钢桁架参数化设计探索与研究.pdf

中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 197 钢桁架参数化设计探索与研究 陆程远 卢鼎鑫 中国煤炭科工集团 北京华宇工程有限公司，河南 平顶山 467000 摘要：摘要：以提高钢桁架设计质量与水平为前提，针对选煤厂运输系统设计，探讨参数化设计的应用价值。通过分析认识到。在选煤厂运输系统的设计中，钢桁架因其跨度区间大（20m-60m）的优势能满足工艺布置及场地条件的要求，在选煤厂运输系统中起到了很重要的作用。因每个选煤厂工艺布置不同，输煤皮带的角度、跨度、皮带数量不同等诸多因素的影响，设计人员需花费大量时间进行钢桁架计算与施工图绘制工作。钢桁架参数化设计的主要目的就是解决钢桁架设计效率低的问题，把设计一跨钢桁架需要 5-8 天设计周期降低至 0.5-1 小时，从而大大提高设计效率。关键词：关键词：钢桁架；结构设计；选煤厂输煤皮带通廊 中图分类号：中图分类号：U442 钢桁架是一种钢材制造桁架，在工业建筑、民用建筑中，多用于屋盖结构、吊车梁、桥梁等部分的承重构件。此次关于选煤厂运输系统的设计，应用钢桁架是经过多方考虑之后的决策。根据现有研究，钢桁架受力具有复杂性，所有杆件可以按照受力情况调整钢型与截面，具有灵活性。与此同时，要想进一步彰显出材料力学性能，钢桁架系杆的约束体系、结构参数也非常重要。由此可见，选煤厂运输系统中的钢桁架参数设计至关重要，通过参数设计，可以明确所有参数最佳区间，从而保证钢桁架结构稳定性、安全性，也为选煤厂运输系统提供支持。鉴于此，本文以选煤厂运输系统的设计中钢桁架的参数设计为对象展开分析，阐述研究目标及其完善拓展、技术难点以及可行性分析，最后总结预期效果与经济效益，明确此次提出参数设计方法的可行性与应用价值。1 研究目标 基于 excel 软件平台，运用 Visual Basic 语言编程完成单、双和三带式输送机钢桁架节点荷载快速计算，并根据计算结果快速确定钢桁架上弦杆、下弦杆、斜腹杆及直腹杆等杆件的大小。从杆件库中选择相应杆件，之后将所有杆件参数输出汇总，导入 auto cad钢桁架相对应的图库中，并生成相应钢桁架设计图纸，流程图如下图1，钢桁架类型和设计参数分别见表 1、2。图 1 钢桁架设计流程图 表 1 钢桁架类型表 分类标准 类型 备注 力学简图 简支钢桁架 连续钢桁架 静定钢桁架 超静定钢桁架 平面钢桁架 空间钢桁架 外形 三角形钢桁架 屋面坡度陡的屋架，可采用三角形钢桁架，跨度不超过1824m；屋面坡度平缓的屋架，可采用梯形钢桁架，跨度在18-36m；其他类型钢桁架，可采用构造比较简单的平行弦钢桁架。梯形钢桁架 平行弦钢桁架 多边形钢桁架 杆件内力、杆件截面、节点构造特征 普通钢桁架 重型钢桁架 轻型钢桁架 中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 198 此部分工作需要建立大量单、双和三带式输送机栈桥钢桁架节点的 cad 图库，以满足下面指标：a.单、双带式输送机栈桥钢桁架跨度 40m 以下（含40m）0-18钢桁架平面参数化绘图；b.单、双带式输送机栈桥钢桁架跨度 60 以下（含60m）0-18钢桁架平面参数化绘图；c.三带式输送机栈桥钢桁架跨度 30m 以下（含 30m）0-18钢桁架平面参数化绘图；上述过程完成之后，运用编程软件 Visual Basic或 C+进行二次开发，实现人机交互界面输入设计参数，并与钢桁架节点图库实现连接，并将参数结果导入auto lisp 中并启动 auto cad 调用桁架节点图库，并进行钢桁架设计绘图。2 完善拓展 第一阶段总结钢桁架设计流程与要点，需要对使用效果和不足进行调整和完善，具体完善拓展流程如下：a.通过 Bentley 平台，运用 MVBA 语言编程，实现人机交互界面钢桁架参数的输入和输出。其中 Bentley系列软件具有诸多功能，例如三维参数化建模、曲面和实体造型、管线建模、设施规划、GIS 映射以及 3D HVAC 建模等。与此同时，软件中支持建筑全生命周期工具、协同管理并与专业软件集成，在钢桁架参数设计中，可以通过 RAM、STAAD 集成，对结构进行自动化分析。