簡介： 近年來,我國鋼產(chǎn)量躍居世界第一位,建筑鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點也越來越突出。CAD 技術(shù)的發(fā)展和成功推廣表明,借助計算機輔助設(shè)計軟件來完成鋼結(jié)構(gòu)的計算機分析、優(yōu)化設(shè)計和繪圖工作,一方面可以給工程設(shè)計提供精確的計算和繪圖工具,提高設(shè)計效率,使設(shè)計更加安全經(jīng)濟,另一方面也必將對鋼結(jié)構(gòu)的進一步發(fā)展起到很大的促進作用。
關(guān)鍵字：PKPM

1 STS 軟件的研制目的

近年來,我國鋼產(chǎn)量躍居世界第一位,建筑鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點也越來越突出。CAD 技術(shù)的發(fā)展和成功推廣表明,借助計算機輔助設(shè)計軟件來完成鋼結(jié)構(gòu)的計算機分析、優(yōu)化設(shè)計和繪圖工作,一方面可以給工程設(shè)計提供精確的計算和繪圖工具,提高設(shè)計效率,使設(shè)計更加安全經(jīng)濟,另一方面也必將對鋼結(jié)構(gòu)的進一步發(fā)展起到很大的促進作用。

PKPM 系列軟件是國內(nèi)應(yīng)用最廣的一套一體化CAD 軟件,曾獲國家科技進步獎,是國內(nèi)唯一自主平臺的計算機輔助設(shè)計系統(tǒng),現(xiàn)在已經(jīng)成為了一個包括建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備設(shè)計,在結(jié)構(gòu)設(shè)計中又包括多層和高層、工業(yè)廠房和民用建筑、上部結(jié)構(gòu)和各類基礎(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,中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD 工程部從1995 年5 月開始組織力量,研究開發(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 工程部自主開發(fā)的CFG中文圖形支撐系統(tǒng)為平臺,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)件強度和穩(wěn)定性驗算、節(jié)點設(shè)計、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;軟件要求操作簡單,自動化程度高,界面友好,易學(xué)易用;施工圖詳圖以標準圖為準,并提供方便快捷的編輯工具;是PKPM 系列軟件的一個模塊,可以與其他模塊接口;先使STS 成為國內(nèi)主流的鋼結(jié)構(gòu)CAD 軟件,再擴充國外規(guī)范版本,走向國際軟件市場。

2 STS 軟件技術(shù)條件

作為專業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計軟件,必須符合國家現(xiàn)行的規(guī)范、規(guī)程和標準。STS 軟件的研制主要依據(jù)有: 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》( GBJ17 - 88) ; 《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(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)計規(guī)程》(DBJ08 - 68 - 97) ;另外,STS 軟件遵循常用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊、標準圖的規(guī)定。

3 STS 軟件功能簡介

311 模型輸入

STS 的模型輸入可以采用三維方法和二維方法。

三維建模采用人機交互方式,引導(dǎo)用戶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的荷載統(tǒng)計和傳導(dǎo)計算功能,除計算自重外,還自動完成從樓板到次梁,從次梁到主梁,從主梁到承重的柱、墻,再從上部結(jié)構(gòu)傳到基礎(chǔ)的全部計算,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型有中國和世界各國的標準型鋼及其組合截面,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)文件自動生成,也可以用人機交互方式生成,能方便地建立起平面桿系結(jié)構(gòu)的模型。

二維人機交互建�？梢越�立各種類型平面桿系的框架、門式剛架、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,對于門式剛架、框架、桁架、弧形軸線還提供了快速輸入向?qū)�來快速輸�?可以輸入各種作用形式的恒載、活載、風荷載(可以自動布置) 、吊車荷載(包括抽柱吊車荷載) 和地震計算參數(shù)。二維建模提供的截面類型除了三維建模的截面類型外,還包括冷彎薄壁型鋼及其組合截面,實腹式組合截面,格構(gòu)式組合截面,組合梁,任意截面等類型。

312 截面優(yōu)化

截面優(yōu)化就是在滿足規(guī)范要求的前提下,尋找用鋼量最小的截面尺寸。STS 軟件可以對輕鋼門式剛架和鋼桁架進行截面優(yōu)化。門式剛架中常采用變截面構(gòu)件,所以優(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 個因素,STS 軟件能在自動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行結(jié)構(gòu)分析和構(gòu)件驗算。三維分析程序包括PKPM 系列軟件的空間分析設(shè)計軟件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)件驗算時程序自動進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析和組合,進行構(gòu)件的強度、穩(wěn)定性驗算。STS 的平面桿系分析程序可以按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》, 《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》, 《門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)計規(guī)程》來進行構(gòu)件驗算(后兩種規(guī)程適用于輕鋼門式剛架) 。

