重庆大学工程硕士学位论文—幕墙结构计算软件的设计与实现.pdf

重庆大学 硕士学位论文 幕墙结构计算软件的设计与实现 姓名： 申请学位级别：硕士 专业：软件工程 指导教师：; 20070430 重庆大学工程硕士学位论文 中文摘要 摘要 我国建筑幕墙( 采光顶) 工业从1 9 7 8 年开始起步，经过2 0 多年发展，特别是9 0 年 代的高速发展，到2 l 世纪初，己发展成为世界第一幕墙生产大国和世界第一幕墙使 用大国。目前我国大小幕墙生产企业愈千家，各企业之间竞争愈发激烈，在传统 的工作方式下，人工工作量大且效率低下。在这种大环境下，催生出了很多有关 幕墙结构计算的软件。 幕墙结构计算的软件是用于幕墙设计工作中，对幕墙工程中所用到各种大小 构件进行安全强度计算的软件。是以理论力学、材料力学和结构力学等为基础， 以计算机技术和信息技术为手段，针对建筑装饰工程中的结构安全问题，支持结 构计算，优化选材的人机系统。该系统能够为客户提供幕墙设计中构件的结构安 全计算问题、以及各种构件在各种工况下的强度数据、位移数据等信息，帮助客 户对各种材料进行最优化选择，在结构安全和工程的经济性之间寻找最佳契合点。 通过入机交互功能进行计算、分析和比较判断，为工程的安全提供保障，为提高 企业的效益提供帮助。 课题的设计实现参考了国内幕墙结构计算软件的最新发展和研究成果，结合 本企业自身的特点，率先提出了“多跨铰接静定梁”的力学模型，此模型在工程中的 应用在当时属于本企业独有的领先技术。本文给出了幕墙结构计算软件颂目的 总体设计方案、功能介绍以及实现方法。 幕墙结构计算软件提供了6 大功能：玻璃幕墙计算、铝板幕墙计算、石材幕 墙计算、门窗计算、全玻璃计算和其它计算。每个功能针对一种类型的幕墙，软 件提供了对幕墙中使用到的型材、面材以及连接构件进行计算的功能。 本文在软件的设计实现中，力求以面向对象技术为方法论，以软件工程的思 想为指导，对所研究的内容进行深入细致的设计、分柝和实现。 关键词：幕墙，结构计算，荷载计算，多跨铰接静定梁 重庆大学工程硕士学位论文英文摘要 a b s t r a o i t h ec u r t a mw a l l ( r o o dm d m t r ys t a r t si n1 9 7 8i nc h i n a a f i 四t w 衄哆y e a r sr a p i d d e v e l o p m t ，e s p e c i a l l yi n9 0 s , c h i n ah a sb e c o m el h ef i r s t - r a n g e 妒o d u e e r 趾d c o 蛳1 i i l 盯a tl l l e b e g i a n i n go f2 1c e n t u r y n o w d a y s ，l h o u s a n d so fc u r t a i nw a l l 即t e f p r i z 懿o fd i f f e r e n ts e a l 嚣r i v a l ，h o w e v e n , t r a d i t i o n a l l yt h e yh a v eav e r yl o ww o r l 【 e f f e e i c n e y u n d 盯锄c hae i r e t m a s t a n l e , l l l es t r u c t u r e c u l a 虹o ns o 胁a 麟f o rc u r t a i n 埘ls p r i n go u t t h es t r u e u t u r ec a l 印1 a t i 脚弧w h i c hi s 砒c di nc u r t a i nw 酊1d c s i g nd o 髂1 l l e s a f b 锄ds t r g t h 训a 6 0 n f o ra 1 1k n d so fd 哪蜘临i nt l l ep r o j e c t s t h es y s t 锄i sa h u m a n - c o m p u t e ro n e ，w t l i c hi sb a s e do nt l l et 1 1 。