簡(jiǎn)介： 介紹鋼結(jié)構(gòu)CAD 軟件STS 的研究開(kāi)發(fā)目的、技術(shù)條件,以及STS 軟件的功能和應(yīng)用情況。
關(guān)鍵字：鋼結(jié)構(gòu)CAD 軟件　STS 軟件　PKPM 系列軟件

1 　STS 軟件的研制目的

近年來(lái),我國(guó)鋼產(chǎn)量躍居世界第一位,建筑鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)也越來(lái)越突出。CAD 技術(shù)的發(fā)展和成功推廣表明,借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件來(lái)完成鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)和繪圖工作,一方面可以給工程設(shè)計(jì)提供精確的計(jì)算和繪圖工具,提高設(shè)計(jì)效率,使設(shè)計(jì)更加安全經(jīng)濟(jì),另一方面也必將對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展起到很大的促進(jìn)作用。

PKPM 系列軟件是國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣的一套一體化CAD 軟件,曾獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng),是國(guó)內(nèi)唯一自主平臺(tái)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng),現(xiàn)在已經(jīng)成為了一個(gè)包括建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備設(shè)計(jì),在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中又包括多層和高層、工業(yè)廠(chǎng)房和民用建筑、上部結(jié)構(gòu)和各類(lèi)基礎(chǔ)在內(nèi)的綜合CAD 系統(tǒng),并正在向集成化和智能化的方向發(fā)展。在這種情況下,中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM CAD 工程部從1995 年5 月開(kāi)始組織力量,研究開(kāi)發(fā)自主版權(quán)的鋼結(jié)構(gòu)CAD 軟件STS ,該軟件的研制以PKPM CAD 工程部自主開(kāi)發(fā)的CFG中文圖形支撐系統(tǒng)為平臺(tái),以PKPM 系列軟件的PMCAD、PK 為基礎(chǔ)。STS 的功能要求為: 是一體化的CAD 軟件,功能包括從鋼結(jié)構(gòu)建筑的模型輸入、截面優(yōu)化、結(jié)構(gòu)分析、構(gòu)件強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、直到施工詳圖繪制;軟件可適用于多、高層框架,平面框架,連續(xù)梁,輕鋼門(mén)式剛架,排架,框排架,鋼桁架等多種結(jié)構(gòu)形式;軟件要求操作簡(jiǎn)單,自動(dòng)化程度高,界面友好,易學(xué)易用;施工圖詳圖以標(biāo)準(zhǔn)圖為準(zhǔn),并提供方便快捷的編輯工具;是PKPM 系列軟件的一個(gè)模塊,可以與其他模塊接口;先使STS 成為國(guó)內(nèi)主流的鋼結(jié)構(gòu)CAD 軟件,再擴(kuò)充國(guó)外規(guī)范版本,走向國(guó)際軟件市場(chǎng)。

2 　STS 軟件技術(shù)條件

作為專(zhuān)業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)軟件,必須符合國(guó)家現(xiàn)行的規(guī)范、規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)。STS 軟件的研制主要依據(jù)有: 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》( GBJ17 - 88) ; 《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》( GBJ18 - 87) ;《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(J GJ99 - 98) ;《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS102 :98) ; 《輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(DBJ08 - 68 - 97) ;另外,STS 軟件遵循常用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)圖的規(guī)定。

3 　STS 軟件功能簡(jiǎn)介

311 　模型輸入

STS 的模型輸入可以采用三維方法和二維方法。

三維建模采用人機(jī)交互方式,引導(dǎo)用戶(hù)逐層地布置各層平面和各層樓面,再輸入層高就建立起一套描述建筑物整體結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù),三維建模程序具有較強(qiáng)的荷載統(tǒng)計(jì)和傳導(dǎo)計(jì)算功能,除計(jì)算自重外,還自動(dòng)完成從樓板到次梁,從次梁到主梁,從主梁到承重的柱、墻,再?gòu)纳喜拷Y(jié)構(gòu)傳到基礎(chǔ)的全部計(jì)算,加上局部的外加荷載,可方便地建立起整棟建筑的荷載數(shù)據(jù)。三維建模提供的截面類(lèi)型有中國(guó)和世界各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)型鋼及其組合截面,焊接H 型鋼(包括楔形截面) 、圓管、箱形、Z 形、槽形等自定義截面,鋼管混凝土、鋼骨混凝土截面等豐富的截面形式,適用于各種結(jié)構(gòu)形式的需要。二維建模數(shù)據(jù)可以由三維建模的數(shù)據(jù)生成的平面框架、連續(xù)梁的數(shù)據(jù)文件自動(dòng)生成,也可以用人機(jī)交互方式生成,能方便地建立起平面桿系結(jié)構(gòu)的模型。

