梯形钢屋架计算机辅助设计系统研究

龙 天 王子茹*

(大连理工大学建设工程学部，辽宁 大连 116024)

·计算机技术及应用·

梯形钢屋架计算机辅助设计系统研究

龙 天 王子茹*

(大连理工大学建设工程学部，辽宁 大连 116024)

针对梯形钢屋架计算机可视化辅助设计问题展开了研究，依据设计规范，基于OpenGL三维图形库和ANSYS接口编程等技术，采用面向对象软件设计技术实现了梯形钢屋架三维可视化辅助设计系统，通过实例验证取得了良好的效果。

钢屋架，OpenGL，可视化，ANSYS

随着计算机硬件与软件技术的迅猛发展，计算机辅助设计在建筑领域的应用也得到了长足的发展。目前一般钢结构设计常用的软件有PKPM-STS，该软件是中国建筑科学研究院开发的集平面空间于一体的功能强大的以钢结构计算为主导的建筑软件，是目前国内应用最广泛，被绝大多数设计院所认可的钢结构计算程序之一。还有适合于网架结构设计的SFCAD或MST软件和适用于桁架结构设计的3D3S软件。

系统的设计在已有研究成果的基础上，针对梯形钢结构屋架三维可视化辅助设计问题，以Visual C++6.0作为开发平台，采用面向对象编程技术，以对话框的形式输入屋架设计参数、杆件、节点的设计和校核。通过编写Visual C++与有限元软件ANSYS的接口程序，实现了对ANSYS的后台调用并提取计算结果作为杆件构件和节点设计依据。根据设计结果应用OpenGL图形标准技术构建杆件和节点的三维模型，从而形成钢结构屋架的三维可视化辅助设计系统。

1 系统的结构与功能设计

1.1 系统的总体结构

系统的总体结构如图1所示。整个系统主要由以下三个功能模块组成：1)设计参数输入模块。包括结构选型，荷载计算，材料参数。2)杆件与节点设计模块。主要包括内力计算，杆件设计校核，节点选型校核，设计报告。3)三维模型建立模块。包括杆件模型构建，节点模型构建，模型的组装与显示。

1.2 系统的主要功能设计

1)设计参数输入模块。

a.选型参数的确定。在屋架参数界面，设计人员只需输入跨度L，屋面坡度i，屋架端部高度H0等几个控制参数即可完成屋架的选型。程序根据这些控制参数即可计算出屋架各点的点和杆件的信息，并分别通过自定义的节点类CNode和单元类CElement负责屋架结构的几何信息及点和单元、点和点之间的几何拓扑关系信息的处理和储存。

b.荷载确定及钢材选用。系统根据屋架荷载的特点设计荷载计算界面，并按照《建筑结构荷载规范》[2]的规定，定义各项荷载的分项系数和荷载设计值的计算公式。设计人员仅需对应输入各项荷载，然后载入设计分项系数，系统即可计算出最不利的集中荷载设计值。

各种型号钢材的参数已根据《钢结构设计规范》[3]预先在程序中定义。用户只需通过直接选择钢材型号后点击输入完成按钮即可完成材料参数的输入。

2)杆件和节点设计模块。

a.内力计算。结构的内力计算根据桁架计算分析所采用的计算假定[1]选取Link1单元用于有限元分析。用户在完成设计参数的输入后，程序可根据屋架结构的几何信息和拓扑关系输出相应的APDL命令流文件，并以后台调用ANSYS的方式对屋架结构内力的有限元计算分析。

b.杆件的设计与校核。杆件设计：在程序中定义角钢类CAngleSteel来管理各类角钢的几何信息，用户在载入杆件数据后对杆件截面进行选择。

杆件校核：通过传递程序中设计数据，采用I/O流读取ANSYS输出的计算结果，并以列表控件中报表的形式实现对杆件的校核功能，并在完成校核后可根据用户需要自动输出杆件的选型报告。

c.节点的设计与校核。用户通过编辑框输入各个构件的尺寸参数，并为各构件添加详图图例，以方便用户输入各尺寸设计参数。在确定完节点板的设计参数输入后，在校核界面中完成对相应节点构件的校核工作。

3)三维建模模块。

在CSRoofView类中将杆件和节点相应的绘制代码封装在DrawJG( )，DrawZZJD( )和DrawPJJD( )等绘制函数中，并在RenderSence( )函数中采用矩阵堆栈的技术，根据杆件和节点的坐标、几何拓扑关系和节点处的构造线性实现角钢和节点等三维模型绘制和整体模型的组装。

