（机械制造及其自动化专业论文）建筑金属桁架结构计算机辅助设计系统研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 桁架结构被广泛的应用于大跨度的公共建筑中，具有布置灵活、造型丰富、 结构体系复杂以及形式多样等特点，传统的设计方法难以满足工程应用的需要， 而现有结构辅助设计软件的行业针对性不强，对工程建模、荷载自动分摊、结构 优化设计以及后处理等缺乏较好支持。本文从建筑金属桁架结构特点出发，围绕 建筑金属桁架结构计算机辅助设计需求，对建筑金属桁架结构计算机辅助设计系 统及其关键实现技术作了较为深入的研究，并开发了建筑金属桁架结构计算机辅 助设计系统。 首先在分析国内外同类软件发展现状及趋势的基础上，针对桁架结构特点及 其计算机辅助设计需求，基于a u t o c a d 图形处理平台，提出了一种四层体系结构 的建筑金属桁架结构计算机辅助设计系统总体方案。 然后针对建筑金属桁架结构计算机辅助设计系统所涉及的图形轮廓自动识 别、工程分析建模、桁架结构优化设计等关键技术进行了较为深入的研究。在分 析了桁架工程模型的几何特征和拓扑特征的基础上，给出了一种基于图元优先级 特征定义的二维图形轮廓提取方法，并利用拓扑投影不变原理将其成功运用于三 维图形轮廓提取，解决了桁架工程分析中面积载荷的自动分摊，提高了工程分析 的效率。基于建筑金属桁架结构工程模型特征分析的基础上，总结了工程建模的 基本原理，提出了一种基于特征域的工程分析建模方法，与矢量图形识别建模相 结合实现了建筑金属桁架结构的可视化工程建模，提高了工程应用分析的前置处 理效率，扩充了系统的工程应用面。在研究工程结构满应力设计原理的基础上， 构造桁架结构尺寸优化方法，满足了日益复杂的结构设计要求，提高了桁架的结 构性能。 最后，在以上关键技术的研究基础之上，以a u t o c a d 作为图形处理平台，开 发了建筑金属桁架结构计算机辅助设计系统，该系统具有人机界面好、操作方便、 后处理功能强大等特点，并在多家企业得到应用，取得了较好的应用效果。 关键词。建筑金属桁架结构，图形轮廓识别，工程建模，结构优化，o b j e c t a r x 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t r u s ss t r u c t u r ei s w i d e l yu s e d i nl a r g e - s p a np u b l i c b u i l d i n g s ，w h i c he x h i b i t f e a t u r e so ff l e x i b l el a y o u t , r i c hm o d e l i n g , c o m p l e xs t r u c t u r e ，d i v e r s i t ya n ds oo n t h e t r a d i t i o n a ls t r u c t u r ed e s i g nm e t h o d sc a n n o tm e e tt h en e e d so fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n a n ym o r e t h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) s o f t w a r ea v a i l a b l ef o rs t r u c t u r ed e s i g nd o n o tf i tt r u s ss t r u c t u r ed e s i g nw e l l ，a n dl a c kt h ea b i l i t yt os u p p o r te n g i n e e r i n gm o d e l i n g ， l o a da u t o a l l o c a t i o n , s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g na n de n g i n e e r i n gp o s t - p r o c e s s i n g t h i sp a p e ra n a l y s e st h ef e a t u r e so ft h ec o n s t r u c t i o nm e t a lt r u s ss t r u c t u r ea n dt h en e e d s o fc a df o rc o n s t r u c t i o nm e t a lt r u s ss t r u c t u r ed e s i g n b a s e do nt h es t u d yo nt h ec a d s y s t e mf o rc o n s t r u c t i o nm e t a ll l u s ss t r u c t u r ed e s i g na n di t sc o i et e c h n o l o g i e s ，a p r o f e s s i o n a lc a ds