314 節(jié)點設(shè)計和施工詳圖繪制

在內(nèi)力分析完成后,STS 軟件可以延用三維、二維內(nèi)力計算結(jié)果進行連接節(jié)點設(shè)計和施工詳圖繪制。施工圖繪制是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作量很大的部分,STS 的施工圖根據(jù)標準圖編制,圖紙?zhí)峁┰敿毜某叽鐦俗?焊縫標注,螺栓排列,零件編號,以及材料表和圖紙附注說明,還提供了專業(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,繪圖采用了多種比例。

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

　　法供用戶選擇。節(jié)點設(shè)計是采用人機交互的方式輸入節(jié)點形式,設(shè)計參數(shù),程序自動計算螺栓數(shù)目,智能化的進行螺栓排列,計算有關(guān)焊縫的長度,厚度,自動進行節(jié)點加勁肋的設(shè)計,用戶可以查詢、修改設(shè)計結(jié)果。節(jié)點設(shè)計后進行梁、柱、節(jié)點的歸并,施工圖要包括梁施工圖,柱施工圖,柱腳和連接節(jié)點大樣圖。

對于輕鋼門式剛架,STS 能處理單跨、多跨、對稱和非對稱門式剛架。梁、柱截面可采用焊接H 形等截面或楔形截面形式,節(jié)點設(shè)計提供4 種梁柱剛接節(jié)點,2 種屋脊節(jié)點,4 種柱腳節(jié)點,以及梁的拼接節(jié)點,柱牛腿的設(shè)計。節(jié)點設(shè)計可以全部自動完成,用戶也可以修改節(jié)點設(shè)計結(jié)果,修改后還可以進行驗算。施工圖包括剛架整體施工圖,柱腳和連接節(jié)點剖面圖,異形腹板的放樣圖,以及構(gòu)件詳圖。

對于鋼排架,STS 能自動收集吊車荷載,進行柱牛腿的設(shè)計,牛腿的尺寸允許用戶修改。施工圖包括排架柱施工圖,柱腳剖面圖,牛腿剖面圖。

　　對于鋼桁架,STS 能設(shè)計由雙角鋼,單角鋼,雙槽鋼,單槽鋼組成的各種形式的鋼結(jié)構(gòu)桁架。自動作桁架的節(jié)點板連接設(shè)計和焊縫設(shè)計。畫桁架的正立面,俯視圖,節(jié)點大樣圖,現(xiàn)場拼接節(jié)點圖和材料表�？勺麒旒軐ΨQ設(shè)計,圖面上詳細標注支座構(gòu)造,構(gòu)件編號,節(jié)點板尺寸,焊縫長度和高度,填板數(shù)量等。設(shè)計的結(jié)果可以交互修改。可以預(yù)設(shè)桁架起拱高度。

對于鋼支架,STS 能設(shè)計由焊接H 型鋼、普通工字鋼、標準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。自動作支架的節(jié)點板連接設(shè)計和焊縫設(shè)計。畫支架的正立面,俯視圖,節(jié)點大樣圖和材料表。

315　平面布置圖繪制、用鋼量統(tǒng)計

對于采用三維建模的框架結(jié)構(gòu),在三維計算和全樓節(jié)點設(shè)計后,STS 軟件可以根據(jù)全樓梁、柱、節(jié)點的歸并結(jié)果,繪制各層梁柱平面布置圖,標注梁、柱歸并號,繪制各層構(gòu)件表和全樓構(gòu)件表。STS 還可以統(tǒng)計整個結(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價表。對于采用三維建模的輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu),STS 軟件可以用人機交互的方式布置屋面支撐、檁條、柱間支撐、墻梁,自動布置拉條,從而可以自動繪制屋面布置圖和墻面布置圖,統(tǒng)計整個結(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價表。

316　吊車梁、檁條、墻梁等其他計算、繪圖工具

STS 軟件可以設(shè)計簡支實腹式鋼吊車梁,吊車梁截面可以是無制動結(jié)構(gòu),有制動板,有制動桁架三種形式,可以自動優(yōu)選吊車梁截面,可以繪制吊車梁施工詳圖。STS 軟件可以進行冷彎薄壁型鋼檁條、墻梁的計算和施工圖繪制,可以用人機交互方式繪制屋面支撐、柱間支撐、隅撐、抗風柱的施工圖以及相關(guān)連接節(jié)點的大樣圖。

317 自主圖形平臺,可與AutoCAD 圖形文件互相轉(zhuǎn)換

STS 是國內(nèi)唯一自主圖形平臺的鋼結(jié)構(gòu)CAD 軟件,軟件提供了專業(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 軟件通過建設(shè)部組織的專家鑒定和金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會軟件登記,是建設(shè)部科技成果推廣項目,到2001 年已經(jīng)擁有1000 多家用戶,已經(jīng)成為國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的一套專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件。PKPM CAD 工程部還在加大對STS 軟件的開發(fā)和投入力度,進一步增強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)計人員的必備工具,對提高設(shè)計的效率和安全性,對推進我國建筑鋼結(jié)構(gòu)事業(yè)的進一步發(fā)展做出更大的貢獻。