0 qm c c h a r l i c $ , m a t e r i a lm h a n i e s 锄d s t r u c t u r em e c h a n i e se c c ，w m c hb y 璐m gc o m p u t e r 粕di n f o r m a t i o nt e c h o n o l o g yh e l p st o d os t r u c t u r ee a l c u l a t i o n 姐de l e m e n ts a f i ya n ds t r e n g t he a e u l a t i o n 姐df i n dt l l em o s t s u i t a b l ym a t e r i a l s t h es y s t e mp r o v i d e st h ed a t a 锄c h 豁s 仃c s sa n dd i s p l 锄ti na l l l d i l 凼o fl o a dc 髂铭跹di th e l p st h ec o $ t u m g l p st of i n dt h em o s ts u i t a b l em a t e r i a l s i t h e l p st om a k em ep f o j e e t 曲a n de c o n o m i c c a l c l l l a 血舀a n a l y s m ga n dj u d g i n gb y h u m a n - c o m p u t 盯i n t e r a c t i v ef u n c t i o nt l l e 饥t c r p r i s 鹤啪d ot h e 胛o j e e tm o r e 鼢f c l y 锄d e e o n o m i c a i l y t h ed e s i g n 黜i d e r st h el a 士e s t 加王o p i n e n ta n dr 懿e a r c hr 豁l l l t so ft h e $ t l u c t u m e a l c l l l a t i n g 脚a r ef o rc u r t a i nw a l l , r e l a c 铭t o 也ee h a r e e t e r i 幽o f o u ro w l l 即c r p r i 鸭 龃dp u t s 鼬a r dt h em u ds p 锄b e a mm o d e l ，w h o a p p l i c a f i o ni nt h e 芦o j e e t si sl h e 懿c l u 姗l yl e a d i n gt e c h o n o l o g yo f o i i te n t c r p i 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学位论文作者签名，二当礅签字日期：1 盼7 年年月多。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重迭太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废盍堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密( ) 。 ( 清只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：厂! 戡 导师签名：舅抛娟 签字日期：如7 年午月弓护日签字日期：锄僻f 月e 7 日 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 l 绪论 1 1 背景 随着社会经济的不断发展，我国建筑行业己发生了翻天覆地的变化，人们对 建筑物使用品质的要求也不断提高，为了追求建筑物内外空间的流通、融合，且 使工作和生活空间最大限度的与大自然融为一体，人们自然会想到更多利用玻璃 通明的特性。通过金属( 或玻璃) 构件与建筑玻璃组成的建筑物外墙围护结构称 为玻璃幕墙。随着科学技术和工业生产的不断发展，许多有利于幕墙发展的新原 理、新技术、新材料和新工艺被开发出来，并成功应用到幕墙设计、制造和安装 上，从而使幕墙在近3 0 4 0 年获得飞速的发展，在建筑上得到了广泛的应用并且 被建筑师们广泛采用来实现自己的设计风格。