基于ACA软件的结构设计与分析前处理模块开发

张继锋 廖泽邦 张 昕 汪丛军

(上海凯德数值信息科技有限公司 200080)

1 引言

建筑设计是建筑、结构、水暖电各专业相互配合、协同工作完成项目的过程,而 CAD软件在建筑设计过程中已经得到了普及应用。建筑 CAD的发展趋势是专业化、智能化和集成化。建筑设计企业及相关研究机构在集成化设计领域均花费了巨大的精力,本文基于 ACA这一建筑专业 CAD软件,研究了建筑和结构设计集成的可能性。

ACA是 AutoCAD Architecture的简称,是一款在 AutoCAD软件基础上开发的采用了 BIM[1]技术的建筑设计与绘图软件。它的建模方式是从两维生成三维,与传统的两维方式比较接近。但其采用了面向对象的技术,即:构件在 ACA软件中都是对象(如图1所示),并且可在对象上添加属性,使得每个构件都可以有很多不同的属性,如:截面属性、材料属性等。而这些属性都是跟构件紧密结合在一起的,即结构属性成为了构件属性的一部分。

国际标准 IFC致力于为建筑信息模型(BIM)提供一致的描述,国际上也有相应的基于 IFC集成各专业设计的研究。然而,笔者认为,各专业模型有其独特性,如建筑与结构模型在墙、柱等构件部位相互重叠,结构分析模型又须考虑计算对模型的要求,因此,结构工程师实际上是参考建筑师的设计成果建立结构模型。本文的结构设计模块开发原则即是能够直接参照建筑模型建立结构模型。

图1 ACA软件中的对象

ACA中建模更加直观,可以减少错误并提高工作效率。而与 AutoCAD软件的无缝连接使得熟悉AutoCAD软件的建筑师和结构工程师上手也比较容易。但因为其主要面向建筑师,缺少结构上的建模功能,所以,为了能使结构工程师也能充分的利用ACA软件,减少重复劳动,实现建筑与结构设计的集成化,我们开发了 ACA软件的结构模块。结构模块菜单的形式如图2所示。

图2 ACA结构模块菜单

2 结构模块功能概览

ACA软件的结构模块是在充分利用 ACA现有功能的基础上采用 DOT NET API开发的[2-5],使其更加适合结构工程师进行结构建模。其主要功能有:

(1)以表格数据形式建立轴网系统,以及显示和隐藏轴线编号;

(2)自动生成楼板;

(3)提取构件结构信息的功能,并添加了一些构件的额外结构属性;

(4)添加构件材料信息;

(5)添加构件荷载以及荷载隐藏和显示;

(6)根据层高更新楼层构件;

(7)导出 ETABS格式模型文件。

下面按照结构建模的基本步骤对此模块的结构功能进行较详细的介绍。

2.1 轴网功能

根据 ACA软件自带的轴网功能,我们添加了通过表格形式输入轴线数据的功能,使得轴网的建立更加直观和方便,如图3。添加轴线编号以后,还可根据需要显示和隐藏轴线的编号。

2.2 构件布置和定义

2.2.1 构件布置

通过自动在轴线上添加辅助线的方法,可以直接在轴线上布置梁和墙构件。柱布置则通过直接点选轴网的节点生成柱。结合 ACA软件的项目功能,我们实现了柱的长度和墙的高度自动同当前层的层高一致,而且梁自动生成在当前层的层高位置。楼板的生成基于轴网,以轴网的格子为模板(包括位置和形状),同样自动生成在层高的位置。

图3 轴网数据输入表格

图4 通过样式列表给构件设置具体的样式

2.2.2 构件样式

构件布置时构件样式会自动采用 ACA软件中默认定义的“Standard”样式。通过方便的获取 ACA软件提供的“结构杆件目录”或“结构杆件样式向导”给梁和柱构件添加截面样式。“目录”中已经提供了很多标准的截面,但没有提供中国标准的截面尺寸,可以通过“向导”来自定义截面尺寸。

在定义了样式以后,就可以选择样式,并赋给构件。可以一次把一个样式多次赋给多个构件。样式设置的菜单如图4所示。

2.2.3 构件的结构属性

对于柱构件,我们定义了其起点和终点的偏移距离,以及是否需要传递刚度的属性。对于墙,则定义墙的结构形式,即是剪力墙(1.PIER),还是连梁(2.SPANDEL)。对于楼板和墙,还需要定义面的类型,即是壳 (1.SHELL),还是膜 (2.MEMBRANE)。

