AutoCAD二次開發(fā)在Midas/civil建模中的應(yīng)用研究

馬兆銳，秦道標(biāo),，朱陳怡，崔 一，黃正榮

（1.蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州215011；2.蘇州市交通設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，江蘇 蘇州 215000；3.蘇州慧展工程咨詢有限公司，江蘇 蘇州 215011）

AutoCAD二次開發(fā)在Midas/civil建模中的應(yīng)用研究

馬兆銳1，秦道標(biāo)1,2，朱陳怡1，崔 一3，黃正榮2

（1.蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州215011；2.蘇州市交通設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，江蘇 蘇州 215000；3.蘇州慧展工程咨詢有限公司，江蘇 蘇州 215011）

為解決Midas/civil傳統(tǒng)建模方法的繁瑣、耗時問題，以VisualLISP及OpenDCL為開發(fā)工具，通過Auto-CAD2010進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)便捷化輔助建模。首先，將人工單元劃分轉(zhuǎn)化為自動識別劃分單元，通過輔助程序改進(jìn)鋼束形狀生成器的功能，對鋼束信息的讀取與輸出方法進(jìn)行優(yōu)化；其次，結(jié)合OpenDCL界面交互設(shè)計，進(jìn)行批量截面特性計算、拓展荷載自動施加等功能；最后，以工程實例對程序進(jìn)行驗證。結(jié)果表明，程序可實現(xiàn)快速化建立Midas/civil箱梁計算模型，明顯縮短建模周期，具有使用簡單、高效建模、分析準(zhǔn)確的優(yōu)點。

二次開發(fā)；快速化；箱梁；模型

在公路橋梁設(shè)計中，箱梁因具有良好的力學(xué)性能，如抗彎剛度大、抗扭能力強等優(yōu)勢[1-3]，被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于橋梁上部結(jié)構(gòu)。但因某些地理環(huán)境因素影響，箱梁通用圖不適用于所有跨徑橋梁，每一聯(lián)橋梁結(jié)構(gòu)都需結(jié)構(gòu)計算。目前針對這種情況，設(shè)計人員主要是參考標(biāo)準(zhǔn)圖紙，然后采用手動建模計算。如圖1所示，Midas/civil提供的鋼束形狀生成器插件，需逐根鋼束處理，具有操作性復(fù)雜、易錯的缺點，且不能自動地劃分單元，也不能批量計算截面特性和添加邊界條件，故耗時費力。使用傳統(tǒng)方法設(shè)計人員勞動強度大，生產(chǎn)效率低下，其建模效率低下問題在時間緊、任務(wù)重情況下，常影響后續(xù)工作進(jìn)度，直接降低了企業(yè)生產(chǎn)效率。

現(xiàn)今，AutoCAD二次開發(fā)技術(shù)廣泛應(yīng)用于機械、房建設(shè)計等領(lǐng)域[4-6]，但將其應(yīng)用在輔助箱梁建立計算模型上卻極少。因此，針對箱梁橋以VisualLISP及OpenDCL為開發(fā)工具，基于AutoCAD2010進(jìn)行程序二次開發(fā)，在已有參考圖紙基礎(chǔ)之上，開發(fā)了輔助箱梁快速化建立Midas/civil箱梁計算模型的程序。對比于鋼束形狀生成器，程序可實現(xiàn)一次性框選鋼束生成所有鋼束信息，無需逐根處理鋼束，優(yōu)化了鋼束導(dǎo)入及鋼束坐標(biāo)修改的繁瑣易錯問題處理方法；拓展了自動單元劃分、荷載施加等功能，減少了重復(fù)性工作量，縮短建模周期，有效提高了工作效率。程序使用簡單、可靠，經(jīng)工程實踐表明具有較好的可行性與實用性。

圖1 Midas/civi鋼束形狀生成器

1 AutoCAD二次開發(fā)工具

1.1 Vlisp語言

VisualLISP簡稱Vlisp，是用于AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)的專用編程語言[7]。基本語法（SETQ A B），即將B賦值給A，SETQ為程序識別標(biāo)志，語法簡單，沒有C++、.NET的復(fù)雜算法及架構(gòu)。Vlisp程序占用內(nèi)存小，可調(diào)用AutoCAD所有菜單欄命令以編輯圖元對象，功能強大。所以，采用Vlisp作為AutoCAD編程語言工具。