二維人機(jī)交互建模可以建立各種類(lèi)型平面桿系的框架、門(mén)式剛架、排架、框排架、桁架、支架、連續(xù)梁等多種結(jié)構(gòu)形式的模型,對(duì)于門(mén)式剛架、框架、桁架、弧形軸線(xiàn)還提供了快速輸入向?qū)��?lái)快速輸入,可以輸入各種作用形式的恒載、活載、風(fēng)荷載(可以自動(dòng)布置) 、吊車(chē)荷載(包括抽柱吊車(chē)荷載) 和地震計(jì)算參數(shù)。二維建模提供的截面類(lèi)型除了三維建模的截面類(lèi)型外,還包括冷彎薄壁型鋼及其組合截面,實(shí)腹式組合截面,格構(gòu)式組合截面,組合梁,任意截面等類(lèi)型。

312 　截面優(yōu)化

截面優(yōu)化就是在滿(mǎn)足規(guī)范要求的前提下,尋找用鋼量最小的截面尺寸。STS 軟件可以對(duì)輕鋼門(mén)式剛架和鋼桁架進(jìn)行截面優(yōu)化。門(mén)式剛架中常采用變截面構(gòu)件,所以?xún)?yōu)化的約束變量有大端、小端高度,上、下翼緣寬、厚,腹板厚度7 個(gè)因素,STS 軟件能在自動(dòng)或人工定義的變化范圍內(nèi),快速地尋找到用鋼量最小的截面尺寸。桁架優(yōu)化可以進(jìn)行桿件分組,分為一組的桿件在優(yōu)化后具有相同的截面。優(yōu)化程序速度快,適用性較好。

313 　結(jié)構(gòu)分析和構(gòu)件驗(yàn)算

STS 的三維、二維建模數(shù)據(jù)可以分別接口三維分析程序和平面桿系分析程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和構(gòu)件驗(yàn)算。三維分析程序包括PKPM 系列軟件的空間分析設(shè)計(jì)軟件TAT 和SATWE ,二維分析程序是STS 軟件自帶的平面桿系分析程序。

結(jié)構(gòu)分析和構(gòu)件驗(yàn)算時(shí)程序自動(dòng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析和組合,進(jìn)行構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性驗(yàn)算。STS 的平面桿系分析程序可以按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》, 《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》, 《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》, 《輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》來(lái)進(jìn)行構(gòu)件驗(yàn)算(后兩種規(guī)程適用于輕鋼門(mén)式剛架) 。

314 　節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和施工詳圖繪制

在內(nèi)力分析完成后,STS 軟件可以延用三維、二維內(nèi)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和施工詳圖繪制。施工圖繪制是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作量很大的部分,STS 的施工圖根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圖編制,圖紙?zhí)峁┰敿?xì)的尺寸標(biāo)注,焊縫標(biāo)注,螺栓排列,零件編號(hào),以及材料表和圖紙附注說(shuō)明,還提供了專(zhuān)業(yè)的施工圖編輯工具。施工圖的繪制考慮了鋼結(jié)構(gòu)施工圖的特點(diǎn),繪圖采用了多種比例。

對(duì)于多、高層框架結(jié)構(gòu),可以用空間分析程序計(jì)算,也可以用平面桿系的分析程序計(jì)算,STS 分別根據(jù)這兩種內(nèi)力結(jié)果進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和繪制施工圖。節(jié)點(diǎn)連接形式包括梁柱剛接、鉸接節(jié)點(diǎn),柱腳剛接、鉸接節(jié)點(diǎn),主次梁剛接、鉸接節(jié)點(diǎn),梁拼接節(jié)點(diǎn)、柱拼接節(jié)點(diǎn)等,這些節(jié)點(diǎn)又分別提供了多種做

法供用戶(hù)選擇。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是采用人機(jī)交互的方式輸入節(jié)點(diǎn)形式,設(shè)計(jì)參數(shù),程序自動(dòng)計(jì)算螺栓數(shù)目,智能化的進(jìn)行螺栓排列,計(jì)算有關(guān)焊縫的長(zhǎng)度,厚度,自動(dòng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)加勁肋的設(shè)計(jì),用戶(hù)可以查詢(xún)、修改設(shè)計(jì)結(jié)果。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)后進(jìn)行梁、柱、節(jié)點(diǎn)的歸并,施工圖要包括梁施工圖,柱施工圖,柱腳和連接節(jié)點(diǎn)大樣圖。

對(duì)于輕鋼門(mén)式剛架,STS 能處理單跨、多跨、對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)門(mén)式剛架。梁、柱截面可采用焊接H 形等截面或楔形截面形式,節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提供4 種梁柱剛接節(jié)點(diǎn),2 種屋脊節(jié)點(diǎn),4 種柱腳節(jié)點(diǎn),以及梁的拼接節(jié)點(diǎn),柱牛腿的設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)可以全部自動(dòng)完成,用戶(hù)也可以修改節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)果,修改后還可以進(jìn)行驗(yàn)算。施工圖包括剛架整體施工圖,柱腳和連接節(jié)點(diǎn)剖面圖,異形腹板的放樣圖,以及構(gòu)件詳圖。

