AutoCAD二次开发在Midas/civil建模中的应用研究

马兆锐，秦道标,，朱陈怡，崔 一，黄正荣

（1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州215011；2.苏州市交通设计研究院有限责任公司，江苏 苏州 215000；3.苏州慧展工程咨询有限公司，江苏 苏州 215011）

AutoCAD二次开发在Midas/civil建模中的应用研究

马兆锐1，秦道标1,2，朱陈怡1，崔 一3，黄正荣2

（1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州215011；2.苏州市交通设计研究院有限责任公司，江苏 苏州 215000；3.苏州慧展工程咨询有限公司，江苏 苏州 215011）

为解决Midas/civil传统建模方法的繁琐、耗时问题，以VisualLISP及OpenDCL为开发工具，通过Auto-CAD2010进行二次开发，实现便捷化辅助建模。首先，将人工单元划分转化为自动识别划分单元，通过辅助程序改进钢束形状生成器的功能，对钢束信息的读取与输出方法进行优化；其次，结合OpenDCL界面交互设计，进行批量截面特性计算、拓展荷载自动施加等功能；最后，以工程实例对程序进行验证。结果表明，程序可实现快速化建立Midas/civil箱梁计算模型，明显缩短建模周期，具有使用简单、高效建模、分析准确的优点。

二次开发；快速化；箱梁；模型

在公路桥梁设计中，箱梁因具有良好的力学性能，如抗弯刚度大、抗扭能力强等优势[1-3]，被国内外广泛应用于桥梁上部结构。但因某些地理环境因素影响，箱梁通用图不适用于所有跨径桥梁，每一联桥梁结构都需结构计算。目前针对这种情况，设计人员主要是参考标准图纸，然后采用手动建模计算。如图1所示，Midas/civil提供的钢束形状生成器插件，需逐根钢束处理，具有操作性复杂、易错的缺点，且不能自动地划分单元，也不能批量计算截面特性和添加边界条件，故耗时费力。使用传统方法设计人员劳动强度大，生产效率低下，其建模效率低下问题在时间紧、任务重情况下，常影响后续工作进度，直接降低了企业生产效率。

现今，AutoCAD二次开发技术广泛应用于机械、房建设计等领域[4-6]，但将其应用在辅助箱梁建立计算模型上却极少。因此，针对箱梁桥以VisualLISP及OpenDCL为开发工具，基于AutoCAD2010进行程序二次开发，在已有参考图纸基础之上，开发了辅助箱梁快速化建立Midas/civil箱梁计算模型的程序。对比于钢束形状生成器，程序可实现一次性框选钢束生成所有钢束信息，无需逐根处理钢束，优化了钢束导入及钢束坐标修改的繁琐易错问题处理方法；拓展了自动单元划分、荷载施加等功能，减少了重复性工作量，缩短建模周期，有效提高了工作效率。程序使用简单、可靠，经工程实践表明具有较好的可行性与实用性。

图1 Midas/civi钢束形状生成器

1 AutoCAD二次开发工具

1.1 Vlisp语言

VisualLISP简称Vlisp，是用于AutoCAD进行二次开发的专用编程语言[7]。基本语法（SETQ A B），即将B赋值给A，SETQ为程序识别标志，语法简单，没有C++、.NET的复杂算法及架构。Vlisp程序占用内存小，可调用AutoCAD所有菜单栏命令以编辑图元对象，功能强大。所以，采用Vlisp作为AutoCAD编程语言工具。

1.2 OpenDCL

OpenDCL是开发人员为Lisp程序设计量身定制的第三方开源工具[8]。采用OpenDCL进行对话框设计，可用鼠标实时拖动菜单设计，具有良好可视化操作界面；另外，OpenDCL拥有齐全的控件与内部函数。所以选用OpenDCL制作界面交互对话框窗体。

2 快速化箱梁计算模型生成关键技术与实现方法

如图2所示，程序主要包含界面交互可视化设计与Vlisp程序设计两个模块。模块一作为程序运行基础，用户设定总体数据包括节段划分、荷载、跨径布置、材料信息以及数据库信息添加，如图3所示。模块二，数据在程序内部计算处理，将用户指定数据通过OpenDCL传递给程序，执行数据诊断、截面数据处理、节点单元划分、边界约束、二期恒载、钢束处理、其他荷载施加等步骤，经过Vlisp程序运行输出mct数据文件，导入Midas/civil即可计算分析。