1.2 OpenDCL

OpenDCL是開發(fā)人員為Lisp程序設(shè)計量身定制的第三方開源工具[8]。采用OpenDCL進(jìn)行對話框設(shè)計，可用鼠標(biāo)實時拖動菜單設(shè)計，具有良好可視化操作界面；另外，OpenDCL擁有齊全的控件與內(nèi)部函數(shù)。所以選用OpenDCL制作界面交互對話框窗體。

2 快速化箱梁計算模型生成關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)方法

如圖2所示，程序主要包含界面交互可視化設(shè)計與Vlisp程序設(shè)計兩個模塊。模塊一作為程序運行基礎(chǔ)，用戶設(shè)定總體數(shù)據(jù)包括節(jié)段劃分、荷載、跨徑布置、材料信息以及數(shù)據(jù)庫信息添加，如圖3所示。模塊二，數(shù)據(jù)在程序內(nèi)部計算處理，將用戶指定數(shù)據(jù)通過OpenDCL傳遞給程序，執(zhí)行數(shù)據(jù)診斷、截面數(shù)據(jù)處理、節(jié)點單元劃分、邊界約束、二期恒載、鋼束處理、其他荷載施加等步驟，經(jīng)過Vlisp程序運行輸出mct數(shù)據(jù)文件，導(dǎo)入Midas/civil即可計算分析。

圖2 實現(xiàn)方法

圖3 總體信息

2.1 截面特性計算

確定主梁跨中及端部關(guān)鍵截面形式，然后在AutoCAD中一次性框選所有橫截面，程序會自動將所選橫截面置于新建圖層A1。以箱梁跨中橫斷面為例論述其計算原理，如圖4所示。以A1圖層的顏色屬性為控制因素，將截面外輪廓指定為紅色，內(nèi)部箱室顏色指定為綠色，遍歷每條線段起始點坐標(biāo)，設(shè)定0.001 mm的長度誤差范圍，不滿足則程序提示報錯，以備修改。

程序計算原理：第一步，在選擇集中選取A1圖層跨中截面，程序判斷截面內(nèi)外輪廓是否閉合且通過A1圖層顏色屬性正確區(qū)分內(nèi)外輪廓組合，將重新繪制內(nèi)外輪廓多義線，讀取圖元坐標(biāo)信息；第二步，將內(nèi)部兩個閉合線框作面域處理與外輪廓線框進(jìn)行布爾運算，即可通過Vlisp自定義函數(shù)計算出面積As、慣性矩I等參數(shù)。第三步，通過Vlisp輸出函數(shù)，導(dǎo)出符合Midas數(shù)據(jù)格式要的截面特性數(shù)據(jù)，刪除A1圖層所有圖元，恢復(fù)原圖。第四步，枚舉選擇集中下一個截面，重復(fù)執(zhí)行以上三個步驟。

最終將截面特性數(shù)值顯示在OpenDCL對話框，如圖5所示，截面特性界面，區(qū)域1為截面編號，區(qū)域2為基本屬性：梁高、梁寬、頂?shù)装搴穸鹊?，區(qū)域3為所需計算屬性，如As、Iy、質(zhì)心位置等midas.mct文件所需數(shù)據(jù)信息。最后，將截面信息輸出到midas.mct文件，至此，批量計算截面特性執(zhí)行完畢。

2.2 單元劃分

箱梁模型單元劃分原則：（1）支座橫梁縱向設(shè)定為2個單元，以支座中心線為分割線；（2）等截面區(qū)域為一號結(jié)構(gòu)組，如區(qū)間1、區(qū)間3、區(qū)間5、區(qū)間7；支點至跨中截面為二號結(jié)構(gòu)組，如區(qū)間2、區(qū)間6；跨中至支點截面為三號結(jié)構(gòu)組，如區(qū)間4；（3）單元長度劃分以1 m為基本單位，頂?shù)装寮雍穸伍L度不為整數(shù)時，將小數(shù)部分長度作為一個單元，添加至對應(yīng)整數(shù)結(jié)構(gòu)組中；（4）相鄰節(jié)點組成一個單元。