注:所有的材料和类型定义(包括后面的荷载定义)都可以在构件“特性”的“扩展数据”选项卡中找到,并可直接对其中的数据进行编辑。在材料和类型定义之前,要先布置结构杆件、墙和楼板等。图5给出了墙构件的结构特性对话框。

图5 墙的特性输入

2.2.4 构件的材料定义

材料定义首先对每个构件进行预定义,即对构件定义材料模板。每次打开模型只能对材料预定义一次,默认生成混凝土材料。在进行具体构件的材料定义时,可以按照构件的类型(如:梁、柱、墙和楼板等)进行构件的材料定义。

注:材料名称的命名规则与 ETABS相同,如:混凝土(CONC),钢材(STEEL),Q235,C40等。构件材料定义的对话框如 6。

图6 构件的材料定义

2.3 荷载定义及布置

荷载的输入采用先定义、布置,再更新的方式。包括各种荷载形式(点荷载、线荷载、面荷载等)和荷载工况(恒载和活载)的定义以及显示。荷载在布置以后,将作为构件属性的一部分。

2.3.1 荷载定义

定义各种荷载形式,包括点荷载、线荷载、面荷载等,同时以示意图的形式显示荷载。

荷载形式包括恒点荷载、活点荷载、恒线荷载、活线荷载、柱的竖向恒载、柱的竖向活载、恒面荷载和活面荷载。面荷载定义后会直接在所有楼板上显示荷载的值。其中点荷载和线荷载采用 ETABS的形式输入。即:每次都需给出四个位置点及其上的荷载值和荷载的方向。图7给出了恒点荷载定义时的输入表格。

图7 点荷载恒载输入表格

2.3.2 荷载布置

选择定义的一种荷载形式,可以把其中的定义荷载值布置到任意多的构件上,并且会直接在图形中显示荷载。与荷载定义对应,在修改荷载值之后(选中构件,在右键菜单中选择“特性”,在“特性”的“扩展数据”选项卡中可以修改施加荷载的位置和荷载值),可以随之更新荷载的显示。构件荷载数据的属性位置如图8所示。荷载显示方式为:点荷载以箭头的形式显示,线荷载以尾端相连的箭头形式显示,面荷载则直接在楼板上显示荷载值。

2.3.3 荷载显示控制

实现了各类荷载的隐藏和显示功能。可以显示和隐藏恒载、活载、点荷载、线荷载、面荷载或全部荷载。

图9 ACA中楼层组装的实例

图10 从ACA软件导入到 ETABS软件的实例

2.4 生成 ETABS文件

楼层的组装和显示直接由 ACA软件的项目管理功能实现。图9给出了一个显示荷载的楼层组装图。左图为平面图,右图为组装之后的三维显示图,右图中的红色部分表示荷载。

2.4.1 更新楼层

若某些楼层类似,可以通过复制构件到层的方法直接得到新的层构件。复制层时,若复制层与目标层的层高不同,可以根据目标层的层高对柱的长度、梁的位置和墙的高度进行自动更新。

2.4.2 生成 ETABS文件

通过按照楼层的标高从小到大的顺序获取各个楼层的构件信息和荷载信息完成楼层组装,生成ETABS文本文件。生成的 ETABS文件拥有默认的分析选项,可以直接导入到 ETABS中进行恒载和活载工况的结构计算。图10给出了图9所示模型在导入到 ETABS中以后的 ETABS模型图。

3 结语和展望

对国内的建筑行业来说,ACA软件因其从二维到三维的特性,是一个很好的部署 BIM的平台。本文在 ACA建筑软件的基础上进行了结构模块的开发,建立了 ACA的结构建模的基本功能和模型导出功能,实现了基本的结构建模及与ETABS结构分析软件的接口。在 ACA中建立结构模型,材料、样式和荷载都作为构件的属性,因此可以很方便的得到结构模型信息。接下来我们将进一步完善 ACA软件的结构建模功能,以使其能完成更加复杂的建模工作。同时我们也在考虑,把结构计算的结果重新导入到 ACA中,把构件的内力信息也作为属性添加进来,进而实现在 ACA中直接出施工图的功能。

[1]Autodesk BIM,http://www.autodesk.com.cn

[2]Autodesk系列产品开发培训教程,秦洪现,崔惠岚,孙剑等编,化学工业出版社,2008

[3]http://through-the-interface.typepad.com/

[4]Autodesk ADN网络,http://adn.autodesk.com/

[5]AutoCAD DOT NET讨论组,http://discussion.autodesk.com/