軟件二次開發(fā)在鋼結(jié)構(gòu)工程施工驗算中的應(yīng)用

汪義正 馮 鋒 潘斯勇 隋炳強(qiáng)

中冶（上海）鋼結(jié)構(gòu)科技有限公司 上海 201908

鋼結(jié)構(gòu)工程項目的施工過程中存在大量的吊裝、胎架支撐、汽車吊走樓板等施工過程驗算，計算過程復(fù)雜，并且根據(jù)項目施工方案的調(diào)整或變動需要反復(fù)驗算，消耗大量時間。為了提高施工過程分析驗算的計算效率，結(jié)合Excel VBA及相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計一套針對施工驗算的計算工具。通過和傳統(tǒng)手動建模計算分析相比，程序的驗算速度明顯加快，工作效率明顯提升，為項目施工降低了時間成本，將煩瑣的計算過程程序化、自動化。

1 項目施工驗算

1.1 施工驗算的類型

不同的工程項目，施工方案也會有所不同，對應(yīng)的施工驗算也不盡相同。目前，工程中常常涉及的施工驗算包括吊裝驗算、胎架設(shè)計驗算、胎架卸載驗算、混凝土樓板走吊車驗算、滑移驗算、提升驗算、施工全過程分析等（圖1）。

圖1 施工驗算類型示意

1.2 施工驗算重、難點

1.2.1 軟件功能強(qiáng)大，但是前期數(shù)據(jù)處理煩瑣

雖然現(xiàn)在各大類有限元分析軟件功能強(qiáng)大，例如Midas、SAP、PKPM、盈建科等，但是結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)項目現(xiàn)場施工情況，在進(jìn)行軟件分析驗算前期，大量的最不利工況分析、最不利荷載取值等數(shù)據(jù)需要提前準(zhǔn)備，并隨施工方案的調(diào)整變動，導(dǎo)致各項數(shù)據(jù)均會產(chǎn)生較大變動，如果利用傳統(tǒng)手算法，則工作量巨大，工作效率也會大大降低。

1.2.2 胎架風(fēng)荷載計算

現(xiàn)場施工胎架作為項目施工的主要臨時措施，胎架的設(shè)計對安全起著決定作用，影響胎架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的因素主要為上部支撐荷載和風(fēng)荷載兩部分，上部支撐荷載由項目施工方案決定，而軟件模擬分析過程中風(fēng)荷載的加載則需要通過手動計算出每個節(jié)點的荷載的方式分別加載。計算過程復(fù)雜，可變因素較多。

1.2.3 汽車吊、履帶吊支反力計算

在鋼結(jié)構(gòu)項目吊裝施工作業(yè)中，根據(jù)吊裝構(gòu)件的大小及吊裝高度，需要汽車吊或履帶吊兩種吊車在底層混凝土樓面對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行吊裝。為了確保吊車對下部結(jié)構(gòu)不造成破壞，需要根據(jù)施工工況提取吊車支腿反力[1]或?qū)β膸У跣凶叻治鯷2]，驗算下部混凝土結(jié)構(gòu)的承載力是否滿足要求。

1.2.4 混凝土樓板承載力驗算

提取吊車最不利荷載工況后，在軟件中加載分析計算，得到樓層梁板的最不利內(nèi)力和變形，根據(jù)圖紙配筋計算出樓層梁板設(shè)計強(qiáng)度，通過兩者的對比判定混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否滿足要求。

其中，樓層梁板的內(nèi)力在軟件中分析計算，計算過程自動化；樓層梁板的設(shè)計強(qiáng)度則需要根據(jù)結(jié)構(gòu)圖配筋圖反算，計算過程復(fù)雜，效率緩慢。