在關(guān)鍵截面變化處設(shè)置豎向分割線i號截面，將分割線置于新建圖層B1（圖6）。依據(jù)分割線進(jìn)行節(jié)段劃分，自動讀取圖紙單元劃分大小，或自定義節(jié)段長度，材料信息不指定則默認(rèn)數(shù)據(jù)庫材料（見圖3）。

圖4 跨中橫斷面

圖5 截面特性計算

主梁自動編號遵循“從左至右”原則。如圖6所示，1號截面對應(yīng)節(jié)點號記為N1，支座截面（截面2）節(jié)點記為N2，3號截面對應(yīng)節(jié)點號為N3，即區(qū)間1共有單元數(shù)n1=2，4個橫梁共需要單元數(shù)4n1。在區(qū)間2處，當(dāng)區(qū)間長度X2不為整數(shù)時取整[X2]，則共有單元個數(shù)n2=[X2]+1，反之單元個數(shù)n2=[X2]。以此類推，主梁單元總個數(shù)為n=4n1+2(n2+n3+n4+n6+n7)。將主梁節(jié)點依次編號集合為：K={N1,N2… Nn+1}，4個支座節(jié)點從左到右依次編號為100～103，通過讀取截面號分割線圖元信息提取出主梁各節(jié)點縱向坐標(biāo)：M={x1,x2… xn+1}，提取出xi與支座節(jié)點縱坐標(biāo)相同的4個節(jié)點a、b、c、d，依次與支座節(jié)點建立4個支座單元，則單元劃分總數(shù)n+4個。

最終，節(jié)點、單元信息通過Vlisp輸出函數(shù)依據(jù)mct文件格式自動生成節(jié)點、單元數(shù)據(jù)信息，即可完成節(jié)點單元模型建立。

圖6 單元劃分

2.3 鋼束信息處理

鋼束數(shù)據(jù)讀取分為：平彎與豎彎；平彎與豎彎對應(yīng)，因不影響結(jié)構(gòu)計算，簡化鋼束平彎線型為直線，其坐標(biāo)記為 Wi={Wi1，Wi2}={(wix1，wiy1)，(wix2，wiy2)}。 如圖7所示，將鋼束分三類：通長束（F1、F2）、邊束（F3、B1、T1）、中束（F4、B2、T2）。鋼束平彎與豎彎對應(yīng)原則：每讀取一根豎彎鋼束，遍歷所有平彎鋼束，比較平彎與豎彎兩個圖元起始點坐標(biāo)y值是否相同，給出0.000 1 mm的誤差，相同則將平彎線型與豎彎信息置于同一個點表。鋼束特性值程序里設(shè)默認(rèn)值，可在Vlisp程序或于模型中調(diào)整。

圖7 鋼束立面

建立參考點p0，鋼束導(dǎo)線點排序遵循“從左至右”原則。鋼束區(qū)分原則：T1、B2雖不屬于同一種鋼束，但導(dǎo)線點個數(shù)相同，處理方法一致，所以將其歸為一類。通過Vlisp自定義函數(shù)依據(jù)導(dǎo)線點個數(shù)進(jìn)行鋼束分類，將鋼束分為4節(jié)點、6節(jié)點、8節(jié)點、12節(jié)點四類，如圖8所示。以最復(fù)雜的12節(jié)點鋼束數(shù)據(jù)處理為例，具體論述通過Vlisp實現(xiàn)鋼束信息提取、重組及輸出的原理，其余4節(jié)點、6節(jié)點、8節(jié)點類型鋼束原理相同，較為簡單，不再贅述。