對(duì)于鋼排架,STS 能自動(dòng)收集吊車(chē)荷載,進(jìn)行柱牛腿的設(shè)計(jì),牛腿的尺寸允許用戶(hù)修改。施工圖包括排架柱施工圖,柱腳剖面圖,牛腿剖面圖。

對(duì)于鋼桁架,STS 能設(shè)計(jì)由雙角鋼,單角鋼,雙槽鋼,單槽鋼組成的各種形式的鋼結(jié)構(gòu)桁架。自動(dòng)作桁架的節(jié)點(diǎn)板連接設(shè)計(jì)和焊縫設(shè)計(jì)。畫(huà)桁架的正立面,俯視圖,節(jié)點(diǎn)大樣圖,現(xiàn)場(chǎng)拼接節(jié)點(diǎn)圖和材料表�？勺麒旒軐�(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì),圖面上詳細(xì)標(biāo)注支座構(gòu)造,構(gòu)件編號(hào),節(jié)點(diǎn)板尺寸,焊縫長(zhǎng)度和高度,填板數(shù)量等。設(shè)計(jì)的結(jié)果可以交互修改。可以預(yù)設(shè)桁架起拱高度。

對(duì)于鋼支架,STS 能設(shè)計(jì)由焊接H 型鋼、普通工字鋼、標(biāo)準(zhǔn)H 型鋼截面的立柱,雙角鋼,單角鋼截面的支撐組成的鋼結(jié)構(gòu)支架。自動(dòng)作支架的節(jié)點(diǎn)板連接設(shè)計(jì)和焊縫設(shè)計(jì)。畫(huà)支架的正立面,俯視圖,節(jié)點(diǎn)大樣圖和材料表。

315 　平面布置圖繪制、用鋼量統(tǒng)計(jì)

對(duì)于采用三維建模的框架結(jié)構(gòu),在三維計(jì)算和全樓節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)后,STS 軟件可以根據(jù)全樓梁、柱、節(jié)點(diǎn)的歸并結(jié)果,繪制各層梁柱平面布置圖,標(biāo)注梁、柱歸并號(hào),繪制各層構(gòu)件表和全樓構(gòu)件表。STS 還可以統(tǒng)計(jì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的梁、柱、支撐、次梁等構(gòu)件的重量,繪制鋼材訂貨表和鋼材報(bào)價(jià)表。對(duì)于采用三維建模的輕鋼門(mén)式剛架結(jié)構(gòu),STS 軟件可以用人機(jī)交互的方式布置屋面支撐、檁條、柱間支撐、墻梁,自動(dòng)布置拉條,從而可以自動(dòng)繪制屋面布置圖和墻面布置圖,統(tǒng)計(jì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的梁、柱、支撐、檁條、墻梁等構(gòu)件的重量,繪制鋼材訂貨表和鋼材報(bào)價(jià)表。

316 　吊車(chē)梁、檁條、墻梁等其他計(jì)算、繪圖工具

STS 軟件可以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)支實(shí)腹式鋼吊車(chē)梁,吊車(chē)梁截面可以是無(wú)制動(dòng)結(jié)構(gòu),有制動(dòng)板,有制動(dòng)桁架三種形式,可以自動(dòng)優(yōu)選吊車(chē)梁截面,可以繪制吊車(chē)梁施工詳圖。STS 軟件可以進(jìn)行冷彎薄壁型鋼檁條、墻梁的計(jì)算和施工圖繪制,可以用人機(jī)交互方式繪制屋面支撐、柱間支撐、隅撐、抗風(fēng)柱的施工圖以及相關(guān)連接節(jié)點(diǎn)的大樣圖。

317 　自主圖形平臺(tái),可與AutoCAD 圖形文件互相轉(zhuǎn)換

STS 是國(guó)內(nèi)唯一自主圖形平臺(tái)的鋼結(jié)構(gòu)CAD 軟件,軟件提供了專(zhuān)業(yè)的繪圖工具和方便的圖形編輯、打印環(huán)境,可以用OpenGL 方式來(lái)瀏覽結(jié)構(gòu)整體模型,并且可以將STS 軟件生成的T 圖形文件( PKPM 圖形文件格式) 轉(zhuǎn)化成Auto-CAD 的DWG圖形文件,也可以將AutoCAD 生成的DWG圖

形文件轉(zhuǎn)化成T 圖形文件在PKPM 環(huán)境下編輯修改。

4 　應(yīng)用情況

STS 軟件通過(guò)建設(shè)部組織的專(zhuān)家鑒定和金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)軟件登記,是建設(shè)部科技成果推廣項(xiàng)目,到2001 年已經(jīng)擁有1000 多家用戶(hù),已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的一套專(zhuān)業(yè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件。PKPM CAD 工程部還在加大對(duì)STS 軟件的開(kāi)發(fā)和投入力度,進(jìn)一步增強(qiáng)STS 軟件的功能和使用范圍,努力使STS 軟件成為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的必備工具,對(duì)提高設(shè)計(jì)的效率和安全性,對(duì)推進(jìn)我國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。