图2 实现方法

图3 总体信息

2.1 截面特性计算

确定主梁跨中及端部关键截面形式，然后在AutoCAD中一次性框选所有横截面，程序会自动将所选横截面置于新建图层A1。以箱梁跨中横断面为例论述其计算原理，如图4所示。以A1图层的颜色属性为控制因素，将截面外轮廓指定为红色，内部箱室颜色指定为绿色，遍历每条线段起始点坐标，设定0.001 mm的长度误差范围，不满足则程序提示报错，以备修改。

程序计算原理：第一步，在选择集中选取A1图层跨中截面，程序判断截面内外轮廓是否闭合且通过A1图层颜色属性正确区分内外轮廓组合，将重新绘制内外轮廓多义线，读取图元坐标信息；第二步，将内部两个闭合线框作面域处理与外轮廓线框进行布尔运算，即可通过Vlisp自定义函数计算出面积As、惯性矩I等参数。第三步，通过Vlisp输出函数，导出符合Midas数据格式要的截面特性数据，删除A1图层所有图元，恢复原图。第四步，枚举选择集中下一个截面，重复执行以上三个步骤。

最终将截面特性数值显示在OpenDCL对话框，如图5所示，截面特性界面，区域1为截面编号，区域2为基本属性：梁高、梁宽、顶底板厚度等，区域3为所需计算属性，如As、Iy、质心位置等midas.mct文件所需数据信息。最后，将截面信息输出到midas.mct文件，至此，批量计算截面特性执行完毕。

2.2 单元划分

箱梁模型单元划分原则：（1）支座横梁纵向设定为2个单元，以支座中心线为分割线；（2）等截面区域为一号结构组，如区间1、区间3、区间5、区间7；支点至跨中截面为二号结构组，如区间2、区间6；跨中至支点截面为三号结构组，如区间4；（3）单元长度划分以1 m为基本单位，顶底板加厚段长度不为整数时，将小数部分长度作为一个单元，添加至对应整数结构组中；（4）相邻节点组成一个单元。

在关键截面变化处设置竖向分割线i号截面，将分割线置于新建图层B1（图6）。依据分割线进行节段划分，自动读取图纸单元划分大小，或自定义节段长度，材料信息不指定则默认数据库材料（见图3）。

图4 跨中横断面

图5 截面特性计算

主梁自动编号遵循“从左至右”原则。如图6所示，1号截面对应节点号记为N1，支座截面（截面2）节点记为N2，3号截面对应节点号为N3，即区间1共有单元数n1=2，4个横梁共需要单元数4n1。在区间2处，当区间长度X2不为整数时取整[X2]，则共有单元个数n2=[X2]+1，反之单元个数n2=[X2]。以此类推，主梁单元总个数为n=4n1+2(n2+n3+n4+n6+n7)。将主梁节点依次编号集合为：K={N1,N2… Nn+1}，4个支座节点从左到右依次编号为100～103，通过读取截面号分割线图元信息提取出主梁各节点纵向坐标：M={x1,x2… xn+1}，提取出xi与支座节点纵坐标相同的4个节点a、b、c、d，依次与支座节点建立4个支座单元，则单元划分总数n+4个。

最终，节点、单元信息通过Vlisp输出函数依据mct文件格式自动生成节点、单元数据信息，即可完成节点单元模型建立。

图6 单元划分

2.3 钢束信息处理

钢束数据读取分为：平弯与竖弯；平弯与竖弯对应，因不影响结构计算，简化钢束平弯线型为直线，其坐标记为 Wi={Wi1，Wi2}={(wix1，wiy1)，(wix2，wiy2)}。 如图7所示，将钢束分三类：通长束（F1、F2）、边束（F3、B1、T1）、中束（F4、B2、T2）。钢束平弯与竖弯对应原则：每读取一根竖弯钢束，遍历所有平弯钢束，比较平弯与竖弯两个图元起始点坐标y值是否相同，给出0.000 1 mm的误差，相同则将平弯线型与竖弯信息置于同一个点表。钢束特性值程序里设默认值，可在Vlisp程序或于模型中调整。