玻璃从传统定位与建筑结构到现在 的结构构件，揭开了建筑发展史的新篇章，诞生了现代建筑幕墙与采光项，它是 融建筑技术，建筑艺术，建筑功能为一体的建筑外围护构件。从某种意义上讲， 建筑幕墙与采光顶成为现代建筑的标志。 我国建筑幕墙( 采光顶) 工业从1 9 7 8 年开始起步，经过2 0 多年发展，特别是9 0 年 代的高速发展，到2 1 世纪初，已发展成为世界第一幕墙生产大国和世界第一幕墙使 用大国。2 0 0 1 年我国生产( 使用) 了约7 5 0 万n 1 2 ( 其中点式约5 0 万m 2 噪墙( 采 光顶) ，当年幕墙( 采光顶) 产量( 使用量) 占全世界1 2 5 0 万m 2 的2 3 左右，到 2 0 0 1 年底止我国工安装了约4 2 0 0 万m 2 建筑幕墙( 采光顶) ，占世界总量8 0 0 0 万 m 2 的一半左右。现在国内幕墙生产企业己能为各种工不同建筑提供所需的各种类 型幕墙。 目前幕墙我国大小幕墙生产企业愈千家，各企业之间竞争愈发激烈，市场份 额的占有取决于谁拥有更先进的技术、更高效率和谁拥有更低的成本。在技术条 件日益成熟并趋于模式化的同时，各企业在技术上的距离已经非常接近，因此市 场占有的重点便取决于同等的技术条件下谁拥有更低的成本。更低的成本意味着 更低的造价，而在工程竞标的过程中，造价在很大程度上就决定了工程竞标的成 功与否。在工程的法则告诉我们，成本总是和产品质量和安全成反比的，过于盲 目的压低成本势必会造成工程中的质量缺陷和安全隐患，而过于富裕的安全性不 仅不能提供任何有意义的进步，反而造成成本的浪费。因此，怎样在成本和质量 安全之间找到最佳的结合点成为了结构计算的目的。 在幕墙行业中，各个企业也在这个问题上花费了巨大的投入，每个企业都在 幕墙工程的结构计算方面投入了大量的人力物力和财力。但是由于幕墙行业中规 范数量种类繁多，各种规定要求相互制约，各种计算方法和计算参数相互掺杂，在传 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 统的工作方式下，人工工作量大且效率低下。很多企业的发展都深受到这个因素 的制约。在这种大环境下，催生出了很多有关幕墙结构计算的软件，但是这些软 件都有各自的优缺点，并且幕墙工程的结构计算跟各个企业自身的技术特点都是 密切相关的，并且受到各企业的生产能力、设计能力和工艺水平的限制的。因此， 能够找到一种适合自己企业的幕墙结构计算软件，成为了各幕墙企业的迫切需要。 而在需要便促使了各幕墙企业纷纷投入精力进行适合自身企业的幕墙结构计算软 件的研发。 1 2 目的及意义 本课题的研究目的是通过对软件工程的学习和研究而制定出一个幕墙结构计 算软件的研发路线并且开发出此软件。此软件是根据本人所在企业的实际情况和 企业所掌握的技术而开发，所开发出的软件应该体现自身企业的技术特点，近最 大可能发挥出企业所掌握的行业领先知识，满足自身企业的生产能力和工艺水平。 这一研发过程的最终目的和中心任务是给企业提供降低成本的技术手段，从而为 企业带来经济效益。 1 3 国内外幕墙结构计算软件状况 目前国内众多幕墙结构计算软件都存在着一个普遍的现象：功能重复。其原因 是由于一个计算软件开发出来了以后，其它的软件开发人员都以此为版本开发出 同样功能的计算软件，这样的软件很难满足不同企业的不同需求。而且也不能体 现出企业自身的优势和特点。因此，本课题的研究对象为了最大程度地发挥本企 业地特点和优势，在研究地过程中采用了“多跨铰接静定梁 力学计算模型，这在当 时是其它软件所没有地功能，也是最为突出本企业特点，提高本企业竞争力的功 能。 而国外的计算软件由于遵从国外的规范和相关要求，与国内的行业规范和要 求不相符合，甚至发生原则性冲突，例如，国外的规范规定了设计师满足规范本 身并不给予设计师法律豁免权，需要设计师已规范作为指导，自己制定结构计算 的细节准则，而国内的规范中，很多条例是借助法律的手段要求设计师强制执行 的。因此国外的结构软件很难在幕墙行业中满足国内企业的需求。 1 4 论文主要内容 第一部分说明了论文的背景、目的和意义，国内外幕墙设计软件发展的情况， 2 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 介绍了关于本次设计所用到的基本原理和相关的行业幕墙所用材料的力学特性、 结构计算的原理依据等； 第二部分对系统需求进行了分析，在此基础上概括地给出了项目“幕墙结构 计算软件软件”的总体设计方案、设计步骤以及软件功能等； 第三部分具体地给出如何设计和实现结构计算模块以及模块在软件中的应 用。 