o f t w a r es p e c i a lf o rc o n s t r u c t i o nm e t a lt r u s ss t r u c t u r ed e s i g ni s d e v e l o p e d f i r s t , b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec a ds o f t w a r ea v a i l a b l ef o rs t r u c t u r ed e s i g n , a i m i n ga lt h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft r u s ss t r u c t u r ea n dt h ec a dn e e d sf o r c o n s t r u c t i o nm e t a lt r u s ss t r u c t u r ed e s i g n , a4 - l a y e rs o f t w a r ea r c h i t e c t u r eg e n e r a ls c h e m e f o rc o n s t r u c t i o nm e t a lt r u s ss t r u c t u r ed e s i g nc a d s y s t e mi sp u tf o r w a r d , 、杭t ha u t o c a d 邪t h eg r a p h i c s p r o c e s s i n gp l a t f o r m s e c o n d , t h i sp a p e rs t u d i e st h ec o r et e c h n o l o g i e sw h i c ha r ei n v o l v e di nt h ec a d s y s t e mf o rc o n s t r u c t i o nm e t a lt l a l s ss t r u c t u r ed e s i g n , s u c ha sg r a p ho u t l i n ea u t o m a t i c r e c o g n i t i o n , e n g i n e e r i n ga n a l y s i sm o d e l i n ga n dt r u s ss t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nd e s i g n a f t e ra r l a l y z i n gt h eg e o m e t r i cf e a t u r e sa n dt o p o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r u s s e n g i n e e r i n gm o d e l ，ag r a p ho u t l i n ee x t r a c t i o nm e t h o di n2 db a s e do ng r a p h i c e l e m e n t s p r i o r i t yc h a r a c t e r i s t i c s i s p u tf o r w a r d ，w h i c hi ss u c c e s s f u l l ya p p l i e d t o t h r e e d i m e n s i o n a lg r a p ho u t l i n er e c o g n i t i o nb ya d o p t i n gt h ep r i n c i p l eo ft o p o l o g i c a l p r o j e c t i o ni n v a r i a n c e 1 f 1 1 em e t h o ds o l v e st h ea r e al o a da u t o a l l o c a t i o nf o r t h e e n g i n e e r i n ga n a l y s i sa n di m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fe n g i n e e r i n ga n a l y s i s b a s e do nt h e f e a t u r ea n a l y s i so ft h ee n g i n e e r i n gm o d e lf o rc o n s t r u c t i o nm e t a lt l u s s s t r u c t u r e ，t h i s p a p e rs u m m a r i z e st h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so fe n g i n e e r i n gm o d e l i n g a n da e n g i n e e r i n