PKPM钢结构节点设计程序的重建与改进

刘 媛 王 茹 夏绪勇 马恩成 朱 恒

(1.西安建筑科技大学土木学院，西安 710055;

2.中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所，北京 100013)

PKPM钢结构节点设计程序的重建与改进

刘 媛1王 茹1夏绪勇2马恩成2朱 恒2

(1.西安建筑科技大学土木学院，西安 710055;

2.中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所，北京 100013)

针对我国自主研发的PKPM系列钢结构设计软件中节点设计结果不能人为干预的问题以及其设计机制的缺陷，结合钢结构节点设计的专业特点，研发出新的适合于钢框架节点的CAD程序。程序研发采用C++面向对象的开发技术，提供了灵活的人工交互功能，不仅可以实现三维框架的全楼自动节点设计，且设计者可以合并节点、修改节点设计结果并重新校核，使得钢框架节点连接设计变得快速、简便且准确，从而提高工程效率。本文成果已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各个模块中，取得了良好的应用效果。

钢结构;节点设计;面向对象;PKPM;CAD

1 引言

钢结构连接节点设计是钢结构设计中工作量比较大且十分关键的一个环节。利用计算机辅助技术完成节点的连接设计，可以将钢结构设计者从繁琐而复杂的节点设计中解脱出来，提高工作效率。

PKPM系列钢结构设计软件STS和STXT可以完成钢结构框架的全楼节点自动设计，但其长期以来的节点设计模式是自动设计，即程序自动获得节点连接构件的截面尺寸和端部内力，通过反复的调整和验算，获得满足要求的合理的节点数据。这种方法的好处是需要用户参与修改的地方较少，自动化程度高，对于比较规则的小型框架结构有较大优势。但在实际工程中，框架本身的内力并不均匀，而这些较小的内力差别也可能导致节点自动设计出的结果不同，使得节点类型增多，出图量急剧增加，也给施工带来很大的难度。所以，大部分情况下都需要对自动设计的结果进行修改归并，并重新验算。

本文针对以上问题，在STS和STXT钢结构节点设计程序基础上，不仅实现了三维框架的全楼自动节点设计，同时提供了灵活的人工交互功能，设计者可以进行合并节点、修改节点设计结果并重新校核，使钢框架节点连接设计变得快速、简便且准确，从而提高工程效率。本文成果已应用于PKPM系列钢结构设计软件。

2 新节点设计程序的开发

PKPM系列钢结构设计软件中原有的程序组织采用早期的过程化设计方式，每种节点类型的全部设计步骤都在一个过程中完成，因此针对每个不同类型的节点，都需要编写一个相应的设计流程。这样不仅组织上比较混乱，易读性也很差，添加新节点也比较麻烦，难以跟上改进的需求。另一方面，其自动设计的方式是对各项验算内容边校核边调整，二者是连在一起的，无法修改为校核和调整两项功能。综上，直接进行修改显然是不现实的，要对原有的自动设计机制做改变，重新开发钢结构节点设计程序。

本文充分利用C++面向对象的程序设计方法，系统研究钢框架节点的类型、设计与校核等内容，根据其专业设计特点，对节点设计类进行了全面的划分、设计与整体构架的搭建。

2.1 模块划分与组织

按照功能可以将节点设计重新划分为初始化、校核、调整、输出四个模块。在设计思路上各模块应做到相互之间独立，这样就可以用不同的模块组合来实现不同的功能。

每个模块需要实现不同的功能，具体如下。

(1)初始化模块

实现节点数据的初始化，节点自动设计之前根据构造要求对各项节点连接参数进行合理的初值赋值。

(2)校核模块

包含了各个板件、焊缝、螺栓等的校核。每一项的校核都是独立成员函数，各函数之间相互独立，只以连接参数、连接设计内力为条件进行验算，这样一方面避免了因为参数传递导致的类型匹配之类的错误，同时也可以方便的在其他模块中直接调用。

(3)调整模块

在校核不满足的前提下，对相关的节点连接参数进行调整。调整内容和校核内容相对应，单项调整后立刻调用对应的校核函数进行复核。单项调整循环进行，满足校核要求或超过一定限值则自动退出。

(4)结果输出模块

考虑用户需求上的不同，分为详细输出和摘要输出。摘要输出主要输出校核的结果，给出一个简要的超限信息，而详细输出则是具体到一些计算中的具体中间变量，便于用户手工校核(比如柱脚底板的计算，详细输出则会输出各个验算区隔的位置和弯矩)。

