水工混凝土結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要基于新修訂水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的水工混凝土結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)，以中文Windows為操作平臺(tái)，采用先進(jìn)高效的VB語言和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，具有良好的人機(jī)交互界面.本文詳細(xì)介紹水工混凝土結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原則以及文件系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)分析、素混凝土、鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土、規(guī)范查詢等功能模塊的設(shè)計(jì)思路.

關(guān)鍵詞混凝土結(jié)構(gòu)水工結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析VBCAD

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)以其設(shè)計(jì)工期短、設(shè)計(jì)質(zhì)量高、設(shè)計(jì)成本低等優(yōu)點(diǎn)在航空、汽車、電子、機(jī)械制造、土木建筑等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用.相對(duì)而言，我國水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中CAD技術(shù)的應(yīng)用較為落后.

80年代中期，國內(nèi)曾形成一股水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CAD研究熱潮，其代表性成果有廠房CAD、重力壩CAD、拱壩CAD等，這些大型軟件一般來說價(jià)格昂貴，而通常的設(shè)計(jì)院若干年才完成一個(gè)或幾個(gè)水利工程的設(shè)計(jì)，不像建筑設(shè)計(jì)院每人每年要完成幾個(gè)甚至幾十個(gè)工程的設(shè)計(jì)，因此其真正的用戶不多.另外，由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)硬件水平較低，再加上水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，水工結(jié)構(gòu)CAD技術(shù)未能得到應(yīng)有的發(fā)展.許多設(shè)計(jì)單位自行編制了若干常用小程序，諸如框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算程序，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)程序等，這類程序在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)計(jì)算方面確實(shí)起到了一定的作用.部分CAD技術(shù)應(yīng)用較好的設(shè)計(jì)院也主要是利用通用軟件，例如AutoCAD等，進(jìn)行輔助繪圖，其效率很低.近年來建筑CAD發(fā)展很快，已真正進(jìn)入CAD的應(yīng)用階段.我國有關(guān)部門已正式將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的出圖率和優(yōu)化設(shè)計(jì)所占的比重作為評(píng)定設(shè)計(jì)單位級(jí)別的一項(xiàng)重要指標(biāo).另一方面，計(jì)算機(jī)硬件水平又有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展.可以預(yù)言，21世紀(jì)將是計(jì)算機(jī)軟件的時(shí)代.與此同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論有了長(zhǎng)足的發(fā)展.基于GB50199—94《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的新一輪水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范幾年前就已開始修訂，目前已有多本規(guī)范正式頒布實(shí)施.例如，從1997年5月1日起實(shí)施的SL／T191—96《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》采用近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法取代原來的半概率半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，理論上更趨完善，但設(shè)計(jì)也更復(fù)雜.因此，大力開展水工結(jié)構(gòu)CAD軟件的研究勢(shì)在必行，研制開發(fā)一套基于上述新規(guī)范的水工混凝土結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)很有必要，而且也是可能的，具有較大的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則

水工混凝土結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)遵循了以下原則：

a．集成化計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)與可持續(xù)發(fā)展相結(jié)合的原則.目前，國內(nèi)外軟件開發(fā)的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是集成化.集成化計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件具有資料查詢、科學(xué)計(jì)算、繪圖與圖形顯示、仿真模擬、綜合分析、優(yōu)化以及咨詢等功能，其范圍涉及可行性研究、總體規(guī)劃、初步設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)文件及工程造價(jià)預(yù)測(cè)與分析的全過程.例如，最初的PKPM系列軟件包括用來進(jìn)行鋼筋混凝土框、排架及連續(xù)梁結(jié)構(gòu)計(jì)算與施工圖繪制的PK軟件和用來進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的PMCAD軟件.以后又逐漸開發(fā)出框架、框架剪力墻、剪力墻結(jié)構(gòu)空間協(xié)同分析計(jì)算軟件XTJS，剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件JLQ等，還開發(fā)出三維建筑設(shè)計(jì)軟件APM，給排水設(shè)計(jì)軟件WPM，建筑采暖設(shè)計(jì)軟件HPM，建筑電氣設(shè)計(jì)軟件EPM，建筑通風(fēng)設(shè)計(jì)軟件CPM等，這些軟件之間實(shí)現(xiàn)了一定程度的數(shù)據(jù)共享，形成了集建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、給排水設(shè)計(jì)、采暖設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、通風(fēng)設(shè)計(jì)為一體的集成化計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng).水工混凝土結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)理應(yīng)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過程，首先在圖形編輯狀態(tài)下進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置，然后自動(dòng)形成計(jì)算簡(jiǎn)圖并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，再進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，最后直接形成結(jié)構(gòu)施工圖.但鑒于水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，要在短期內(nèi)完成上述全部功能有很大的困難.所以，該系統(tǒng)的初級(jí)階段主要包括結(jié)構(gòu)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及規(guī)范查詢等內(nèi)容，但考慮到其可持續(xù)發(fā)展的要求，預(yù)留了大量接口，為今后形成大規(guī)模集成化軟件系統(tǒng)作了充分準(zhǔn)備.