ga n a l y s i sm o d e l i n gm e t h o db a s e do nc h a r a c t e r i s t i cd o m a i ni sp r e s e n t e d , w h i c hc o m b i n e sw i t hv e c t o r - g r a p hr e c o g n i t i o nm o d e l i n g ，a c h i e v i n gt h ev i s u a l i z a t i o n e n g i n e e r i n gm o d e l i n g i tg r e a t l yi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fp r e - p r o c e s s i n gf o r e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n a l y s i sa n dw i d e n st h es y s t e m sa p p l i c a t i o na r e a b a s e do nt h e 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 s t u d yo ft h ep r i n c i p l eo ff u l l ys t r e s s e dd e s i g n , as i z eo p t i m i z a t i o nm e t h o df o rt r u s s s t r u c t u r ei sp r e s e n t e d , w h i c hm e e t st h ei n c r c 锻i n 9 1 yc o m p l e xd e s i g nr e q u i r e m e n t so f t r u s ss t r u c t b r ea n di m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo f l x u s ss t r u c t u r e a tl a s t , b a s e d0 1 1t h es t u d y0 1 1t h ec o r et e c h n o l o g i e so ft h e s y s t e m , t a k i n g a u t o c a da st h eg r a p h i c s p r o c e s s i n gp l a t f o r m , t h ec a ds y s t e mf o rc o n s t r u c t i o nm e t a l t r u s ss t r u c t u r ed e s i g ni sd e v e l o p e d t h es y s t e mi sc h a r a c t e r i z e db yf r i e n d l yo p e r a t i o n i n t e r f a c e ，c o n v e n i e n to p e r a t i o na n dp o w e r f u lp o s t - p r o c e s s i n g t h es y s t e mh a sb e e n a p p l i e di ns e v e r a le n t e r p r i s e s ，w i 血g o o da p p l i c a t i o ne f f e c t s k e y w o r d s ：c o n s t r u c t i o nm e t a lt r u s ss t r u c t u r e ，g r a p ho u t l i n er e c o g n i t i o n ，e n g i n e e r - i n gm o d e l i n g , s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n , o b j e c t a r x 1 l i 学位论文独创性声明 本人声明所 呈 交的盈 士 学位论文 是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 新群：豫 璋娥签字日期：2 0 0 6 午 签字日期：叼，6 ，午 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人的盈乏士学位论文瞳锱受哑隧糨舶啦蟒醯到垂殛舞穗 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c q ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 备注，审核通过的涉密论文不得签署“授权书竹，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明。