1.3 實際工程中施工驗算的現(xiàn)狀

目前在鋼結(jié)構(gòu)施工領(lǐng)域，現(xiàn)場施工驗算分析在算法上相對成熟，針對不同的施工工況、現(xiàn)場條件，都已經(jīng)形成一套成熟的計算方法，但是由于計算過程考慮因素過多，現(xiàn)場施工方案不確定性大，往往導(dǎo)致某一個因素的變化或者施工方案的調(diào)整，就需要對施工過程重新驗算分析，消耗大量的時間和精力，計算分析過程的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上現(xiàn)場施工方案變動的速度，導(dǎo)致項目施工的時間成本和人力成本增加。

2 輔助插件的開發(fā)

基于鋼結(jié)構(gòu)項目施工過程分析驗算過于煩瑣的問題，利用VB語言開發(fā)出一個輔助計算插件，將大大提升施工過程計算的效率，同時提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為項目施工的順利進(jìn)行提供前期保障。

2.1 開發(fā)語言

VB是Visual Basic的簡寫，是可視化的編程語言，是一種簡單、高效地開發(fā)應(yīng)用軟件的工具，可用于開發(fā)Windows環(huán)境下的各類應(yīng)用程序。

Microsoft Excel軟件是微軟公司Office套件的成員，不僅具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計算和分析功能，也為用戶提供了完善的二次開發(fā)功能，利用Excel軟件的內(nèi)嵌VBA（Visual Basic Application）和VBA的編程功能可以大大擴(kuò)展Excel的應(yīng)用領(lǐng)域[3]。本次插件的開發(fā)就是以VB語言為基礎(chǔ)，在Excel VBA功能的基礎(chǔ)上開發(fā)而成。

目前全球玉米供需平衡已經(jīng)趨緊，美國玉米價格與去年的水平一致。盡管今年玉米產(chǎn)量創(chuàng)下歷史新高，但美國玉米庫存與使用量之比仍為2013年以來最低。在過去的三年中，中國玉米的庫存下降近50%，低于10年以來的平均水平。由于美國與中國的貿(mào)易爭端，大豆價格受到產(chǎn)量和持續(xù)不確定性的壓力。

2.2 開發(fā)流程

輔助插件的開發(fā)主要利用Microsoft Excel軟件表格功能和內(nèi)嵌的VBA模塊，實現(xiàn)過程大致如下：

1）將施工驗算需要用到的規(guī)范中的各項數(shù)據(jù)集成在指定的表格中。

2）設(shè)計獨立的窗體界面并在界面中設(shè)計需要實現(xiàn)計算功能的按鈕。

3）分別將不同驗算內(nèi)容的算法，寫進(jìn)相應(yīng)的功能按鈕之中。

4）通過和用戶交互獲取計算參數(shù)，程序根據(jù)用戶輸入和算法自動計算。

5）通過窗口界面將計算結(jié)果反饋給用戶。

2.3 插件界面設(shè)計

為方便用戶使用，插件采用獨立窗體式設(shè)計，插件首頁分別對應(yīng)4個計算功能按鈕，分別為胎架節(jié)點風(fēng)荷載，履帶吊作業(yè)反力計算，汽車吊吊裝作業(yè)時反力計算，吊車上樓板時混凝土結(jié)構(gòu)承載力驗算。每個按鈕設(shè)計獨立的用戶交互窗體界面，如圖2所示。

圖2 插件界面示意

2.4 插件功能

2.4.1 胎架節(jié)點風(fēng)荷載

圖3 胎架節(jié)點風(fēng)荷載計算示意

2.4.2 履帶吊作業(yè)反力計算

“履帶吊作業(yè)反力計算”包含數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出兩大模塊，在用戶輸入端輸入履帶吊的基本參數(shù)以及吊裝工況，輸出端輸出最大壓應(yīng)力及履帶實際受壓長度（圖4）。

圖4 履帶吊作業(yè)反力計算示意

2.4.3 汽車吊吊裝作業(yè)時反力計算

“汽車吊吊裝作業(yè)時反力計算”包含數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出兩大模塊，在用戶輸入端輸入履帶吊的基本參數(shù)以及吊裝工況，輸出端輸出x方向和y方向的偏心彎矩及汽車吊4個支腿的最大反力（圖5）。

