无比钢结构建筑计算机辅助设计应用之研究论文

纪蓓

摘要：由于无比钢结构引进我国时间较短，在我国的实验研究还不足，及该结构体系的特殊性，目前尚无可用于无比钢结构设计且绘制施工图的设计软件，影响了无比钢结构在我国的推广应用。本文计算机应用论文采用SAP2000软件对无比钢结构建筑进行设计计算，设计完成后用本文制作的无比钢结构制图系统接SAP2000模型文件绘制结构施工图，本文计算机应用论文研究成果对无比钢结构的工程设计具有一定实用价值。
关键词：无比钢结构；建筑结构；计算；设计
1 论文概述
无比轻钢龙骨体系，简称无比钢(Web Steel)，即冷弯薄壁型钢小桁架建筑体系，是轻钢龙骨结构建筑系列技术中的一种。其技术主要来源于加拿大的轻钢建筑体系，这种轻钢龙骨建筑体系是用镀锌冷弯薄壁型钢制作的型材作为结构承重部分，在加拿大及北美诸多国家已应用20年，是一种非常成熟的建筑结构体系。
无比钢结构体系主要采用冷弯薄壁型钢(Q235)，结构以薄壁方钢管通过连接件和自攻螺钉组成的单片柱和四方柱以及楼面桁架梁为主要承重骨架，以浇筑在压型钢板上的轻质混凝土为楼板，以通过自攻螺钉连接在单片柱和四方柱上的OSB板、胶竹板或石膏板组成的蒙皮为围护结构。无比钢结构体系的结构特点是，轻钢密立柱，其传力机理是，立柱(即单片柱和四方柱)与上下导轨、支撑和蒙皮组成受力墙体，竖向荷载通过楼面桁架梁传递到墙体立柱，再传至基础；水平荷载通过楼面板传递到墙体，由立柱和蒙在立柱上的蒙皮共同抵御水平荷载。