本声明及授权书：蛆装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1绪论 桁架结构被广泛的应用于大跨度的公共建筑中，桁架结构不仅力学性能优良、 便于施工和维护，而且造型适应性好，有很强的建筑表现力，因此受到了广大建 筑设计师和结构工程师的青睐，成为国内外大跨度建筑中最常采用的结构形式， 也成为结构工程领域研究的热点。 以往的结构设计以模型实验和经验估算为主，要求设计者根据设计要求和实 践经验，参考类似的结构设计，通过判断去创造新的设计方案，然后进行强度、 刚度和稳定性等各方面的验算。桁架结构由于其布置灵活、造型丰富、结构体型 复杂以及形式多样等特点，造成结构设计难度大，而且随着对结构安全性、优化 设计、快速设计的要求越来越高，使得传统的人工分析设计方法已难以满足工程 应用的需要，出现了计算精度差、计算效率低下、设计困难等问题。并且随着行 业间的竞争越来越激烈，要想在激烈的竞争中生存就要求对市场做出快速的反应， 对外要缩短设计和施工的循环周期，提高产品及工程的可靠性和质量；对内要优 化设计，降低材料的消耗和成本，模拟各种试验方案，减少设计时间和经费开支。 数学、力学理论的不断发展，特别是计算机技术的出现，使得桁架结构计算机辅 助设计技术的研究成为一大热门。因而开展对建筑金属桁架结构分析设计的研究， 并开发相应的计算机辅助工程设计软件以提供诸如模型设计、模型计算、模型优 化、模型校核、配件设计、结果出图以及计算书生成等一整套工程应用解决方案， 对提高设计人员工作效率、缩短设计周期、降低设计成本以及提高设计质量等具 有重要的意义。 1 1 论文的选题背景和意义 1 1 1 课题的研究背景 2 0 世纪中叶特别是6 0 年代后期随着钢铁产量的提高以及各国鼓励使用钢结构 政策的出台，钢结构在建筑行业得到了前所未有的关注和发展。建筑金属桁架结 构作为钢结构的重要内容之一，由于其经济、实用、美观等优点，也得到了深入 的应用和长足的发展。建筑金属桁架结构由空间杆系组成，本身自成独立体系， 具有较大的平面刚度，可以简化甚至消除支撑；若采用有利的杆件布置，节点采 用钢管相贯连接，可以减少管材接头，产生较好的经济效益。因此被广泛的应用 于国内外的大型公共建筑中，如：美国旧金山机场、广州新白云机场航站楼、深 圳机场航站楼、南京奥体中心等囝团。 对建筑金属桁架结构的分析设计是建筑金属桁架结构设计的重要内容，是决 重庆大学硕士学位论文1 绪论 定建筑金属桁架结构安全可靠性的关键因素之一，同时也是直接影响桁架结构经 济性的重要因素。现代由于对建筑物可靠性和经济性的兼顾要求，以往以经验法 和类比法为主的分析设计方法已经不再适用，设计结果往往不能满足用户的要求。 应用最新的数学和力学理论以及计算机技术，进行建筑金属桁架结构的计算机辅 助设计，是提高结构分析精度，获得优化设计结果的有效途径。 现有国内应用工程的桁架结构，多采用手工计算或利用一些通用型结构分析 软件如s a p 2 0 0 0 、a n s y s 等进行分析计算，这给工程结构建模、结构分析模型的 选择以及结构分析前后处理等带来了不少麻烦，难以满足由于行业竞争加剧而逐 渐提倡的节约设计和制造成本、减少设计周期以及提高设计质量的要求。 从以上分析可以看出，虽然建筑金属结构有着越来越快的发展和越来越广的 应用，但在我国特别是针对建筑金属桁架结构的分析计算及其相关辅助设计软件 还处于初级应用阶段，国内有关建筑金属桁架结构的计算机辅助工程设计软件还 不十分成熟。基于此，本课题开发了针对建筑金属桁架结构分析设计的专用计算 机辅助设计软件，以满足建筑金属结构行业发展对建筑金属桁架结构分析设计的 需求。 1 1 2 课题的研究意义 我国建筑金属结构行业从1 9 9 0 年开始获得了巨大的发展，经过近2 0 年的努 力，特别是国家相关政策的鼓励和行业的整合调整，至2 1 世纪初，我国建筑钢结 构的用钢量已经达到钢材总产量的5 左右，并且朝着技术科技化、需求多样化的 方向发展。随着我国经济改革的不断深入以及经济全球化趋势的不断加强，我国 建筑金属结构行业将还有更强劲的发展趋势m 1 。 建筑金属桁架结构作为重要的建筑金属结构形式，在我国大型体育场馆、高 层住宅、机场航站楼等公共设施建设中发挥着不可替代的重要作用。而与建筑金 属桁架结构在我国蓬勃发展不相适应的是，我国现阶段针对建筑金属桁架结构的 辅助分析设计软件还处于初级阶段，而国外成熟的通用结构分析软件由于其行业 针对性不强，难以适应针对建筑金属桁架结构的应用设计要求，这在一定程度上 制约了我国建筑金属结构行业的发展与应用。 因此，运用计算机技术，结合建筑金属桁架结构及其结构分析设计专业技术， 研制开发针对建筑金属桁架结构领域的专用计算机辅助工程设计软件，提供诸如 模型设计、模型计算、模型优化、模型校核、配件设计、结果出图以及计算书生 成等一整套工程应用解决方案，对提高设计质量，降低设计成本，减少工程中可 能存在的质量安全隐患以及促进建筑金属结构行业的健康发展都具有重要的理论 意义和现实的经济价值。 2 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 1 2 国内外相关研究现状 1 2 1 建筑金属桁架结构c a d 概述 现代对于建筑金属桁架结构的分析设计，不再停留在对方案可行性和结构安 全性进行验证的层面上，还需要兼顾考虑材料节约、方案优化等内容，需要由被 动的分析、校核上升为主动的设计、优化。