圖8 鋼束導(dǎo)線點

如圖8（d）所示，箱梁立面圖左下角為鋼束參考點p0，單根12節(jié)點鋼束導(dǎo)線點從左至右編號為p1-p12。p2-p11號導(dǎo)線點位于圓弧鋼束切線交點處，p1、p12號導(dǎo)線點分別位于p2、p11號導(dǎo)線點與圓弧的切線延長線上，將該豎彎鋼束線型記為編號0，通過Vlisp自定義頂點坐標(biāo)獲取函數(shù)，可以獲得各鋼束導(dǎo)線點坐標(biāo)，記為S0={S1…S12}={(Dx1，Dy1)…(Dx12，Dy12)}。搜索鋼束圖元后提取鋼束各導(dǎo)線點處彎曲半徑，并將其組成點表R0={R1…R12}，將 R0點表元素與鋼束導(dǎo)線點坐標(biāo)一一對應(yīng)，構(gòu)造新點表P0={P1…P12}={(S1，R1)…(S12，R12)}。 鋼束信息通常情況是一組豎彎數(shù)據(jù)對應(yīng)多組平彎數(shù)據(jù)，即將每個豎彎數(shù)據(jù)與一組平彎數(shù)據(jù)組為一個點表G={G1…Gi}={(P0，W1)…(P0，Wi)}，至此12節(jié)點鋼束分類完成。重復(fù)以上步驟，各鋼束豎彎線型信息與對應(yīng)平彎鋼束線型信息即可正確組合在一起。

對編號0的鋼束進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，依次輸出鋼束豎彎信息、平彎信息，生成mct格式數(shù)據(jù)，即可導(dǎo)入模型建立鋼束。至此，僅需一次性框選所有鋼束線型，作選擇集圖元循環(huán)處理，程序即自動輸出所有mct鋼束信息，舍棄逐根鋼束信息處理辦法，避免重復(fù)操作，提高鋼束建模效率。

2.4 荷載信息布置

通過寫入文件函數(shù)，在自重荷載信息輸出中，將Z值賦值為-1即可。程序內(nèi)部荷載設(shè)定、鋪裝及欄桿荷載值皆取值于圖3交互界面輸入值，以分布荷載形式施加在所有主梁單元。預(yù)應(yīng)力荷載張拉，邊束統(tǒng)一張拉右側(cè)，通長束、中束為兩段張拉。其余荷載依據(jù)規(guī)范要求，給予固定值，視實際情況可修正。

2.5 邊界條件設(shè)定

支座模擬采用單支座布置，遵循“從左至右”、“自由變形”原則。程序在內(nèi)部設(shè)定左中支點節(jié)點設(shè)固定支座，其余設(shè)滑動支座，a、b、c、d 為支座正上方節(jié)點號，對應(yīng)主梁第 2、（n1+n2+n3+n4+2）、（n1+…+n5+2n6+2n7+1）、（n-1）個節(jié)點，分別與100～103節(jié)點形成彈性（剛性）約束，完成邊界條件約束設(shè)定，如圖9所示。

圖9 支座布置

2.6 施工階段控制

施工階段程序涉及荷載激活與鈍化以及單元、邊界約束的激活順序。施工階段劃分三個階段：施工、成橋、收縮徐變。第一個階段中激活所有單元節(jié)點、邊界條件及預(yù)應(yīng)力荷載；第二階段激活二期恒載；第三階段，階段時間為10 y，其余荷載、單元及支座約束與前階段相同。

3 應(yīng)用實例

以蘇州中環(huán)園區(qū)段某聯(lián)連續(xù)梁橋?qū)嶋H工程項目為應(yīng)用實例背景，以驗證上述程序便捷性、可行性及實用性。參考箱梁圖紙基本信息：跨徑為3 m×28 m連續(xù)箱梁，主要技術(shù)指標(biāo)：等截面梁高2 m，寬16 m，頂板倒角20 cm×60 cm，底板倒角 20 cm×20 cm，腹板厚 50 cm，頂板厚 22 cm，底板厚 25 cm，如圖10（a）；荷載等級：公路Ⅰ級；直腹板布置，C50混凝土，鋼束為抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值1 860 MPa鋼絞線，現(xiàn)澆一次落架施工。

園區(qū)段某聯(lián)三跨連續(xù)梁橋項目跨徑設(shè)計為3 m×32 m，構(gòu)造措施依據(jù)全線項目總體設(shè)計原則，維持不變。依據(jù)參考橋梁圖紙信息，根據(jù)本項目跨徑可在圖5區(qū)域1內(nèi)修改箱梁截面尺寸，跨中及支座截面見圖10所示，設(shè)計人員在AutoCAD圖紙上，簡單地拉伸及調(diào)整鋼束彎曲角度，然后執(zhí)行本程序即可導(dǎo)入midas/civil進(jìn)行計算分析，如圖11所示。