b．具有良好的用戶界面.目前開發(fā)的軟件都是基于中文Windows操作系統(tǒng)的.Windows的最大特點(diǎn)就是用戶界面的圖形化和可視化.當(dāng)今的計(jì)算機(jī)用戶已經(jīng)熟悉了具有下拉式菜單、變化多樣的顏色和字體以及多窗口的軟件，摒棄了從鍵盤上輸入指令的陳舊方式，越來越多地使用鼠標(biāo)器在圖標(biāo)或菜單選項(xiàng)上通過撳動(dòng)按鈕來啟動(dòng)一段程序或激活一條指令.傳統(tǒng)的沒有用戶界面、直接用文件輸入的軟件已入黃昏，少有人問津，開發(fā)基于Windows的應(yīng)用軟件是當(dāng)今的流行趨勢(shì).該系統(tǒng)采用能充分利用圖形用戶界面的最流行的VB語言開發(fā)，具有簡(jiǎn)潔美觀、方便快捷的人機(jī)交互式界面以及Windows應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)外觀和風(fēng)格，用戶只要稍具Windows操作知識(shí)，便可輕松正確地按人機(jī)交互方式輸入計(jì)算參數(shù)，以而得到滿意的結(jié)果.

①圖中括號(hào)中的字母“(F)”為快捷鍵；“…”表示將打開對(duì)話框.下同.c．采用數(shù)據(jù)庫管理技術(shù).水工混凝土結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)來統(tǒng)一管理計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過程中所有數(shù)據(jù)，這樣做有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①盡可能不重復(fù)，即冗余度最??；②以最優(yōu)的方式服務(wù)于一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用程序，即應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)資源的共享；③數(shù)據(jù)存放盡可能地獨(dú)立于使用它的應(yīng)用程序，即數(shù)據(jù)獨(dú)立性；④用一個(gè)軟件統(tǒng)一管理這些數(shù)據(jù)，例如維護(hù)、增加、變更、檢索這些數(shù)據(jù).

d．采用菜單結(jié)構(gòu).水工混凝土結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)各主要功能模塊是通過菜單調(diào)用實(shí)現(xiàn)的，這樣做有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①程序結(jié)構(gòu)層次清晰明了，符合設(shè)計(jì)人員的邏輯思維，便于實(shí)用；②各功能菜單相對(duì)獨(dú)立，使程序設(shè)計(jì)可留有大量接口，符合可持續(xù)發(fā)展的原則；③可在屏幕上清楚地顯示出供用戶選擇的全部項(xiàng)目，有助于用戶了解開放的“選擇”范圍，并且具有一定的提示作用；④菜單能使用戶明確地選擇各種功能，防止用戶作出無效的選擇，減少出現(xiàn)錯(cuò)誤命令的可能性；⑤用戶通過菜單可以容易地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，不必記憶各種各樣的輸入命令.由于該系統(tǒng)軟件的內(nèi)容比較多，主菜單選用下拉式菜單，分為7個(gè)菜單項(xiàng)目，即文件系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)分析、素混凝土、鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土、規(guī)范查詢和幫助，每個(gè)菜單項(xiàng)目下又有若干個(gè)子菜單.

e．方便實(shí)用.水工混凝土結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)的方便實(shí)用性具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①設(shè)計(jì)流程盡可能地與工程設(shè)計(jì)人員的工作思路一致，讓設(shè)計(jì)人員實(shí)實(shí)在在地感受到該系統(tǒng)確確實(shí)實(shí)能提高其工作效率，設(shè)計(jì)人員樂于接受；②滿足不同層次人員使用該系統(tǒng)的需要.具體設(shè)計(jì)人員希望該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程與其實(shí)際設(shè)計(jì)步驟相一致；總工程師們希望在審查別人設(shè)計(jì)成果時(shí)能利用該系統(tǒng)對(duì)設(shè)計(jì)成果某些有疑問的地方進(jìn)行復(fù)核；教師們希望能利用該系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)；學(xué)生們希望能利用該系統(tǒng)來加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，并能對(duì)所做作業(yè)進(jìn)行復(fù)核；③與新規(guī)范密切結(jié)合.充分利用了Windows優(yōu)良的在線幫助功能，研制開發(fā)了功能強(qiáng)大、內(nèi)容豐富的規(guī)范查詢系統(tǒng)，使之成為廣大工程設(shè)計(jì)人員的得力助手，也是學(xué)習(xí)理解新規(guī)范的有效途徑.2功能模塊設(shè)計(jì)

水工混凝土結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)共有7個(gè)功能模塊，下面分別介紹其結(jié)構(gòu)及功能.2．1文件系統(tǒng)