图7 钢束立面

建立参考点p0，钢束导线点排序遵循“从左至右”原则。钢束区分原则：T1、B2虽不属于同一种钢束，但导线点个数相同，处理方法一致，所以将其归为一类。通过Vlisp自定义函数依据导线点个数进行钢束分类，将钢束分为4节点、6节点、8节点、12节点四类，如图8所示。以最复杂的12节点钢束数据处理为例，具体论述通过Vlisp实现钢束信息提取、重组及输出的原理，其余4节点、6节点、8节点类型钢束原理相同，较为简单，不再赘述。

图8 钢束导线点

如图8（d）所示，箱梁立面图左下角为钢束参考点p0，单根12节点钢束导线点从左至右编号为p1-p12。p2-p11号导线点位于圆弧钢束切线交点处，p1、p12号导线点分别位于p2、p11号导线点与圆弧的切线延长线上，将该竖弯钢束线型记为编号0，通过Vlisp自定义顶点坐标获取函数，可以获得各钢束导线点坐标，记为S0={S1…S12}={(Dx1，Dy1)…(Dx12，Dy12)}。搜索钢束图元后提取钢束各导线点处弯曲半径，并将其组成点表R0={R1…R12}，将 R0点表元素与钢束导线点坐标一一对应，构造新点表P0={P1…P12}={(S1，R1)…(S12，R12)}。 钢束信息通常情况是一组竖弯数据对应多组平弯数据，即将每个竖弯数据与一组平弯数据组为一个点表G={G1…Gi}={(P0，W1)…(P0，Wi)}，至此12节点钢束分类完成。重复以上步骤，各钢束竖弯线型信息与对应平弯钢束线型信息即可正确组合在一起。

对编号0的钢束进行数据提取，依次输出钢束竖弯信息、平弯信息，生成mct格式数据，即可导入模型建立钢束。至此，仅需一次性框选所有钢束线型，作选择集图元循环处理，程序即自动输出所有mct钢束信息，舍弃逐根钢束信息处理办法，避免重复操作，提高钢束建模效率。

2.4 荷载信息布置

通过写入文件函数，在自重荷载信息输出中，将Z值赋值为-1即可。程序内部荷载设定、铺装及栏杆荷载值皆取值于图3交互界面输入值，以分布荷载形式施加在所有主梁单元。预应力荷载张拉，边束统一张拉右侧，通长束、中束为两段张拉。其余荷载依据规范要求，给予固定值，视实际情况可修正。

2.5 边界条件设定

支座模拟采用单支座布置，遵循“从左至右”、“自由变形”原则。程序在内部设定左中支点节点设固定支座，其余设滑动支座，a、b、c、d 为支座正上方节点号，对应主梁第 2、（n1+n2+n3+n4+2）、（n1+…+n5+2n6+2n7+1）、（n-1）个节点，分别与100～103节点形成弹性（刚性）约束，完成边界条件约束设定，如图9所示。

图9 支座布置

2.6 施工阶段控制

施工阶段程序涉及荷载激活与钝化以及单元、边界约束的激活顺序。施工阶段划分三个阶段：施工、成桥、收缩徐变。第一个阶段中激活所有单元节点、边界条件及预应力荷载；第二阶段激活二期恒载；第三阶段，阶段时间为10 y，其余荷载、单元及支座约束与前阶段相同。

3 应用实例

以苏州中环园区段某联连续梁桥实际工程项目为应用实例背景，以验证上述程序便捷性、可行性及实用性。参考箱梁图纸基本信息：跨径为3 m×28 m连续箱梁，主要技术指标：等截面梁高2 m，宽16 m，顶板倒角20 cm×60 cm，底板倒角 20 cm×20 cm，腹板厚 50 cm，顶板厚 22 cm，底板厚 25 cm，如图10（a）；荷载等级：公路Ⅰ级；直腹板布置，C50混凝土，钢束为抗拉强度标准值1 860 MPa钢绞线，现浇一次落架施工。