圖10 截面信息

圖11 截面（含鋼束）

依次完成設(shè)定總體信息、框選鋼束、框選截面三個步驟操作，程序執(zhí)行結(jié)束運行成功，導(dǎo)入Midas/civil即可執(zhí)行結(jié)構(gòu)計算分析。該種方法舍棄了逐根鋼束、截面選擇處理方法，而采用批量處理鋼束、批量計算截面信息的設(shè)計思想。其次，在AutoCAD中進(jìn)行鋼束線型修改對于一線設(shè)計人員比較熟悉，其操作簡單、不易出錯，相對過去建模方法，很大程度上提高了生產(chǎn)效率。

如圖12所示，查看目前規(guī)范橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考查的技術(shù)指標(biāo)：主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力、頂板正應(yīng)力、底板正應(yīng)力，計算結(jié)果分別為 0.7 、10.8、-3.4、-2.3 MPa。

圖12 主應(yīng)力及正應(yīng)力

主應(yīng)力及正應(yīng)力指標(biāo)均符合程序設(shè)計預(yù)期效果及滿足規(guī)范要求，驗證了程序的可行性，具有很好的實用性，在實際工程中也得到了很好的驗證。針對以上三跨連續(xù)梁模型，采用程序輔助建模與手動建模兩種方法建立模型相比較，對比發(fā)現(xiàn)時間花費減少了2/3、計算結(jié)果相同、操作便捷及效率大為提升，即程序輔助建模相比以往單一建模手段更加快速、實用，有效地提高了工作效率。

4 結(jié)論

以VisualLISP及OpenDCL為開發(fā)工具，研究了AutoCAD2010二次開發(fā)輔助建模方法在Midas/civil建模中的應(yīng)用，采用了將建模步驟歸一化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計思想，相比以往建模方法得出以下結(jié)論：

（1）外部程序輔助建模方法，明顯縮短建模周期，模型計算分析結(jié)果相同，表明該方法具有可行性和有效性，為以后Midas/civil建模提供一個新的途徑。（2）通過對箱梁進(jìn)行鋼束批量處理、批量計算截面特性，解決了鋼束坐標(biāo)導(dǎo)入及調(diào)整容易出錯，以及截面導(dǎo)入困難的問題。減少了單元劃分、荷載施加的工作量，實現(xiàn)箱梁快速化建模分析，提升了midas建模效率。（3）該程序目前針對常規(guī)等高連續(xù)梁直橋具有很好的適用性，對其它橋型還需進(jìn)一步應(yīng)用研究。

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Application of AutoCAD redevelopment in Midas/civil modeling

MA Zhaorui1,QIN Daobiao1,2,ZHU Chenyi,CUI Yi3,HUANG Zhengrong2
（1.School of Civil Engineering,SUST,Suzhou 215011,China;2.Suzhou Communication Design Co.Ltd.,Suzhou 215011,China;3.Suzhou Huizhan Engineering Consulting Ltd.,Suzhou 215011,China）

To solve the problem of complexity,error-proneness and consumption of time in the traditional Midas/civil manual modeling,the auxiliary modeling was facilitated with VisualLISP and OpenDCL as the development tools and the redevelopment of AutoCAD2010.Firstly,the artificial unit division is changed into an automatic recognition unit division.The function of the steel beam shape generator is improved by auxiliary program,then the auxiliary program is optimized for the reading and output method of the steel beam information.Secondly,by combining with the OpenDCL interface interaction design,the batch calculation of section characteristic,the expanded load automatic application and other functions are performed.Finally,the program is validated by engineering examples,the results show that the program can establish the rapid establishment of Midas/civil box girder calculation model,which obviously shortens the modeling period and has the advantages of simple and efficient modeling and accurate analysis.

redevelopment;rapidity;box girder;model

秦中悅）

U443

A

2096-3270（2017）04-0020-05

2017－04-17

馬兆銳（1990-），男，江蘇灌云人，碩士研究生。

秦道標(biāo)（1969-），男，高級工程師，從事橋梁結(jié)構(gòu)、公路市政工程的設(shè)計與應(yīng)用研究，Email：Qdb@yeah.net。