由于做到了各模块之间的相互独立，所以可以按照不同的需求，进行自由组合。

若需要校核节点连接，则连接参数值直接从对话框读取，传入校核模块和输出模块即可，如图1中①。

若要自动设计功能，则应先调用初始化模块，然后接校核模块对初始化数据进行验算，再调用调整模块对不满足的校核项进行调整，最后由输出模块输出最后的设计结果，如图1中②。

若要在用户输入的连接参数值的基础上进行调整，则采用图1中③的流程。

2.2 类的组织

钢框架结构的节点连接形式主要包括梁柱节点连接、主次梁节点连接、柱脚节点连接和支撑连接等。各种连接还包括铰接和刚接两种形式。根据连接截面形式的不同进一步细分，梁截面形式主要为工字形(包括焊接组合H形、普通工字钢、H型钢，在本文中通称为工字形)，柱截面形式包括箱形、工字形、十字形、圆钢管。

图1 模块的组织

因此，程序以连接节点为对象，按照节点类型来分类管理，具体节点的实现再由类型类派生出节点类，在各自的类里完成对该类型的所有设计。各部分之间关系可以通过树状图来反映(图2)。

由于采用了继承机制，所以很多共同的校核内容和输出内容可以直接通过继承来实现(比如对于柱脚底板的设计，在区隔划分上和设计方式上铰接柱脚和埋入式柱脚都是一致的，那么埋入式柱脚的底板校核完全就可以继承自铰接柱脚)，这样可以大大提高程序的代码效率，同时也便于程序的维护。

2.3 程序的代码组织和实现

任一类中都有四个函数InitDesn()，LinkCheck()，AdjustItem()，WriteCheckResult()分别实现了初始化，校核，调整和结果输出四个模块的功能。这四个函数在连接基类中定义为虚函数，搭建构架，在各节点类中具体实现。在LinkCheck()的具体实现中，通过多个函数来独立实现各零件的校核。根据各节点类的验算方法和继承关系，对各校核函数进行继承和重载。

比如柱脚连接中底板厚度的校核函数Check-PlateT()，由于在箱形柱脚连接中，铰接、埋入和外包式的验算方法相同，两种刚性固定露出式(无顶板托座和有顶板托座)的验算方法相同，因此该函数可以在柱脚连接类型类CSupLink中定义为虚函数，在箱形铰接节点类中实现，在埋入和外包的节点类中继承，在两种固定露出式节点类中重载。

图2 类的相互继承关系

此后如果需要添加新的节点类型，只需通过分析新添加节点验算内容和已有相近节点验算内容的差别，确定需要继承和重载的函数，而不用完全重写设计流程。

2.4 节点校核和设计调整的实现技术

节点校核模块是保证连接设计能否满足现行钢结构设计规范与设计手册要求的重要环节，而设计自动调整模块则是在当前设计不满足要求的情况下，通过程序自动调整来寻求一个合理的满足要求的连接设计结果，这个模块组织的好坏直接决定了节点设计程序的设计效率与设计结果的合理性。下面以梁箱形柱铰接连接中的单/双连接板形式为例详细说明校核和调整程序的编写和实现。

2.4.1 校核程序算法流程图

该种形式的连接中梁腹板与连接板可采用高强螺栓连接或全焊连接，全焊连接中包括带安装螺栓和不带安装螺栓。连接板和柱采用双面角焊缝连接。

图3 校核流程图

根据《钢结构规范》和《钢结构节点连接设计手册》，分析需要校核的部分，本段简述一下校核程序算法流程。校核算法的流程图如图3所示。

2.4.2 调整程序的算法结构

(1)利用面向对象技术解决调整和校核数据组织方式

原有的调整程序与校核功能紧密结合在一起，在校核的同时也完成了调整，这样的好处是思路上比较符合人手算的特征，目的性比较明确。但是也正是这种机制导致了大量的循环，使程序变得异常混乱。

而采用面向对象的开发方法后，调整和校核功能是相互分离的，则可以很明晰的体现出两者间的依存关系。组织方式的问题解决了，调整本身的实现以及如何才能让程序尽可能地获得最优的调整结果就是要解决的关键问题。