另外，Bentley 系列软件中的 3D 协调、4D 规划，也是此次钢桁架参数设计的重要功能手段，为项目团队的协同管理提供了便利。再如二次开发、数据交换、项目数据集成、变更管理以及版本控制等功能，可以为 Bentley 平台二次开发提供支持。例如在 Bentley 建模平台中，可以采用半参数化建模的方法，通过软件自带功能模块，将选煤厂运输系统钢桁架的相关参数输入其中。软件预设函数可以自动生成模型，所以确定模型样式之后不能随便更改。这就需要在建模阶段，仔细核对需要输入的钢桁架参数信息，保证输入数据的准确性。待模型生成之后，结构设计人员还需要检查模型属性与样式等，将其放置于预设完成的图层中。若构建参数化模型还需应用辅助线，那么结构设计人员绘制辅助线的过程中，建议将其设计为构造线的形式，为后续修改模型提供便利。很多模型构建前必须要提前预设参数，例如管道数据库、梁柱断面库等，对此需要安排专人负责配置。就结构设计人员建模过程中，不能随意更改，如必须更改，便需根据已确定好的工作流程提交申请。b.根据需要建立钢桁架需要的节点图库，通过调整桁架参数，自动完成钢桁架相关部分的改动，从而实现对图形的驱动，最终完成钢桁架设计绘图。c.通过将参数输出结果导入 auto lisp 中并启动auto cad 调用 cad 中的桁架节点图库，并进行钢桁架设计绘图，设计人员可以自行选择。其中 auto lisp语言，是嵌入于 auto cad 内部的一种智能化编程语言，也是开发应用 auto cad 的重要工具。auto lisp 嵌入到 auto cad 中，结构设计人员可以通过 auto cad 的二次开发，达到直接增加、修改 auto cad 指令，并根据需求扩大图形编辑，构建图形库、数据库，直接访问并修改图形。此次选煤厂运输系统设计中，钢桁架参数设计应用 auto lisp，可以将 auto lisp 程序视为不同的函数调用，确定函数调用格式为：（函数名.），具体函数类型包括赋值函数、求值函数、数值函数等。auto cad 内部在嵌入了 auto lisp 之后，便可以随意调取钢桁架节点图，根据选煤厂运输系统要求以及各项数值，在输入参数之后，完成钢桁架的设计。3 技术难点 结合选煤厂运输系统基本情况与后期投入使用的要求，针对钢桁架的参数化设计，需要重点攻克技术层面的难点。根据此次设计情况，主要技术难点总结为两个方面，具体如下：首先是钢桁架节点大量图库的建立，此项内容需要结构设计人员总结归纳各种角度、宽度、长度的钢桁架；其次是基于 Bentley 平台二次开发钢桁架参数输入和输出技术，与图库数据对接技术，需要和专业编程人员对接，才能满足功能需表 2 钢桁架参数表 项目 参数 备注 高跨比 1/51/12 屋面坡度1/2-1/3时，高跨比是1/41/6 起拱 屋架的起拱度是跨度 1/500。腹杆体系 斜腹杆对弦杆倾斜角在 30-60之间 中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 199 求。下面围绕这两点技术难点，分别作出 a.构建钢桁架节点图库。钢结构由大量钢质材料组成，在建筑结构中是十分常见的类型之一。基于此次选煤厂运输系统的钢桁架设计，为了保证现场建设施工质量以及可行性，需要构建钢桁架节点图库。该项工作主要是针对结构设计人员，根据此项目资料以及设计经验，总结不同长宽以及角度的钢桁架，并作为结构设计的资料，应用信息技术、大数据技术等，构建图库与数据库，将所有钢桁架节点信息上传其中，并将其合理分类，为今后钢桁架结构设计提供充足的信息支持。如此一来，通过构建的钢桁架节点图库，无论是选煤厂运输系统设计，还是今后其他项目的钢桁架设计，均可以在图库中筛选需要的节点图，提高设计效率。b.与专业编程人员对接。完成钢桁架节点图库设计之后，在 Bentley 平台基础上，需要对其进行二次开发。此环节需要技术人员完成各项参数的输入，应用钢桁架参数输入与输出技术、图库数据对接技术。与此同时，结构设计人员和专业编程人员对接，综合分析结构设计的基本要求以及功能需求，加强节点图库以及 Bentley 平台二次开发的功能完整性。例如图库数据对接技术在此环节的应用，结构设计人员在构建钢桁架节点图库时，需要将所有图库接口紧密衔接，具体涉及流程如下：（1）定义数据库接口。