進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，適用于空間鋼結(jié)構(gòu)[57]，但是該軟件至V12.1版本為止仍沒(méi)有實(shí)現(xiàn)基于歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的設(shè)計(jì).針對(duì)目前市場(chǎng)上基于歐洲規(guī)范的設(shè)計(jì)軟件稀缺的現(xiàn)狀，研發(fā)基于歐洲規(guī)范的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件EuroSD.

EuroSD對(duì)AutoCAD平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，是一款三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，其主要功能包括：各種特種鋼結(jié)構(gòu)體系三維建模、內(nèi)力分析、設(shè)計(jì)驗(yàn)算以及驗(yàn)算結(jié)果顯示與查詢.根據(jù)軟件功能需求，將軟件分為4個(gè)系統(tǒng)：前處理系統(tǒng)、內(nèi)力分析系統(tǒng)、設(shè)計(jì)驗(yàn)算系統(tǒng)和后處理系統(tǒng)，4個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向見(jiàn)圖1.

EuroSD的前處理系統(tǒng)和后處理系統(tǒng)應(yīng)用Object ARX技術(shù)，生成若干ARX工程項(xiàng)目.前處理系統(tǒng)提供用戶包括網(wǎng)架、桁架、框架在內(nèi)的多種常用結(jié)構(gòu)快鍵建模功能.EuroSD模型直接在AutoCAD三維平臺(tái)上生成，用戶也可根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要，在AutoCAD界面任意添加、修改或刪除局部模型.后處理系統(tǒng)主要用于展示結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析和設(shè)計(jì)驗(yàn)算結(jié)果，結(jié)構(gòu)展示方式包括結(jié)構(gòu)表格、查詢對(duì)話框以及AutoCAD圖形展示等.

內(nèi)力分析系統(tǒng)和設(shè)計(jì)驗(yàn)算系統(tǒng)采用VC++語(yǔ)言進(jìn)行編程，生成若干動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)項(xiàng)目dll.內(nèi)力分析系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)靜力分析算法、動(dòng)力分析算法、非線性算法等.設(shè)計(jì)驗(yàn)算系統(tǒng)將所有支持的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)按標(biāo)準(zhǔn)之間的相關(guān)性抽象為具有多層繼承派生關(guān)系的規(guī)范類群.內(nèi)力分析系統(tǒng)和設(shè)計(jì)驗(yàn)算系統(tǒng)中的算法均經(jīng)過(guò)封裝，2個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)交互dll，外部可以通過(guò)接口獲取分析及設(shè)計(jì)的結(jié)果，但不能干涉其內(nèi)部算法.

內(nèi)力分析系統(tǒng)和設(shè)計(jì)驗(yàn)算系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)方式可提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性，并增加產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的靈活性，其只需對(duì)接口dll中的數(shù)據(jù)交互接口進(jìn)行重載，即可將這2個(gè)核心系統(tǒng)應(yīng)用到其他平臺(tái)上.

2 設(shè)計(jì)驗(yàn)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

EuroSD軟件的研發(fā)重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)驗(yàn)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和編寫.設(shè)計(jì)驗(yàn)算系統(tǒng)包括3個(gè)主要項(xiàng)目：（1）將用戶數(shù)據(jù)輸入項(xiàng)目ARX中，有若干與鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框會(huì)引導(dǎo)用戶輸入規(guī)范相關(guān)的數(shù)據(jù)；（2）驗(yàn)算核心項(xiàng)目dll，主要完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算；（3）數(shù)據(jù)交互項(xiàng)目dll，對(duì)驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，并提供后處理獲取數(shù)據(jù)的接口.

2.2 驗(yàn)算核心項(xiàng)目介紹

驗(yàn)算核心項(xiàng)目中包含3個(gè)主要類和4個(gè)類體系，其關(guān)系見(jiàn)圖2.

為增加系統(tǒng)的后期可擴(kuò)展性，對(duì)構(gòu)件類體系、規(guī)范類體系、截面類體系和材料類體系根據(jù)規(guī)范分類設(shè)計(jì)相同的繼承關(guān)系，見(jiàn)圖3.

通過(guò)繼承關(guān)系，構(gòu)件驗(yàn)算核心編碼可靈活添加不同國(guó)家、不同結(jié)構(gòu)類型、不同材料類型的規(guī)范代碼.通過(guò)分析規(guī)范條文之間的異同，對(duì)基類進(jìn)行抽象；通過(guò)重載子類驗(yàn)算函數(shù)，實(shí)現(xiàn)各規(guī)范的設(shè)計(jì)驗(yàn)算功能.每個(gè)類體系的作用如下.

（1）模型類：組合節(jié)點(diǎn)類CNode，構(gòu)件類CUnit，材料類CMat和規(guī)范類CCode的鏈表，存儲(chǔ)整個(gè)結(jié)構(gòu)的信息.