(2)参数多样性与关联性问题的解决方法

参数调整主要解决了两个问题。

一个问题是参数的多样性问题，即对于单个校核项来说，影响其校核结果的参数可能有多个，如何合理的选取调整的变量是一个关键问题。一般手算的调整方法是直接选取一个变量做调整;而计算机实现时，则可以加入一定的逻辑关联，比如A，B两个变量，分别给以不同的调整步长，A调整3次时，对B进行一次调整。或者当A达到某个值后，再回过头调整B，而将A还原到初始值(例如下面将提到的焊缝的调整)。这种调整方法相对更加精细一些，尽可能的包络所有的变量组合可能。

另一个问题是参数相关联的特性，即为了满足其中一项的校核，调整了其中相关的参数，直接导致了校核项值的变化;但是同时，调整的参数也为另一项所用，导致另一项的校核结果发生变化。一般情况下，这种变化基本上都是单向性的，即同时变大，或同时变小，但是也有反向变化的情况，此时，就需要做到在调整中的关联调用和关联修改，同时对两个调整结果的变化趋势做分析，来确定何时需要对另一个调整项中相关的系数做调整。

以梁箱形柱单/双连接板铰接连接为例，根据各参数与调整项之间的关系，本文给出调整分析算法结构图如图4所示。

图4 调整分析算法结构图

其中，焊脚尺寸的合理取值范围是由连接板板厚确定的，因此调整时不能单单只是增加焊脚尺寸。首先要判断焊脚尺寸是否在取值范围内，若小于最小允许焊脚尺寸，则令焊脚尺寸等于最小焊脚尺寸;若大于等于最大焊脚尺寸，则按板规格增加板厚，焊脚尺寸取初始焊脚尺寸;其他情况，则令焊脚尺寸增加1。

解决了以上两个问题，确定好合理地调整步长和边缘条件，调整的合理性问题也就迎刃而解了。

3 小结

新的钢结构节点设计程序除了利用面向对象技术实现全楼节点自动设计功能外，还加强了用户的交互干预功能:(1)对于自动设计出的节点，用户可以交互修改连接设计结果，修改后程序自动校核修改后的结果是否满足要求;(2)自动连接设计后用户可以交互的合并节点，减少节点类型与图纸量，程序同时提供合并节点后的校核功能。而且新程序构架易于维护与扩展，具有更强的生命力，设计结果也更为准确。

新程序已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各个模块中，取得了良好的应用效果。随着钢结构产业的发展和用户需求的增多，该模块程序将持续改进，进一步加强软件的实用性，贴近钢结构设计人员的需要，提高钢结构设计效率，推动钢结构产业的发展。

［1］李星荣等.钢结构连接节点设计手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［2］赵熙元.建筑钢结构设计手册(上、下)［M］.北京:冶金工业出版社，1995.

［3］王一骏等.钢结构设计手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2004.

［4］马恩成，朱伟，晋铸，陈岱林等.钢结构CAD软件STS的功能和应用［J］.钢结构:2001，16卷(56期):62-63.

［5］夏绪勇，马恩成，陈玉林，晋娟茹，张欣.钢结构详图软件的开发与功能介绍［C］.第十四届全国工程设计计算机应用学术会议论文集，杭州，2008.浙江:浙江大学出版社:464-469.

［6］中国建筑科学研究院PKPM工程部.STXT钢结构详图设计软件用户手册及技术条件［M］.北京:中国建筑科学研究院PKPM工程部，2010.

Reconstruction and Improvement of PKPM Steel Structure Connection-joint Design Program

Liu Yuan1，Wang Ru1，Xia Xuyong2，Ma Encheng2，Zhu Heng2

(1.Civil Engineering College of Xi'an University of Architecture and Technology，Xian710055，China;
2.Institution of Building Engineering Software，China Academy of Building Research，Beijing100013，China)

Considering the professional features of steel connection-joint design，this paper developed a new computer-aided design(CAD)program which is aiming at solving problems that the connection-joint design results unsuitable for human intervention of the software developed by our country.Program developing and researching is adopted the object-oriented development technique C++to provide a flexible interactive function which can not only achieve the whole building's automatic connection-joint design of three-dimensional framework but also nodes merging，node design results modification and re-checking by designer.The program can make the connection-joint design of framework fast，simple and accurate to improve engineering efficiency.The achievement has been used in each module of the PKPMseries steel structure design software as base class library of steel connection design in dynamic library plug-in form and obtained good application effects.

Steel Structure;Connection-joint Design;Object-oriented;PKPM;CAD

TU391;TU201.4

A

1674－7461(2011)01－0048－04

刘媛(1988－)，女，硕士。主要研究方向:计算机辅助结构优化设计。E-mail:liuyuantg@163.com