本文所指的建筑金属桁架结构计算机 辅助工程设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，c a d ) 是指应用计算机技术，结合建筑金属 桁架结构及其结构分析设计专业技术，帮助工程设计人员完成对建筑金属桁架结 构的模型构建、模型分析、模型优化、模型分析后处理等整个工程应用各个阶段 的相关工作。 建筑金属桁架结构的计算机辅助工程设计以工程或科学问题为背景，建立工 程分析模型并进行计算机仿真分析，主要包括计算机辅助建模( c o m p u t e ra i d e d m o d e l i n g ，c a m ) 、计算机辅助分析( c o m p u t e r a i d e da n a l y s i s ，c a a ) 、计算机辅助 分析后处理( c o m p u t e ra i d e dp o s t - p r o c e s s i n g ，c a p ) 等三大部分。c a m 提供可视化 的工程模型的构建、编辑以及预处理等功能。c a a 包括了有限元分析方法、结构 优化设计方法等核心技术，提供工程模型的结构分析计算、结构优化设计，最终 完成对结构的强度、刚度、稳定性等力学性能的综合分析验算。c a p 针对工程应 用设计人员对设计结果的处理需求，进行杆件相贯设计、支座设计、焊接球设计 等，最后以图纸、报表、模型计算书的形式进行结果输出。 与传统的建筑金属桁架结构分析设计相比，采用c a d 技术进行建筑金属桁架 结构的分析设计有着无可比拟的优越性，其主要表现在： c a d 技术可以提高结构工程设计的整体设计质量。c a d 囊括了对建筑金 属桁架结构工程设计中的模型创建、分析计算、优化设计、分析后处理等整个分 析设计过程的支持。能够提供用户全套的、完善的工程设计服务及结果数据，因 而能从一定程度上提高工程设计的整体设计质量。 c a d 技术可以减少结构工程设计周期，提高工程应用设计效率。c a d 技 术由于其全过程的计算机自动化或半自动化处理，不再需要工程设计人员进行手 工绘制模型、分析计算以及结果数据统计处理等烦琐操作，大大提高了工程应用 设计效率，增强了企业市场应变能力和行业竞争力。 c a d 技术可以大幅度地降低设计成本。c a d 技术可以将复杂的优化过程 交由计算机完成，按照某种标准选择出一个不但可行而且最好的设计方案，获得 可靠的安全性和较好的经济性；将人从繁琐的计算和绘图工作中解放出来，使其 可以从事更多的创造性劳动。从而使得设计成本大幅度的降低，增强了企业的综 合竞争力。 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 2 建筑金属桁架结构c a d 软件的发展现状 建筑金属桁架结构广泛的应用和发展，一方面是由于这种结构具有空间受力 特性、建筑造型丰富、重量轻、材料省、工程质量高、工期短等优点；另一方面， 计算机的广泛应用和普及、计算技术的渐趋成熟、软件的不断研究和开发也为桁 架结构的应用和发展奠定了基础。国内外对于建筑金属结构计算机辅助设计软件 的研究有一定的发展历史和成果。例如：美国g t s t r u d l 公司的g t s t r u d l 是结 构工程师广泛采用的、先进的c a e c a d 系统，它将网格的自动化分、数据生成、 有限元分析、钢结构设计、图形交互、结构数据库管理和分析结果决策等功能形 成一个强大的信息处理系统。为工程师提供了技术先进、有效、高可信度、一体 化的通用结构工程信息处理系统喳1 。还有美国c s i 公司的s a p 晒1 ，美国r e i 公司的 s t a a d ，英国a c e c a d 公司开发的s t u c a d 等结构分析软件以及诸如a n s y s 、 a b q u s 、a d i n a 等通用型结构分析软件，能够广泛适用于大型建筑、桥梁、大坝 以及体育馆等各种工程应用的结构分析。另外，类似的产品还有芬兰的x s t e e l 中 文版智能钢结构详图设计系统、f a s t r a k 等钢结构设计与分析计算软件、s c i a 钢结构c a e c a d c i m 一体化软件、大连阿依艾软件公司开发的s 聪删h i n a 2 0 0 0 钢结构设计与绘图软件、e t a b s v 8 中文版等。 从以上可以看出，国外结构c a e c a d 软件具有普遍的适用性，并能为用户提 供较为完备的结构分析工具，同时多数能够提供对一些流行c a d c a e 系统以及其 它优秀的结构辅助设计软件的集成。然而由于以下两方面的原因，至今难以在我 国市场推广：一、建筑金属结构产品的国家和行业的规范性较强，许多国外产品 暂时不适应，另外国外许多产品的建筑金属结构分析行业针对性不强，结构分析 前后处理功能不太完善；二、对用户专业化水平要求较高且价格相对昂贵。 国内的结构c a d 软件起步较晚，但由于行业针对性较强，因而也开发了不少 能够适用于建筑金属结构分析设计的软件。 同济大学开发的3 d 3 s 结构分析软件盯1 ，采用a u t o c a d 作为用户交互平台， 能够对梁系、网架网壳结构、桁架结构等结构形式提供结构设计与分析计算功能， 并能够出具较为完备的分析计算书。