2.4.4 吊車上樓板時混凝土結(jié)構(gòu)承載力驗算

“吊車上樓板時混凝土結(jié)構(gòu)承載力驗算”由混凝土梁驗算、詳細(xì)結(jié)構(gòu)-梁、混凝土板驗算和詳細(xì)結(jié)構(gòu)-板4個部分組成，混凝土梁驗算和混凝土板驗算有獨立的輸入、輸出顯示，輸入端數(shù)據(jù)包括混凝土結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)、吊車的驗算工況和混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值，輸出端通過計算得出混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計值，再和結(jié)構(gòu)實際受到的內(nèi)力值比較，判定混凝土結(jié)構(gòu)是否滿足承載力要求，并且在窗口反饋給用戶。詳細(xì)結(jié)構(gòu)-梁（板）窗口為用戶反饋驗算過程中的各項詳細(xì)系數(shù)，以便校核驗算（圖6）。

圖6 吊車上樓板時混凝土結(jié)構(gòu)承載力驗算示意

2.5 插件的運用與傳統(tǒng)手算對比

與傳統(tǒng)手算相比，利用應(yīng)用軟件的輔助插件完成計算，在計算效率、計算結(jié)果的準(zhǔn)確性以及適用性等方面均存在較大優(yōu)勢。

計算效率：采用傳統(tǒng)手算的方法完成一次胎架節(jié)點風(fēng)荷載計算、吊車作業(yè)反力計算和吊車上樓板時混凝土結(jié)構(gòu)承載力計算總用時約5 h；采用輔助插件計算總用時約20 min，時間效率提高15倍。

計算準(zhǔn)確性：采用傳統(tǒng)手算的方法對計算人員的要求較高，各種煩瑣的系數(shù)計算過程復(fù)雜，對整體結(jié)果的影響大，手算過程中容易出錯；插件中通過對各種系數(shù)和算法的集成，簡化了煩瑣的計算過程，保證了相關(guān)計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

適用性：傳統(tǒng)手算的方法要求計算人員對力學(xué)知識的掌握和各項規(guī)范的熟練使用有較高要求，一般由設(shè)計人員完成該類型的工作；輔助插件的使用不僅適用于設(shè)計人員，也適用于施工現(xiàn)場的技術(shù)人員、項目總工等，不僅減輕了設(shè)計工作人員煩瑣的計算過程，也提高了現(xiàn)場施工計算的效率，節(jié)省了時間成本。

3 結(jié)語

在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)達(dá)的當(dāng)今社會，計算機(jī)技術(shù)已經(jīng)滲入到各行各業(yè)，計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用也將各行業(yè)工作人員從煩瑣的重復(fù)性工作中解放出來，革新了傳統(tǒng)的工作方式，大大提高了工作效率，促進(jìn)了社會的發(fā)展和進(jìn)步。作為建筑工程類行業(yè)的從業(yè)人員，無論是結(jié)構(gòu)設(shè)計，還是力學(xué)分析、工程算量等，都離不開煩瑣和大量的數(shù)據(jù)分析。為了提高工作效率，掌握并應(yīng)用一定的計算機(jī)技術(shù)是必不可少的，這些計算機(jī)技術(shù)能對我們的數(shù)據(jù)分析處理提供巨大的幫助。

鋼結(jié)構(gòu)施工驗算輔助插件的運用，與傳統(tǒng)手算過程相比，大幅提升了計算的速度，簡化了復(fù)雜的手算過程，并且保證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。在實際工程應(yīng)用中，還可以結(jié)合不同的施工方案，快速驗證出方案的可行性，并提供多方案的對比，為尋求最優(yōu)方案提供數(shù)據(jù)參考，在提升驗算速度效率的同時，降低項目施工措施成本。