大学生 科研技能训练 浅谈PKPM钢结构节点设计Word下载.docx

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项目名称

浅谈PKPM钢结构节点设计

承担单位

项目负责人

起止年月

2015年1月至2016年12月

填报日期

2014年12月

河北科技师范学院城市建设学院制

项目名称

第一

承担

单位

概况

单位名称

邮编

066004

地址

河北秦皇岛河北大街西段360号

E-mail

电话

项

目

内

容

摘

要

钢结构建筑在我国的工程建设中应用越来越广泛。

钢结构设计中，节点连接设计是较为重要且繁复的环节之一。

因此，高效的节点设计程序是钢结构设计者迫切需求的。

目前的PKPM钢结构设计软件仅可以进行节点连接数据不能人为进行干预，且即使内力只有很少的差别也可能导致各个节点的设计结果多种多样，给施工带来很大的难度，不符合实际要求，有着较大的缺陷。

另外，现有的程序采用的事面向过程的编程方式，全部的实际步骤都在一个过程中完成，组织上比较混乱，易读性很低，维护和修改也比较麻烦。

本课题针对以上问题，结合钢结构节点设计专业特点，采用面向对象的开发技术，以C++作为开发语言，VisualC++6.0作为开发环境，研发出新的适用于钢结构节点的CAD程序。

本文的主要工作如下：

1、采用面向对象的系统分析方法对程序进行分析，对不同类型的节点特征及节点连接计算方法进行方法进行归纳和总结。

以连接节点为对象，根据其相互关系按照节点类型进行分类管理。

2、采用动态库插件技术，根据钢结构节点设计功能进行模块化划分，并把节点设计作为底层实现基础库，可以供多个设计模块调用。

3、在保留原有的节点自动设计功能的基础上，还增加了用户的交互干预功能。

4、在设计结果的输出上，除了基本验算结果的输出外，还增加了详细计算书和超限文件。

新程序构架更易于维护和扩展，具有更强的生命力，在实现的功能上更能满足设计者的需求，计算结果也更为准确。

关

键

词

钢结构；

节点设计；

面向对象；

PKPM；

CAD

技术领域

建筑技术

科技活动类型

应用研究

应用行业

建筑行业

所属学科

建筑科学与工程

一、

的

立

背

景

和

意

义

PKPM软件的发展方向之一就是开放计算参数的开关。

有很多参数以前都是放在程序的“黑匣子”里的，设计人员不能干预。

程序开放这些参数有两个原因，一方面是让设计人员真正的掌握工程的设计过程，能够尽可能的控制设计过程。

另一方面使软件本身承担设计工具的作用，设计的关键性参数及责任由设计人员来承担。

在目前的STS、STXT程序中，已经存在节点设计的功能，但其可以实现的功能知识自动设计，即程序自动读取连接节点的构件的截面尺寸和端部内力，通过一步步的反复调整和验算的出满足要求的合理的节点连接数据。

这种方法自动化程度高，不需要用户参与修改，适用于比较规则的小型框架结构。

但在实际工程中，结构本身的内力并不均匀，此时全自动化设计的缺陷就出现了，即使内力上很小的差别也可能带来节点设计结果的不同，不同的节点种类增多以后，就导致出图量集聚增加。

节点种类增多不仅会增加采购困难（种类繁多），而且也大大增加了施工上的难度和复杂性，是符合实际情况的。

因此结合PKPM的发展方向及避免上述情况的发生，在本文的研究中增加了用户交互干预功能，除了自动设计以外，用户还可以交互的修改实际结果，例如连接板尺寸，螺栓大小和排列间距等，并可以校核修改后的连接数据是否能满足设计要求，若不满足还可以由程序自动调整使之满足。

改进后的节点设计程序使节点设计更加自由，更符合实际工程的需要，提高设计效率。

通过程序本身的节点归并功能以及增加的校核功能，设计人员可以将节点类型相同，内力相近的节点进行归并和校核，这样可以减少节点与图纸量。

同时让设计人员尽可能的控制设计过程，增加设计工作的科学性和创造性。

从程序本身来讲，采用面向对象的编程技术代替之前的面向过程的编程技术，使得程序易于维护与扩展，具有更强的生命力。

二、国内外现状及发展趋势

㈠、国外研究现状

早在60年代初期，国外的工程设计专业人员就已经开始使用计算机，但直至70年代中期，才开始逐步把CAD技术应用到工程设计领域，经过几十年的研究与发展，形成了较为成熟的技术体系，产生了一批享誉世界的高质量的钢结构CAD软件。

例如比利时的SICA、芬兰TEKLA公司的Xsteel、英国AccCAD公司开发的StruCAD等，能有效地完成从设计、详图、材料加工、切割刀施工等一系列过程，能自动产生各种精确的工程图纸，包括布置图构件图，零件图和材料表。

在钢结构CAD领域，虽然国外的钢结构设计软件技术领先、功能强大，但是在吸收国外钢结构设计软件的过程中，逐步暴露出国外软件的许多不足之处。

主要有软件环境不同、单位制不同、设计标准规范不同、材料类型、规格不同、材料统计表不完善、绘制的平刨图不符合国内习惯、无法产生符合国情的节点图等。

由此可见，国外先进的钢结构设计CAD软件必须经过大量的二次开发才能应用于国内设计领域，不能从根本上解决工程问题。

因此，针对我国工程设计行业的特点，迫切需要研究开发出具有自主版权，真正满足我国工程设计需要的软件。

㈡、国内研究现状

目前国内的钢结构设计软件有两大类：

一类是我国自主研发的软件，主要有中国建筑科学研究院开发的建筑结构设计系统软件PKPM、上海同济大学土木工程学院开发的空间钢结构杆系系统CAD软件PS2000、中科院计算所CAD开放研究室和南京扬子石化设计院联合开发的工厂设计系统PDSOFT等。