但该软件针对桁架结构的模型构建、模型优 化较为有限，且计算速度、系统稳定性还有待进一步完善。此外，其它国内结构 分析软件如浙江大学的m s t 、中国建筑科学研究院的p k p m 等虽然能够提供适用 于桁架结构设计的计算功能，然而由于并非专门针对桁架结构设计所开发，因而 应用范围相对有限。 1 2 3 建筑金属桁架结构c a d 软件不足之处及发展趋势 由以上分析可以看出，国外结构c a d 软件由于起步较早，发展已相对成熟， 有较强的通用性和较广的适用面，与一些流行的c a d c a e 系统集成较好，能够为 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 用户提供丰富而且较为完备的结构分析工具集；国内结构c a d 软件起步晚，但行 业应用针对性强，且有中国本土性优势，因而也有一定的发展空间。但总的来看， 现有建筑金属桁架结构c a d 软件针对建筑金属桁架结构的辅助设计还有待进一步 完善，主要表现在： 行业针对性相对不强，缺乏提供建筑金属桁架结构设计的整体解决方案， 不利于提高工程应用设计效率。对用户专业水平要求较高，部分功能操作烦琐， 因而需要一个较长的软件学习周期。 与流行的c a d c a e 等辅助类软件以及其它优秀同类分析设计软件的集成 化程度一般较低，使其使用范围受限。 结构分析前后处理功能相对较弱，降低了用户工程应用设计的效率，同时 在一定程度上增加了工程设计出错的概率。 求解器效率较低、适应范围有限。许多结构辅助分析软件，特别是国内一 些软件的求解器效率相对较低，工程适用范围较为有限，对于大中型结构或工况 较为复杂的结构分析效果不太令人满意。 对结构的优化设计能力有限，往往注重结构的安全性而忽视了结构的经济 性，对于不断强调降低工程成本、增强企业竞争力的今天，难以获得令人满意的 设计方案。 缺乏强大的后处理功能，结果数据处理工作量大，缺乏完善的数据统计、 综合分析，对配件自动设计以及图纸、报表、计算书的自动生成缺乏较好支持。 至此，我们可以总结出建筑金属桁架结构c a d 软件的几点发展趋势： 建筑金属桁架结构c a d 软件向行业专用化方向发展，应能为建筑金属桁 架结构分析设计人员提供成套行业应用解决方案，并能为用户提供精确完整的行 业技术数据以及应用工具集。 建筑金属桁架结构c a d 软件应有充分集成能力，应能提供与流行c a d c a e 等辅助类软件以及其它优秀同类分析设计软件的集成。 建筑金属桁架结构c a d 软件应能提供可视化的前置工程建模和后置配件 设计、计算结果数据处理功能。随着计算机技术和结构分析技术的发展，整个计 算系统用于求解运算的时间越来越少，而数据准备和运算结果的处理问题却日益 突出，因而开展对结构分析前后处理可视化技术的研究，对提高工程设计人员工 作效率将很有帮助。 建筑金属桁架结构c a d 软件对结构优化设计功能的完善与发展，以满足 对结构安全性和经济性的双重要求。 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 3 论文研究的目的和内容 1 3 1 论文研究的目的 针对建筑金属桁架结构设计领域，从建筑金属桁架结构特点出发，围绕建筑 金属桁架结构设计的切实需求，研究并开发建筑金属桁架结构计算机辅助设计系 统，为用户提供建筑金属桁架结构设计的行业整体解决方案，从而提高设计人员 工作效率、缩短设计周期、降低设计成本以及提高设计质量，并有效地降低工程 成本。 1 3 2 论文研究的内容 围绕建筑金属桁架结构计算机辅助设计系统的构建及其关键技术的研究，本 论文的主要研究内容如下： 本文首先分析了国内外同类软件的发展现状，总结了其发展趋势，并针对 建筑金属桁架结构特点及其计算机辅助工程设计需求，基于a u t o c a d 图形处理平 台，提出了一种四层体系结构的建筑金属桁架结构计算机辅助设计系统总体方案。 针对桁架结构分析中图形轮廓提取需求，在对桁架工程模型的几何特征和 拓扑特征进行分析的基础上，给出了一种基于图元优先级特征定义的二维图形轮 廓提取方法，并利用拓扑投影不变原理将其成功运用于三维图形轮廓提取，实现 了面积载荷向线载荷或点载荷的自动、快速分摊。 基于对建筑金属桁架结构工程模型特征分析的基础上，总结了工程建模的 基本原理，提出了一种基于特征域的工程分析建模方法，与矢量图形识别建模相 结合实现了建筑金属桁架结构的可视化工程建模，提高了工程应用分析的前置处 理效率，扩充了系统的工程应用面。 在针对图形轮廓自动识别技术、工程分析建模技术以及桁架结构优化设计 技术等关键技术研究的基础之上，以a u t o c a d 作为图形处理平台，开发了建筑金 属桁架结构计算机辅助设计系统，并通过一个工程应用实例证明了系统的适用性。 1 4 本章小结 本章首先介绍了课题的研究背景及意义，并对与本课题相关领域的国内外研 究现状进行了分析，总结了现有建筑金属桁架结构c a d 软件的不足及其发展趋势， 最后阐述了本论文的研究目的和主要内容。 6 重庆大学硕士学位论文2 建筑金属桁架结构c a d 系统方案设计 2 建筑金属桁架结构c a d 系统方案设计 本章首先从建筑金属桁架结构的特征、分析优化及节点设计分析出发，提出 了建筑金属桁架结构c a d 的三大基本需求。