文件系統(tǒng)菜單結(jié)構(gòu)如圖1①所示.圖1文件系統(tǒng)菜單結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)的主要功能是對(duì)水工混凝土結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)、運(yùn)行結(jié)果(包括文本文件和圖形文件等)進(jìn)行各類常規(guī)處理.例如，單擊“新建工程…”項(xiàng)，輸入工程名及存儲(chǔ)路徑，系統(tǒng)將自動(dòng)創(chuàng)建一標(biāo)準(zhǔn)的工程數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，定義各種圖表及其字段，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過程中，與該工程有關(guān)的所有信息將按部就班地存入相關(guān)部位.當(dāng)然，要想永久保留輸入的信息，在退出系統(tǒng)之前必須單擊“保存…”項(xiàng).若想對(duì)已建工程作進(jìn)一步的修改，可單擊“打開工程…”，新建時(shí)輸入的所有資料都繼續(xù)有效，并可在此基礎(chǔ)上隨心所欲地修正，或繼續(xù)完成前期未盡的工作.對(duì)于大型工程，可多人分工合作，最后通過“添加工程…”將其合并在一起.要想刪除與某一工程有關(guān)的所有信息，只需單擊“刪除工程…”.通過“打印設(shè)置…”可以按各種格式輸出所需的設(shè)計(jì)結(jié)果.單擊“AUTOCAD…”，可以進(jìn)入AutoCAD，完成各種圖形后處理工作.其它一些常見功能與Windows等通用軟件相同，此處不再贅述.2．2結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析菜單結(jié)構(gòu)如圖2所示.圖2結(jié)構(gòu)分析菜單結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析內(nèi)容非常廣泛，涉及靜力、動(dòng)力及穩(wěn)定問題等，國內(nèi)外已有多種優(yōu)秀的大型結(jié)構(gòu)分析軟件.但該類軟件由于功能比較齊全，結(jié)構(gòu)龐大，價(jià)格昂貴，對(duì)基層設(shè)計(jì)人員來說，既不易掌握，也有點(diǎn)大材小用，不為廣大設(shè)計(jì)人員所接受.本結(jié)構(gòu)分析模塊主要包括工程中常見的、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)分析問題，計(jì)算所需參數(shù)均采用人機(jī)交互式輸入，小巧玲瓏，方便實(shí)用.計(jì)算結(jié)果直接存入數(shù)據(jù)庫，供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用.當(dāng)然，此部分內(nèi)容也可作為常規(guī)的結(jié)構(gòu)分析軟件使用.2．3素混凝土

素混凝土菜單結(jié)構(gòu)如圖3所示.圖3素混凝土菜單結(jié)構(gòu)GBJ83—85《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通用符號(hào)、計(jì)量單位和基本術(shù)語》規(guī)定，凡是以混凝土為主制作的結(jié)構(gòu)，統(tǒng)稱為混凝土結(jié)構(gòu)，包括素混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)等.因此，本軟件系統(tǒng)也相應(yīng)地將混凝土結(jié)構(gòu)分為素混凝土、鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土3個(gè)子功能模塊.素混凝土的主要功能是對(duì)素混凝土受壓構(gòu)件、受彎構(gòu)件以及局部受壓構(gòu)件承載力進(jìn)行計(jì)算。2．4鋼筋混凝土

鋼筋混凝土菜單結(jié)構(gòu)如圖4所示.圖4鋼筋混凝土菜單結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土的主要功能包括兩部分，一部分是鋼筋混凝土各類基本構(gòu)件在已知設(shè)計(jì)內(nèi)力的情況下進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計(jì)算和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，另一部分是水工結(jié)構(gòu)中各類常見結(jié)構(gòu)的配筋設(shè)計(jì)，計(jì)算內(nèi)容包括基本資料結(jié)構(gòu)布置、荷載輸入、內(nèi)力計(jì)算、內(nèi)力組合、配筋計(jì)算、抗裂驗(yàn)算、裂縫寬度驗(yàn)算、撓度驗(yàn)算等，并形成計(jì)算書和施工圖.

2．5預(yù)應(yīng)力混凝土

預(yù)應(yīng)力混凝土菜單結(jié)構(gòu)如圖5所示.圖5預(yù)應(yīng)力混凝土菜單結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土的主要功能也包括兩部分：一部分是對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件在已知設(shè)計(jì)內(nèi)力的情況下進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計(jì)算和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算；另一部分是常見預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的配筋設(shè)計(jì).2．6規(guī)范查詢

規(guī)范查詢菜單結(jié)構(gòu)如圖6所示(圖中僅列出水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的子菜單，其它規(guī)范的子菜單與相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范一致，此處從略.)規(guī)范查詢水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)圖6規(guī)范查詢菜單結(jié)構(gòu)基于GB50199—94《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》修訂的新一輪水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定已陸續(xù)完成，目前已頒布實(shí)施的有DL5077—1997《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》、SL203—97《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、SL／T191—96《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》等.規(guī)范查詢的主要功能是以文件的形式記錄了相應(yīng)規(guī)范的有關(guān)內(nèi)容，供用戶查詢.查詢時(shí)可按目錄和主題兩種方式進(jìn)行，方便快捷.2．7幫助

幫助菜單結(jié)構(gòu)如圖7所示.圖7幫助菜單結(jié)構(gòu)幫助的主要功能是詳細(xì)介紹水工混凝土結(jié)