另一类是专业的钢结构公司或设计院持有的经过二次开发的国外设计软件，如清华大学持有PEI公司的STAAD，郑州华电公司的STRUCAD6.0等。

我国自主开发的软件操作较为简单，在用户界面、数据输入上更加符合我国工程师的习惯，在计算分析、构造方法等方面也符合我国的规范标准，且在简单结构的设计分析上已经达到国外软件水平。

但也还存在很大不足，如结果分析的理论水平有限，影响了复杂结构分析的能力和准确性，自动优化的功能不完善，结构设计的系统性不足，标准节点库小，而且在后处理方面，国产软件还处在一个较低水平上，自动生成图纸的功能还很弱，生成加工详图的能力较差。

因此为了提高我国建筑结构设计的水平，推动钢结构建筑的发展，不断提高和改进我国自主研发的钢结构CAD软件是必要的。

我国的钢结构设计软件中应用范围最广的是PKPM系列钢结构设计软件STS和3D3S。

STS作为PKPM的一个模板，节点设计类型比较全面，但节点设计时只能自动设计不能人为干

预。

3D3S比较适合钢结构公司使用，模块全面，但在节点设计及后处理出图方

面存在一些缺憾，截面库截面类型不够完善，在格构截面上与STS相比有一定

的距离，工具箱功能比较简单，此为，还有钢结构节点设计工具Cuteser，它可以对某一节点连接进行计算和验算，但不能进行智能化的节点设计。

三、项目主要实施内容、技术路线、技术关键及创新点

本项目实施内容：

本程序采用C++面向对象的开发技术，提供灵活的人工交互功能，实现了节点连接的自动设计、对自动设计结果的修改校核以及校核不满足后的自动调整三大功能。

改程序以动态库插件形式作为钢结构连接设计基类库应用于PKPM系列钢结构设计软件的各个模块中。

本项目技术路线：

1、采用面向对象的系统分析方法，对不同类型的节点特征及节点连接计算过程进行归纳总结。

2、采用动态库插件技术把钢结构节点设计功能进行模块化划分。

3、在各自的类里编写实现校核功能和调整功能。

4、校核或调整完成后，提供校核计算书与超限信息文件。

技术关键：

采用VC++与Fortran混合编程技术，既可以极大地保护已有稳定可靠的Fortran语言所编写的结构分析资源，同时又可以充分享受到VC++带来的方便和快捷。

除此之外混合语言编程还具有以下优点：

利用某种语言在处理某些问题时特有的速度和优势，例如Fortran语言具有强大的科学计算速度和能力，适合数值计算的语言，它的语法检验严格，运行稳定性也好，在科学计算和工程分析领域中有较广泛的应用，但在绘图网络等方面略显不足。

VisualC++的优势是具有良好的图形界面和系统管理能力，同操作系统有良好的亲和性。

VC++与Fortran的混合编程。

通过积累的Fortian程序函数把程序中的源代码编译成动态链接库（DLL:

DynamicLinkLibrary）以便于C++编程语言的调用。

混合语言编程要遵守的规则是函数名一致，参数名一致，函数类型相匹配、参数类型相匹配和参数传递一致等。

在C++调用Fortran函数的方法：

Fortran中的定义：

SUBROUTINEFUNCNAME（IOD.IND）

C++中如下声明：

extern“C”viod__stdeallFUNCNAME（int*IOD,int*IND）；

三、项目主要实施内容、技术路线、技术关键及创新点

创新点：

1.采用面向对象的系统分析方法对程序进行分析。

2.采用动态库插件技术，根据钢结构节点设计功能进行模块化划分。

3.保留原有的节点自动设计功能的基础上，增加了用户的相互干预功能。

4.设计结果的输出上，增加课详细计算书与超限信息文件。

技术路线图

四、预期目标（技术指标、经济指标、技术创新能力及社会效益）

技术指标：

1、程序组织有条理，易读性强，维护和修改比较简单。

2、程序构架易于维护与扩展具有更强的生命力。

3、增加用户交互干预功能，功能上更能满足设计者的需求。

4、校核修改后的连接数据是否满足设计要求，若不满足还可以由程序自动调整使之满足

5、设计结果更加准确。

经济指标：

1、减少设计工作的科学性节约纸张减少设计成本。

2、合理节约建筑钢筋的使用量，大幅减少工程成本。

3、缩短设计周期，减少设计费用。

4、结论合理可靠，避免了施工现场突发问题拖延工期，同时避免了经济损失。

5、中国建筑行业依旧处于全面发展阶段，钢结构建筑前景可观，该软件符合行业需求，可预见销售火爆。

社会效益：

1、优化设计钢结构建筑节点，合理减少钢材使用量，减少空气污染物排放，符合中国可持续发展道路。

2、钢结构建筑物作为绿色低碳建筑，已成为中国工业产业和循环经济的代表，成为创造绿色城市生活的方向。

3、建筑质量与品质的需求，增加设计工作的科学性和创造性，使钢结构建筑结构合理稳定，实现创造设计的同时保证了建筑的安全性。

4、该模块程序贴近结构设计人员需求，提高钢结构设计效率，推动钢结构产业发展。