3 重庆大学工程硕士学位论文 2 基本理论和相关技术 2 基本理论和相关技术 2 1 幕墙简介 幕墙是一种悬挂在建筑物结构框架外侧的外墙围护构件。它的自重和所承受的 风荷载、地震作用等，通过锚接点以点传递方式传至建筑物主框架。幕墙构件之间 的接缝和连接用现代建筑技术处理，使幕墙形成连续的墙面。 幕墙的采用始于2 0 世纪初，当时只用于建筑的局部，且规模较小。到2 0 世纪 5 0 年代，随着建筑技术的发展，玻璃幕墙的若干技术问题逐渐得到解决，玻璃幕墙 有了很大的发展。7 0 年代以来，硅酮密封胶的质量有了突破性提高，结构玻璃装配 技术应用于玻璃幕墙，诞生了隐框玻璃幕墙。8 0 年代玻璃生产工艺及二次加工工艺 有了很大进步，进一步推动了玻璃幕墙的采用。 幕墙发展到今天，镶板除了玻璃外，还采用铝板、不锈钢板、搪瓷钢板、花岗 石板等。它标志着建筑装饰饰面板旌工技术的一次革命，使建筑物装饰饰面板施工 技术发展到一个新阶段用幕堵形式来进行建筑物装饰饰面板安装，这样就打破 了高层建筑不能使用饰面面板进行建筑物外装修的限制，使高层建筑能以幕墙形式 采用建筑装饰饰面板进行外墙装修。幕墙几乎成为现代建筑的标志。 2 2 幕墙材料简介 2 2 1 钢材 钢材在铝合金幕墙材科占有很重要的地位。比较大的幕墙工程，要以钢结构 为主骨架，铝合金幕墙与建筑物的连接构件大部分采用钢材，使用的钢材以碳素结 构钢为主，它是延性材料中力学性能比较典型的材料，其他很多材料的力学性能的 描述是从碳素结构铜引申出来的。 2 2 2 铝合金材料 铝合金材料是幕墙工程大量使用的材料，幕墙金属杆件以铝合金建筑型材料为 主( 占9 5 以上) ，幕墙面板也大量使用单层铝板、铝塑复合板、蜂窝铝板等。化 学成分是决定材料各项性能的关键因素。为了获得良好的挤压性能、优质的表面处 理性能、适宜的力学性能、满意的表面质量和外观装饰效果，必须严格控制铝合金 的化学成分。 铝合金建筑型材是铝合金玻璃幕墙的主材，目前使用的主要是3 0 号锻铝( 6 0 6 1 ) 和3 l 号锻铝( 6 0 6 3 、3 0 6 3 a ) 高温挤压成型、快速冷却并人工时效t 5 【或经固溶热 处理( t 6 ) 】状态的型材，经阳极氧化( 着色) 或电泳涂漆、粉末喷涂、氟碳化喷涂 表面处理u j 。 4 重庆大学工程硕士学位论文2 基本理论和相关技术 2 2 3 紧固件 幂墙构件是由面板、铝合金建筑型材拼合连接成基本构件后，运到工地通过安 装形成幕墙体系。因此，在幕墙制作，安装过程中连接占有重要地位，任何幕墙结 构都会遇到连接问题。 幕墙构件连接，除隐框幕墙结构装配组件玻璃与铝框的连接采用硅仝密封胶胶 接外，通常用紧固件连接。紧固件把两个以上的金属或非金属构件连接在一起，连 接方法分不可拆卸连接和可拆卸连接两类。铆合属于不可拆卸连接，螺纹连接属于 可拆卸连接，使用这类连接的构件可以自由拆卸，使用方便。 紧固件有普通螺栓、螺钉、螺柱和螺母，不锈钢螺栓、螺钉、螺柱和螺母以及 抽芯铆钉。 2 2 4 密封胶 铝合金玻璃幕墙用的密封胶有结构密封胶、建筑密封胶( 耐侯胶) 、中空玻璃 二道密封胶、放火密封胶等。结构玻璃使用的结构密封胶只能是硅酮密封胶。它的 主要成分是二氧化硅，由于紫外线不能破坏硅氧键，所以硅酮密封胶具有良好的抗 紫外线性能，因此它是非常稳定的化学物质。结构玻璃装配使用一种硅酮结构胶， 把玻璃固定在铝框上，将玻璃镶片承受的荷载荷间接作用通过胶缝传递到铝框上。 结构密封胶是固定玻璃并使其与铝框有可靠连接的胶粘剂，同时也把玻璃幕墙密封 起来。要求结构密封胶对建筑环境中的每一个因素，包括热应力、风荷载、气候变 化、地震作用等均有相应的抵抗能力。 由于在某些幂墙的构造中，例如隐框幕墙和全玻璃幕墙等，硅酮结构密封胶是 作为结构受力构件而存在的，因此在幕墙智能设计软件的节点设计模块中，将对硅 酮结构密封胶的厚度、宽度和种类进行设计，并且根据结构计算模块的计算结构来 确定硅酮结构密封胶的节点形式。 2 2 5 玻璃 玻璃是铝合金幕墙主要材料之一，它直接制约幕墙的各项性能，同时也是幕墙 艺术风格的主要体现者，因此选用玻璃是幕墙设计的重要内容，如果玻璃选用不当， 会产生相当严重的后果。 玻璃要承受荷载，必须具备一定的力学性能，但玻璃产品的力学性能差异很大， 目前尚未制定出玻璃力学性能的统一标准。