（2）載荷類：存儲(chǔ)載荷信息、載荷組合信息和載荷效應(yīng)信息（反力、內(nèi)力、位移、撓度等）.

（3）材料類：記錄鋼材牌號(hào)、設(shè)計(jì)強(qiáng)度和彈性模量等材料信息.

（4）節(jié)點(diǎn)類：記錄節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、支座情況等信息.

（5）構(gòu)件類體系：存儲(chǔ)2部分信息.一部分是構(gòu)件的輸入信息，包括幾何信息和設(shè)計(jì)信息，比如節(jié)點(diǎn)編號(hào)、端部約束釋放、構(gòu)件材料對(duì)象指針、構(gòu)件設(shè)計(jì)采用的規(guī)范列表的序號(hào)以及相應(yīng)規(guī)范的各種設(shè)計(jì)參數(shù)等；另一部分是當(dāng)前驗(yàn)算組合的驗(yàn)算結(jié)果.

（6）截面類體系：存儲(chǔ)截面的幾何信息以及設(shè)計(jì)驗(yàn)算需要用到的截面設(shè)計(jì)參數(shù)，比如截面面積、截面慣性矩等.

（7）規(guī)范類體系：規(guī)范類中的數(shù)據(jù)均為臨時(shí)存儲(chǔ).主調(diào)程序會(huì)將當(dāng)前組合和需要驗(yàn)算的構(gòu)件傳入規(guī)范類中，并對(duì)規(guī)范類對(duì)象進(jìn)行初始化操作.規(guī)范類主要實(shí)現(xiàn)根據(jù)規(guī)范條文對(duì)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算的功能，最后將驗(yàn)算結(jié)果返回到構(gòu)件類中.

3 歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的實(shí)現(xiàn)

與中國(guó)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》相比，歐洲規(guī)范在對(duì)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算時(shí)有諸多不同之處.

GB 50017—2003的驗(yàn)算項(xiàng)目包括：（1）對(duì)所有構(gòu)件按凈截面驗(yàn)算強(qiáng)度；（2）對(duì)所有構(gòu)件按毛截面驗(yàn)算抗剪強(qiáng)度；（3）對(duì)軸壓、壓彎、拉彎構(gòu)件按毛截面驗(yàn)算穩(wěn)定；（4）對(duì)截面中的受壓板件控制寬厚比.

歐洲規(guī)范的驗(yàn)算項(xiàng)目包括：（1）對(duì)軸拉構(gòu)件驗(yàn)算凈截面抗拉強(qiáng)度和毛截面極限抗拉強(qiáng)度；（2）對(duì)于軸壓、壓彎、拉彎構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定驗(yàn)算，根據(jù)受壓板件的寬厚比，將截面分為4級(jí)，并對(duì)應(yīng)不同的驗(yàn)算公式（第1和2級(jí)截面采用截面的塑性特性驗(yàn)算強(qiáng)度和穩(wěn)定，第3級(jí)截面采用截面的彈性特性驗(yàn)算強(qiáng)度和穩(wěn)定，第4級(jí)截面采用截面的有效截面特性驗(yàn)算強(qiáng)度和穩(wěn)定）；（3）對(duì)于受剪、壓彎、拉彎構(gòu)件進(jìn)行抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算，根據(jù)腹板的寬厚比分別采用毛截面特性驗(yàn)算或有效截面驗(yàn)算.[810]

綜上所屬，GB 50017—2003的驗(yàn)算公式統(tǒng)一，而歐洲規(guī)范的驗(yàn)算公式根據(jù)不同的截面等級(jí)采用不同的驗(yàn)算公式.

根據(jù)歐洲規(guī)范的設(shè)計(jì)要求，EuroSD的構(gòu)件設(shè)計(jì)分為5個(gè)主要部分：（1）截面等級(jí)判斷；（2）有效截面特性計(jì)算；（3）截面強(qiáng)度驗(yàn)算；（4）截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算；（5）構(gòu)件穩(wěn)定驗(yàn)算.其中，截面等級(jí)的判斷和有效截面特性的計(jì)算是最復(fù)雜的部分，而構(gòu)件強(qiáng)度、穩(wěn)定的驗(yàn)算只需按照BS EN 199311：2005，BS EN 199315：2006和BS EN 199316：2007的相關(guān)公式逐一實(shí)現(xiàn)即可，在此不作贅述.歐洲規(guī)范的構(gòu)件驗(yàn)算涉及到3本規(guī)范，具體見(jiàn)表1.