2 系统中的关键问题及技术

2.1 VC6.0与ANSYS的接口技术[4]

系统通过VC++对APDL和ANSYS的批处理功能对软件进行后台封装，应用Win32 API函数CreateProcess( )函数来为ANSYS创建一个新的进程，并对注册表进行编程来实现程序自动修改ANSYS的文件路径及文件名。最终实现以后台调用ANSYS的方式对屋架结构内力的有限元计算分析，并以*.txt的文件格式输出计算结果。

2.2 三维建模技术

三维建模技术是实现三维可视化设计的一个重要基础，系统通过MFC的窗口平台实现OpenGL三维模型的构建和显示。

模型构建[5，6]如下：

杆件模型：程序根据规范《热轧型钢》[7]所规定的角钢截面形式编写杆件模型的绘制函数。对角钢肢端弧面和内弧面采用三阶Bézier曲面进行模拟，采用GL_QUAD(四边形)和GL_POLYGON(多边形)图元绘制其他各面。最后，选用OpenGL中的渲染技术对模型渲染以提高真实感。完成渲染的双角钢杆件模型如图2所示。

节点模型：在DrawZZJD( )和DrawPJJD( )等函数中完成节点模型的绘制工作，节点中各构件的绘制同样通过采用上述几种基本图元完成。用户在节点设计界面中输入相应的参数，程序根据各构件几何和位置参数对完成节点模型的绘制。

整体模型的组装：结构整体模型的建立采用了OpenGL中矩阵堆栈的技术，通过分别绘制各杆件和节点的模型最终以层次建模的方式实现。程序读取结构各节点和杆件的几何信息和拓扑关系，再结合节点处相应的构造信息分别以每个节点为基础建立其节点模型和相应的杆件模型，如图3所示为支座处节点整体模型的组装。

3 系统应用

3.1 基本设计资料

某单层单跨工业厂房，跨长L=24，总长60 m。冬季计算温度高于-20 ℃。厂房中没有设置吊车，且不需地震设防。屋面材料包括1.5 m×6 m的预应力混凝土大型屋面板，10 cm厚泡沫混凝土保温层和卷材屋面。雪荷载0.40 kN/m2，屋面积灰荷载0.75 kN/m2。屋架铰支于钢筋混凝土柱上，柱截面400 mm×400 mm，混凝土等级C20。钢材选用Q235-B。采用E43型焊条，手工焊接。

由于采用大型屋面板作为屋面材料，故选用无檩体系平坡梯形屋架形式。屋面坡度i=1/10。屋面计算跨度L0=L-300=

23 700 mm。端部高度H0=1 990 mm，中部高度H=3 190 mm。屋架几何尺寸如图4所示。

3.2 设计与实现

首先，根据本文1.2中所叙述的步骤对屋架进行结构选型、荷载和材料参数输入、内力计算、杆件和节点设计及校核，最终完成的屋架整体模型如图5所示。

4 结语

本文基于MFC应用程序框架，采用开放式三维图形标准，依据国家相关技术规范，研究基于OpenGL图形技术的梯形钢屋架三维可视化辅助设计系统，建立了以对话框的形式输入屋架设计参数、杆件和节点的设计及校核。应用了Visual C++与有限元软件ANSYS的接口，实现了对ANSYS的后台调用，并提取计算结果作为杆件构件和节点设计依据，设计和实现了钢屋架杆件和节点的三维模型构建。系统的可视化结果具有三维真实感，而且系统具有操作简便的特点。整个钢屋架的计算机辅助设计过程，可以为设计者提供可视化成果，为钢屋架的设计提供一种新方法，对设计方案优选具有一定的参考价值。

[1] 牟在根.简明钢结构设计与计算[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2] GB 50009—2012，建筑结构荷载规范[S].

[3] GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].

[4] 吴晓涵.面向对象结构分析程序设计[M].北京：科学出版社，2002.

[5] 和克智.OpenGL编程技术详解[M].北京：化学工业出版社，2010.

[6] Dave Shreiner，Mason Woo，Jackie Neider，et al. OpenGL编程指南[M].徐 波,译.第6版.北京：机械工业出版社，2008.

[7] GB/T 706—2008,热轧型钢[S].

[8] 刘声扬.钢结构原理与设计[M].武汉：武汉理工大学出版社，2005.

Research on computer aided design system of trapezoid steel roof truss

Long Tian Wang Ziru*

(FacultyofInfrastructureEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

This paper researched the computer visualization aided design problems of trapezoid steel roof truss, according to the design specification, based on OpenGL 3D graphics library and ANSYS interface programming technology, using the oriented object software design technology realized the 3D visualization aided design system of trapezoid steel roof truss, through the examples made good effect.

steel truss, OpenGL, visualization, ANSYS

1009-6825(2015)16-0257-02

2015-03-25

龙 天(1989- )，男，在读硕士

王子茹(1955- )，女，博士，博士生导师，教授

TP319

A