立足于建筑金属桁架结构的c a d 需 求，结合当前建筑金属桁架结构c a d 软件的发展趋势，提出了建筑金属桁架结构 c a d 系统的四大设计目标，并选取a u t o c a d 作为系统的运行支撑平台。基于 a u t o c a d 构建了系统的四层体系结构，完成了系统的功能体系设计，并对系统功 能体系的四大应用功能模块进行了详细设计。 2 1 建筑金属桁架结构分析及其c a d 需求 2 1 1 建筑金属桁架结构特点分析 随着建筑金属桁架结构造型的日趋复杂化与多元化，人们对其结构设计与分 析也提出了新的、更高的要求，使得结构设计与分析的难度和工作量也随之增加。 对建筑金属桁架结构进行分析，并将其进行分门别类，研究其分析设计特点，是 实现建筑金属桁架结构c a d 软件的可视化工程建模、工况组合求解以及优化设计 的前提。 建筑金属桁架结构的分类 4 1 建筑金属桁架结构被广泛的用作幕墙、采光顶、屋架等的支撑骨架结构，通 常由杆件直接相贯焊接而成。主要承受覆盖面板传来的风、活、雪、地震等面积 载荷，或直接作用的单元载荷、节点载荷，并将其传递到建筑主体结构。建筑金 属桁架结构根据杆件布置及受力特性的不同，可分为平面桁架结构和空间桁架结 构。 1 ) 平面桁架结构 平面桁架结构的上弦杆、下弦杆和腹杆都在一个平面内，其自身平面内具有 较强的刚度，能够承担很大的横向载荷。而结构平面外刚度较差，往往需要通过 侧向支撑保证结构的稳定性。平面桁架结构主要包括三角形桁架、梯形桁架及平 行弦桁架等。 a 三角形桁架。三角形桁架一般用于坡度较大的屋架。在一些降雪量大，雨 水量大的地区建造房屋的屋盖较多采用这种形式，有单侧均匀充足采光要求的工 业厂房屋盖和有较大悬挑的雨蓬等也采用这种形式。除如图2 1 ( d ) 所示悬挑式桁架 外，三角形桁架端部不能承受弯矩，整体上杆件截面利用不尽合理，因而一般用 于跨度不大的情况。 7 重庆大学硕士学位论文 2 建筑金属桁架结构c a d 系统方案设计 ( a ) ( c ) 图2 1 平面三角形桁架 f i g 2 1p l a n et r i a n g l et r u s s b 梯形桁架。梯形桁架的外形可以调整到与弯矩分布的图形相近似，无论是 简支桁架还是连续桁架，都可以使得大部分弦杆的内力比较均匀，因而效率较高。 梯形桁架端部有一定高度，上下弦杆都与柱子或其他支撑结构相连，上下弦杆的 拉压轴力形成一对力偶，可以抵抗端弯矩，类似两端刚接的抗弯构件，对结构整 体提供较大的刚度。梯形桁架广泛地应用于较大跨度的屋架，桥桁等结构。这种 桁架用于屋架时，由于上弦坡度较小，要注意屋面对于防水的要求。 风六仄肉 ( a ) 边么 全训 ( c ) 两六六风 图2 2 平面梯形桁架 f i g 2 2p l a n et r a p e z o i dt r u s s c 平行弦桁架。平行弦桁架也称矩形桁架，其上下弦杆平行，腹杆长度一致， 杆件类型少，易满足标准化、工业化制作的要求。这种形式多用于桥桁，厂房中 的托架，抗风桁架等。平行弦桁架端部上下弦杆均与柱相连时，可以负担弯矩。 空间桁架多采用平行弦桁架形式。 8 重庆大学硕士学位论文 2 建筑金属桁架结构c a d 系统方案设计 ( c ) v n 。n n 。树州 、 ( e ) 图2 3 平面平行弦桁架 f i g 2 3p l a n ep a r a l l e l - c h o r dt r u s s ( d ) 2 ) 空间桁架结构 与平面桁架结构相比，空间桁架结构的上弦杆、下弦杆和腹杆不在一个平面 内，空间桁架结构能够具有更大的跨度，结构的稳定性好，扭转刚度大且外表美 观。对于不能或不方便布置平面外支撑的场合，空间桁架结构显得尤为重要。 节点类型噶1 桁架结构的杆件由拉杆和压杆组成，能充分利用材料的强度，在跨度较大时 可比实腹梁节省材料，可以减轻自重和增大结构刚度，通常按轴力相交于节点中 心的铰接桁架进行设计。为避免次应力的产生，通常的做法是调整节点，使腹杆 的中心线相交于主杆( 弦杆) 的中心线上，可以避免节点产生偏心相交，从而避免了 偏心弯矩的作用。 桁架节点的构造是影响桁架结构性能的重要因素，桁架结构节点从杆件空间 关系来说，可以分为平面节点和空间节点两大类。平面节点是指主管和所有支管 均位于一个平面内，而空间节点就是指节点处有平面外的支管连接。平面节点的 常用类型包括：x 形、t 形和y 形、k 形和n 形以及派生得到的k t 形；空间节 点的常用类型包括：，兀形、k k 形等。 9 重庆大学硕士学位论文 2 建筑金属桁架结构c a d 系统方案设计 一 一一 ( b ) t 形和y 形 ( c ) k 形和n 形 图2 4 平面桁架节点 f i g 2 4j o i n t so f p l a n et r u s s ( a ) t t 形 ( b ) k k 形 图2 5 空间桁架节点 r i g 2 5j o i n t so fs p a c et r u s s 节点连接形式噶1 桁架节点一般采用全焊接连接，腹杆需要根据弦杆的形状和尺寸进行切口处 理，根据腹杆之间是否重叠可将连接节点分为间隙接头和搭接接头。