园区段某联三跨连续梁桥项目跨径设计为3 m×32 m，构造措施依据全线项目总体设计原则，维持不变。依据参考桥梁图纸信息，根据本项目跨径可在图5区域1内修改箱梁截面尺寸，跨中及支座截面见图10所示，设计人员在AutoCAD图纸上，简单地拉伸及调整钢束弯曲角度，然后执行本程序即可导入midas/civil进行计算分析，如图11所示。

图10 截面信息

图11 截面（含钢束）

依次完成设定总体信息、框选钢束、框选截面三个步骤操作，程序执行结束运行成功，导入Midas/civil即可执行结构计算分析。该种方法舍弃了逐根钢束、截面选择处理方法，而采用批量处理钢束、批量计算截面信息的设计思想。其次，在AutoCAD中进行钢束线型修改对于一线设计人员比较熟悉，其操作简单、不易出错，相对过去建模方法，很大程度上提高了生产效率。

如图12所示，查看目前规范桥梁上部结构设计主要考查的技术指标：主拉应力、主压应力、顶板正应力、底板正应力，计算结果分别为 0.7 、10.8、-3.4、-2.3 MPa。

图12 主应力及正应力

主应力及正应力指标均符合程序设计预期效果及满足规范要求，验证了程序的可行性，具有很好的实用性，在实际工程中也得到了很好的验证。针对以上三跨连续梁模型，采用程序辅助建模与手动建模两种方法建立模型相比较，对比发现时间花费减少了2/3、计算结果相同、操作便捷及效率大为提升，即程序辅助建模相比以往单一建模手段更加快速、实用，有效地提高了工作效率。

4 结论

以VisualLISP及OpenDCL为开发工具，研究了AutoCAD2010二次开发辅助建模方法在Midas/civil建模中的应用，采用了将建模步骤归一化、标准化的设计思想，相比以往建模方法得出以下结论：

（1）外部程序辅助建模方法，明显缩短建模周期，模型计算分析结果相同，表明该方法具有可行性和有效性，为以后Midas/civil建模提供一个新的途径。（2）通过对箱梁进行钢束批量处理、批量计算截面特性，解决了钢束坐标导入及调整容易出错，以及截面导入困难的问题。减少了单元划分、荷载施加的工作量，实现箱梁快速化建模分析，提升了midas建模效率。（3）该程序目前针对常规等高连续梁直桥具有很好的适用性，对其它桥型还需进一步应用研究。

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Application of AutoCAD redevelopment in Midas/civil modeling

MA Zhaorui1,QIN Daobiao1,2,ZHU Chenyi,CUI Yi3,HUANG Zhengrong2
（1.School of Civil Engineering,SUST,Suzhou 215011,China;2.Suzhou Communication Design Co.Ltd.,Suzhou 215011,China;3.Suzhou Huizhan Engineering Consulting Ltd.,Suzhou 215011,China）

To solve the problem of complexity,error-proneness and consumption of time in the traditional Midas/civil manual modeling,the auxiliary modeling was facilitated with VisualLISP and OpenDCL as the development tools and the redevelopment of AutoCAD2010.Firstly,the artificial unit division is changed into an automatic recognition unit division.The function of the steel beam shape generator is improved by auxiliary program,then the auxiliary program is optimized for the reading and output method of the steel beam information.Secondly,by combining with the OpenDCL interface interaction design,the batch calculation of section characteristic,the expanded load automatic application and other functions are performed.Finally,the program is validated by engineering examples,the results show that the program can establish the rapid establishment of Midas/civil box girder calculation model,which obviously shortens the modeling period and has the advantages of simple and efficient modeling and accurate analysis.

redevelopment;rapidity;box girder;model

秦中悦）

U443

A

2096-3270（2017）04-0020-05

2017－04-17

马兆锐（1990-），男，江苏灌云人，硕士研究生。

秦道标（1969-），男，高级工程师，从事桥梁结构、公路市政工程的设计与应用研究，Email：Qdb@yeah.net。