3.1 截面等級(jí)判斷

截面等級(jí)判斷是歐洲規(guī)范的核心，其作用主要有3個(gè)：（1）BS EN 19931：2005的第5.6節(jié)指出只有結(jié)構(gòu)中擁有第1級(jí)截面的構(gòu)件可以在進(jìn)行塑性整體分析時(shí)考慮塑性鉸的出現(xiàn)；（2）截面等級(jí)判斷完成才能選用適當(dāng)?shù)墓綄?duì)構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算；（3）因?yàn)榈?級(jí)截面直接采用有效截面進(jìn)行構(gòu)件驗(yàn)算，故BS EN 1993不再控制截面中板件的寬厚比.

為確定截面等級(jí)，程序首先將計(jì)算截面的塑性應(yīng)力分布和彈性應(yīng)力分布情況[8]；接著將截面拆分為若干板件，并根據(jù)BS EN 199311：2005表5.2依次判斷板件的等級(jí)；最后根據(jù)BS EN 199311：2005第5.5.2條確定截面分類，判斷原則為截面等級(jí)取所有受壓板件的最高等級(jí).BS EN 199311：2005第5.5.2條第（9）～（11）款還給出判定等級(jí)的例外情況，這些例外情況在軟件中全部實(shí)現(xiàn).

3.2 有效截面特性計(jì)算

有效截面特性計(jì)算的內(nèi)容包括：（1）截面的有效面積；（2）截面的有效慣性矩；（3）截面新的形心以及相對(duì)原形心的偏心；（4）由軸力引起的板件局部失效所產(chǎn)生的附加彎矩.每個(gè)截面特性對(duì)應(yīng)的內(nèi)力不同，見(jiàn)表2.需要說(shuō)明的是：在計(jì)算有效截面時(shí)只需要計(jì)算第4等級(jí)截面中的第4等級(jí)板件的有效寬度.

4 軟件應(yīng)用

EuroSD的快捷建模方式非常多，全部實(shí)現(xiàn)可視化和參數(shù)化建模方式，以網(wǎng)架為例，建模對(duì)話框見(jiàn)圖4.

建模完成后，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行截面、鋼材等級(jí)、荷載、支座等設(shè)計(jì)信息進(jìn)行設(shè)置，即可進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析.內(nèi)力分析結(jié)果的查看方式也包括對(duì)話框方式和圖形展示方式，見(jiàn)圖5.

根據(jù)歐洲規(guī)范的設(shè)計(jì)需要，EuroSD提供大量可修改的規(guī)范參數(shù)，見(jiàn)圖6.

驗(yàn)算完成后，EuroSD提供結(jié)果查詢對(duì)話框和構(gòu)件驗(yàn)算計(jì)算書2種構(gòu)件驗(yàn)算查詢方式，分別見(jiàn)圖7和8.

通過(guò)結(jié)果查詢對(duì)話框，用戶可以對(duì)構(gòu)件各項(xiàng)驗(yàn)算項(xiàng)的結(jié)果一目了然，并可查得哪些組合起到設(shè)計(jì)控制作用.若計(jì)算過(guò)程中對(duì)內(nèi)力進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，此處顯示的設(shè)計(jì)內(nèi)力為經(jīng)過(guò)調(diào)整后的值.完整的構(gòu)

件驗(yàn)算計(jì)算書中詳細(xì)列出結(jié)構(gòu)的計(jì)算條件，主要驗(yàn)算項(xiàng)給出具體的計(jì)算公式和主要的計(jì)算參數(shù)，讓用戶清晰了解軟件的計(jì)算過(guò)程.

5 結(jié) 論

介紹基于歐洲規(guī)范研發(fā)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件EuroSD，其在建模方面采用Object ARX技術(shù)在AutoCAD界面進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)直接在三維狀態(tài)下的可視化建模，可適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì).軟件提供豐富的快捷建模方式，實(shí)現(xiàn)常用結(jié)構(gòu)形式的參數(shù)化建模.

與國(guó)內(nèi)市場(chǎng)常用的其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件相比，EuroSD嚴(yán)格按照歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范BS EN 199311：2005，BS EN 199315：2006和BS EN 199316：2007

進(jìn)行構(gòu)件驗(yàn)算，并且提供詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算書，可提高設(shè)計(jì)效率.

EuroSD的驗(yàn)算核心工程采用dll項(xiàng)目，其接口

的設(shè)計(jì)與軟件平臺(tái)的耦合度低，可方便遷移到其他平臺(tái).EuroSD設(shè)計(jì)的類體系根據(jù)規(guī)范分類設(shè)計(jì)類的繼承關(guān)系，不僅適用于歐洲規(guī)范，也可以拓展補(bǔ)充其他國(guó)家的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，甚至是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.所以，EuroSD的驗(yàn)算核心代碼擁有高度的可擴(kuò)展性和應(yīng)用靈活性.

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（編輯 武曉英）