结构设计人员需要对数据库接口输入与输出参数、接口功能进行定义；（2）实现数据库接口。按照定义接口，结构设计人员利用 SQL（Structured Query Language，结构化查询语言数据库）等数据库语言，便可以实现接口各项功能；（3）测试数据库接口。当完成数据库功能设计之后，结构设计人员需要对各项数据进行测试，检验接口功能的有效性；（4）部署数据库接口。接口部署至数据库服务器中，其他系统也可以调用，实现钢桁架节点图共享。4 拟采用的研究方法、实验方案、技术路线及可行性分析 对于此次钢桁架参数设计，为了验证以上提出方法、技术路线以及实验路径的可行性，需要开展可行性分析。具体流程如下：（1）采用特征参数化方法,实现对多种设计方式和设计形式的支持。它改变了传统 cad 完全靠设计者指出几何图素的位置这一限制，将几何体的多个图素结合在一起，形成一个以特征为操作单位的新语义实体，这将包含比几何图素多得多的零件描述。（2）对于一个特征来说，其构成的几何图素之间的拓扑关系是不变的，特征形状的变化只能通过给架参数的调整，大大方便了桁架的设计修特征指定不同的参数值来实现。基于此，便需要设计人员修改相应节点位置的参数，例如对杆件的修改，就可以转化为对构成节点的特征参数值进行修改。如此一来，不用直接修改几何图素的位置，便可以完成钢桁改过程，提高了设计效率和准确性。5 预期成果与经济效益分析 通过此次对钢桁架参数设计的分析，采用 Bentley平台与 MVBA 语言编程，可以在构建的节点图库中，高效率的输入、输出钢桁架参数。与此同时，结构设计人员按照实际需求，在构建节点图库的基础上，对桁架参数进行优化与调整。此环节可以利用信息技术，自动调整钢桁架相关部分的参数，以达到驱动图形、设计钢桁架图纸的目的。最终得到参数输出结果，需要将其导入 auto lisp 程序语言，同时启动 auto cad，调用其中的桁架节点图库，为结构设计人员选择钢桁架设计图纸提供参考。通过编制出能满足施工图设计要求的钢桁架参数化设计软件，并展示钢桁架施工图设计及绘图过程，极大地提高了钢桁架参数设计的效率，也为钢桁架结构设计赋予了自动化、信息化特征。除此之外，此次在选煤厂运输系统的设计中，钢桁架参数化设计能大大提高设计人员工作效率，缩短设计周期，提高效益。能应用于煤炭、电力、化工等行业的皮带走廊设计，市场范围广，创造经济效益前景远大。6 总结 综上所述，根据本文对选煤厂运输系统的设计分析，钢桁架参数设计具有明显优势。一方面钢桁架参数化设计可以改变传统钢桁架绘图步骤，使得钢桁架设计智能化、简单化，通过对钢桁架参数输入（桁架宽度、长度、角度等），自动调用图库图纸并绘制相应施工图，从而大大提高设计效率。另一方面还有利于规范全场钢桁架设计图纸，同时能体现出企业设计技术的先进性，提升企业声誉及市场竞争力。由此可见，中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 200 今后钢桁架相关设计，可以大力应用参数设计方法，借助 Bentley 建模平台、MVBA 语言编程、auto lisp等，构建钢桁架节点图库，完善系统功能，也为钢桁架参数设计提供丰富的节点图作为支持，从而真正体现出钢桁架参数设计的应用价值。参考文献 1陈浩等,桁架式作业平台体系的参数化设计J.建筑机械化,2017(7):56.2裘罗浙男等,基于 ANSYS 的桁架系统参数化设计与目标优化J.湖北工程学院学报,2016(5):20.3张峰等,参数化设计的研究现状与发展趋势J.机械工程师,2002(1):58.4 钢结构设计手册编辑委员会.钢结构设计手册(上/下册)(第三版)M.北京:筑工业出版社,2004.5GB50017-2017 钢结构设计标准S.北京:中国建筑工业出版社,2004.6刘博伟,陈剑峰,封竺汐等.某体育馆钢屋盖优化设计及与下部混凝土框架协同作用分析J.建筑结构,2022,52(1):625-630.7杨溥,沈培文,黄诚等.新型自复位钢桁架梁的设计及参数分析J.重庆大学学报,2019,42(1):25-35.作者简介：作者简介：陆程远，男，高级工程师，现于中国煤炭科工集团北京华宇工程有限公司从事结构设计工作。