图1 立柱构造示意图
2 AutoCAD二次开发技术
2．1 AutoCAD二次开发形式
所谓“二次开发”是指由熟悉产品设计同时又掌握计算机应用技术的人员开发出针对某一产品的CAD应用软件。基于AutoCAD提供的开发手段，常见的二次开发的形式有：参数化CAD、成组CAD等。
2.1.1 参数化CAD
参数化CAD应用软件主要用于标准化、系列化和通用化程度比较高的定型产品。如模具、刀具、量具、夹具、液压系统、组合机床等。对于这类产品，一般设计都较为简单。如量具CAD中光滑极限量规CAD，设计时，首先可以先定制不同类型量规的图标选单，然后根据设计要求调入所设计量规的标准图样，输入设计的主要参数，通过计算机查询量规的数据库中的数据，进行必要的计算，将查询或计算得到的数据，在标准图样上进行变量代换，实现参数化绘图，最后生成符合设计要求的图样。可见，这类软件使用时效率较高，但由于专业性较强，使其推广受到限制。因此，它适于企业技术人员自行进行开发。
2.1.2 成组CAD
成组CAD应用软件利用成组技术的原理，将需要设计的零件特征编码与原设计的零件特征编码相比较，通过屏幕提示，决定是对源设计中零件直接引用或者是进行修改。成组CAD中源设计的零件是根据“复合零件”方法进行设计，它应将零件族内的零件功能要素集于一身，同时还应对每个功能要求的参数进行标准化处理。在设计中，这个“复合零件”可以用“块’’的形式进行组合，每个“块”相应做成参数化形式，供修改使用。如轴承CAD中可将轴承的内圈、外圈等做成相应的“块”，设计时根据输入的参数及数据库中的数据，与“复合零件"进行比较，对轴承的结构，如外圈、滚动体等，决定是否进行修改，最后进行参数化绘图，生成轴承的图样，这样，只要建立起适合本行业或本企业产品类型适当的“复合零件’’库，就可满足生产中的设计要求。但是，由于成组CAD是针对某一类或一系列产品进行开发，所以应用的广泛性受到了一定程度上的约束。
2.2 AutoCAD二次开发技术
（1）VBA(Visual Basic for Application)是基于ActiveX Automation技术的二次开发工具。ActiveX Automation是一套微软标准，以前称为OLE Automation技术。该标准允许通过外显的对象由一个Windows应用程序控制另一个Windows应用程序，这也是面向对象编程技术的精髓所在。AutoCAD从R14开始增加作为ActiveXAutomation服务器应用程序的功能，使得许多面向对象编译语言和应用程序可以通过ActiveX与AutoCAD进行通信，并操纵AutoCAD的许多功能，ActiveX Automation服务器应用程序通过自身对象的属性、方法和事件实现其功能。对象是服务器应用程序简单而抽象的代表。不管是用VB、VC、OFFICE VBA等从外部开发，还是用AutoCAD VBA从内部对AutoCAD进行二次开发，都是通过调用AutoCAD的对象体系结构来进行的。AutoCADActiveXAutomation技术将AutoCAD的各种功能封装AutoCADActiveX对象中，供编程使用。
(2)ObjectARX
ObjectARX是AutoCAD R13之后推出的一个以C++语言为基础的面向对象的开发环境和应用程序接口，目前多数企业还是采用这种技术进行二次开发。Object ARX程序本质上是Windows动态链接库(DLL)程序，与AutoCAD共享地址空间，直接访问AutoCAD数据库结构、图形系统以及CAD几何造型核心，以便能在运行期间实时扩展AutoCAD的功能，创建能全面享受AutoCAD固有命令的新命令。ObjectARX程序与AutoCAD、Windows之间均采用Windows消息传递机制。
3无比钢结构建筑的设计计算
3．1设计软件的选用
(1)有限元理论
有限元法可以从数学观点和物理观点两方面建立公式。从物理观点看，有限单元法就是把连续结构体离散化。具体的说，就是把结构分成很多小的部分，每个部分称为一个单元，这些单元的形状、大小可以任意选择，但都是有限小的，而不是无限小的，所以称为有限单元。各单元在其相邻边界点上相连接，既有限元法把连续结构体离散化为只在有限个点上有联系的离散模型，而这些连接点称为节点。通常以节点广义位移作为未知量，按节点的平衡条件建立运动方程。一般用位移法，当然也可以采用力法建立方程式，在结构动力反应问题中一般采用位移法。
(2)SAP2000简介
目前国际上面向工程领域的有限元程序已有数百种，其中比较著名的有：ANASYS、SAP2000、ABAQUS、ADINA、MARK等等，这些软件功能强大而且各具特色。本文采用有限元分析软件SAP2000。SAP2000最原始的结构分析软件是SAP，它是Structural Analysis Program三个字的简称。SAP是30多年以前在加州大学Berkeley分校，由Edward Wilson教授领导开发出来的结构分析软件，当时主要用于结构及土木工程(包括土壤大坝等有关工程)的研究及教学工作。在过去的30多年里，SAP随着有限元方法的发展不断及改进及提高，在演变过程中好几个版本出现一直到目前的SAP2000版本。SAP2000是一种通用结构分析与设计软件，所谓结构分析与设计，主要针对结构系统受到外界作用后所出现的反应(如应力、位移、温度等)，由此可知其受外力作用后的状态，进而判别是否符合设计要求。一般结构的几何外形及所受荷载都相当复杂，理论分析往往无法进行；因此必须简化结构或采用有限元法及数值方法。
3.2构件的模拟
在SAP2000中，板壳对象按照受力特点可以分为三类：膜单元、板单元、壳单元。膜单元只有平面内的刚度，承受膜力，建筑结构中的楼板通常采用膜单元来模拟；板单元的行为与膜相反，只具有平面外的刚度，承受弯曲力，模拟薄梁和地基梁等；壳单元的力学行为是膜单元和板单元之和，是真正意义上的壳单元。工程上对于壳的厚度h与其宽度L之比(即宽厚比)h／L<I／10的壳为薄壳，壳的厚度比在1／lO<h／L<I／5之间的壳，称为中厚壳。薄壳中横向剪切应力对变形的影响较小，而中厚壳中横向剪切应力对变形的影响较大。本文采用薄壳单元来模拟蒙皮；楼板一般为钢与混凝土组合楼板，等效为混凝土楼板用膜单元模拟；C型导轨忽略翼缘部分，只考虑腹板部分。

参考文献：
【1】陈禄如．钢结构住宅建筑将成为我国住宅的重要组成部分．住宅产业．2002， ’t
【2】阴亮．web轻钢龙骨组合墙体抗侧力性能的影响因素．武汉理工大学．2008
【3】戚超龙．轻钢龙骨组合墙体的竖向承载力研究．武汉理工大学．2007