间隙接头的 腹杆断面仅需一次切割成形，如弦杆为圆管时，腹杆截面需切割成空间的相贯切 口；弦杆为矩形管时，腹杆截面需切割成平面的相贯切口。搭接接头的腹杆不仅 需要考虑与弦杆的相贯，还需要考虑相互之间的搭接，截面往往需要二次切割成 形。从制作成本上来讲，间隙接头最低，其次是全搭接接头，部分搭接接头成本 最高。 1 0 重庆大学硕士学位论文2 建筑金属桁架结构c a d 系统方案设计 丝鹾丝髦 ( a ) f h j 隙接头 图2 6 桁架节点连接形式 f i g , 2 6c o n n e c t i o nf o r m so f t r u s sj o i n t ( b ) 搭接接头 杆件截面形式噶3 桁架杆件常用的截面形式包括：圆管、方管和矩形管，根据杆件截面形式的 不同，可将桁架结构分为以下三种形式：c 。c 型桁架，即腹杆和弦杆均为圆管相贯 连接；r - r 型桁架，即腹杆和弦杆均为方管或矩形管相贯连接；c r 型桁架，即圆 形截面腹杆和方形或矩形截面弦杆相贯连接。当弦杆为方管或矩形管时，腹杆截 面为一平面切口，加工、装配简单；弦杆为圆管时，腹杆截面为一空间相贯切口， 需要数控切割成形。 桁架结构设计 桁架结构被广泛的用作幕墙、采光顶、屋架等的支撑骨架结构，对桁架结构 的分析计算，其基本假定可归纳为：节点通常视为铰接点；结构承受空间面积载 荷、单元线性载荷或节点载荷；结构按“小挠度 理论计算，按弹性方法分析嘲。 材料都按处于弹性受力状态而未进入塑性状态计算，即不考虑材料非线性性质。 考虑桁架结构的安全性和经济性，需要进行杆件的优化设计，以获得较高的桁架 结构性能；考虑杆件加工、施工的实际需要，需要进行节点腹杆相贯线计算，指 导杆件截面的数控切割成形；考虑边界约束情况，需要完成支座设计。 2 1 2 建筑金属桁架结构c a d 需求 建筑金属桁架结构设计特点 1 ) 拓扑性质描述困难。桁架结构布置灵活、造型丰富、结构体型复杂、形式 多样，所以结构的几何拓扑性质描述困难。 2 ) 数据处理量大。桁架结构体积大、杆件多，参与分析计算的单元数量多， 结构支承和荷载条件复杂。因此，原始数据的输入、计算和结果数据的处理工作 量大。 3 ) 优化设计难度大。桁架结构分析设计的规模大，参与优化设计的杆件数量 多，对优化设计的时效性要求高。通过杆件截面的优化，需要获得结构较好的安 全性和经济性，因此，其分析优化设计算法构造难度大。 4 ) 施工图和机械加工图设计复杂。桁架杆件需要前期在工厂制作成形，因此， 重庆大学硕士学位论文2 建筑金属桁架结构c a d 系统方案设计 设计人员不仅要完成施工图设计，而且还应完成机械加工图设计。 这些工作如果都由人工来完成，其工作量是相当大的，而且通常只能采用精 度较低的近似计算、查找设计图表等方法完成，从而影响了设计质量的提高。同 时，由于其布置灵活、造型丰富，结构体型复杂以及形式多样的特点，使结构设 计的难度增大，工作量、计算量也随之显著增加。 建筑金属桁架结构计算机辅助设计的一般流程 建筑金属桁架结构计算机辅助设计一般流程包括三大步骤：前置处理、分析 计算、后置处理们h 。前置处理，即计算机辅助建模( c a m ) ，主要包括模型构建， 定义材料特性、单元截面特性，确定模型边界约束和载荷转换等。分析计算，即 计算机辅助分析( c a a ) ，主要包括刚度矩阵的计算和装配，节点载荷向量的生成， 方程组求解以及单元内力、应力、应变的计算，根据内力信息进行优化设计等。 后置处理，即计算机辅助分析后处理( c a p ) ，主要包括配件设计、支座设计，单元 位移变形、单元弯矩插值计算及支座反力计算，结构杆件强度、刚度、稳定性校 核，图纸及计算报告书的生成等。建筑金属桁架结构c a d 典型流程如图2 7 所示。 优化设计 图2 7 建筑金属桁架结构c a d 典型流程 f i g 2 7t y p i c a lp r o c e s s e so f c a df o rc o n s t r u c t i o nm e t a lt l t l s ss t r u c t u r ed e s i g n 建筑金属桁架结构c a d 需求 综合以上分析，可以得出：建筑金属桁架结构计算机辅助设计应能支持对桁 架结构进行包括模型分析前置处理、模型分析优化以及模型分析后置处理等三大 部分功能的支持。 1 ) 前置处理。提供对建筑金属桁架结构的工程建模支持，主要包括：基于模 型几何特征分析的几何模型生成，材料相关参数与截面规格的定义与单元属性设 置，面积载荷向单元载荷或节点载荷的转化，确定模型边界条件约束，确定模型 外力及工况组合。 1 2 重庆大学硕士学位论文2 建筑金属桁架结构c a d 系统方案设计 2 ) 分析优化。提供对建筑金属桁架结构的线性有限元分析求解的支持，完成 模型组成杆件内力、节点位移的分析计算；依据设计目标，对桁架结构杆件进行 优化设计，在既定条件下获得最优的结构尺寸。 3 ) 后置处理。提供杆件截面相贯设计、支座设计，对模型单元内部位移、弯 矩的插值计算，结构的强度、刚度、稳定性校核，自动绘制工程施工图和机械加 工图，并将整个分析设计结果以图纸、报表、计算报告书的形式呈现给用户。 2 2c a d 图形支持平台及其二次开发技术 2 2 1c a d 支撑软件的选择 在软件开发