通常幕墙所用玻璃分为以下几种：普通 平板玻璃、浮法玻璃、钢化玻璃、夹层玻璃、中空玻璃。 2 2 6 花岗石、大理石 花岗岩多数结构紧密，呈现美丽的自然构造纹理，具有很强的装饰性。大理石 和花岗石都是高级装饰材料。大理石主要应用于建筑物室内饰面，其色彩、花纹丰 富多彩，绚丽美观；而花岗石则适用于建造纪念性建筑物、各种高级公共建筑及民 用建筑是室内外饰面装饰，其饰面往往给人一种庄重大方、高贵豪华之感。在装饰 5 重庆大学工程硕士学位论文 2 基本理论和相关技术 造价及旌工操作要求上和，花岗石都高于大理石【”。 2 3 荷载与间接作用 幕墙与采光项是建筑物的外围护构件，它要承受的外界旌加给它的各种作用。 建筑结构可靠度设计统一标准( g b 5 0 0 6 8 ) 对结构上的作用给出的定义：髓加 在结构上的集中或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束变形的原因，均成为结 构上的作用”。“引起结构外加变形或约束变形的原因系指地震、基础沉降、温度变 化、焊接等作用”。这就是说，作用是指能使结构产生效应( 内力、变形、应力、应 变、裂缝等) 的各种原因的总称”。其中包括施加载结构上的集中力荷分布力系， 以及形成结构外加变形或约束变形的原因。前一种作用是力( 包括集中力和分布力) 载结构上的集结，就是通常说的荷载。后一种作用( 如温度变化、材料的收缩与徐 变、地基变形、地震等) 不是以力的形式出现的。建筑结构荷载规范( g b 5 0 0 0 9 ) 对直接作用作了规定。间接作用，除地震作用由建筑抗震设计规范( g b 5 0 0 1 1 ) 作了规定外，其余间接作用暂时还没有相应的规范。 考虑结构随时间的变异性的持续性，可分为三个类别：i n 曲永久作用。在设计基准期内，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比 可以忽略不计者，如自重，土压力、预应力等。 b ) 可变作用。在设计基准期内，其值随时间变化，且其变化与平均值不可忽 略者，如风荷载、雪荷载、温度变化等。 c ) 偶然作用。在设计基准期内不一定出现，而一旦出现，其量值很大且持续 对闻较短，如地震、龙卷风等。 按作用随空间位置的变异性可将作用分为固定作用和可动作用。按作用对结构 的反应可分为静态作用和动态作用【l l 】。 建筑结构设计时对不同荷载应采用不同的代表值。对永久荷载，应采用标准值 作为代表值。对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值 作为代表值。对偶然荷载应根据试验资料，结合工程经验确定其代表值。 建筑结构设计时应采用标准值作为荷载的基本代表值。永久荷载标准值，对结 构自重，应按结构构件的设计尺寸与材料单位体积的自重计算确定。对于某些自重 变异较大的材料荷构件，自重标准值应根据对结构的不利状态取上限值或下限值。 对可变荷载的标准值按以下各节的规定采用。 承载能力极限状态设计或正常使用极限状态按标准组合设计时，对可变荷载应 按组合规定采用标准值或组合值为代表值。可变荷载组合值，应为可变荷载标准值 乘以荷载组合系数。正常使用极限状态按频遇组合设计时应采用频遇值。可变荷载 的频遇值为可变荷载标准值乘以荷载频遇值系数。可变荷载准永久值为可变荷载标 准值乘以荷载准永久值系数。 6 重庆大学工程硕士学位论文 2 基本理论和相关技术 建筑结构设计应根据使用工程中在结构中可能同时出现的荷载，按承载能力极 限状态和正常使用极限状态进行荷载( 效应) 组合，并取各自最不利组合进行设计。 对于承载能力极限状态，应按荷载效应的基本组合或偶然组合进行设计，并采用下 列设计式表示： r o $ r f 0 为结构重要性系数，对于安全等级为一级、二级和三级的结构构件，可分别 取1 1 、1 0 和o 9 【1 l 】。 2 3 1 风荷载 风荷载是作用于幕墙和采光顶上的一种主要直接作用。它垂直作用于幕墙和采 光顶的表面上。幕墙和采光顶是一种薄壁外围护构件，一块玻璃，一根杆就是一个 受力单元，而且质量较轻，在设计时，既需考虑长期使用过程中，在一定时距平均 最大风速的风荷载作用下保证其正常功能不受影响；又必须注意到在阵风袭击下不 受损坏，避免安全事故。建筑结构荷载规范( g b 5 0 0 0 9 ) 规定对垂直于建筑物表 面的风荷载标准值，当计算主要承重结构对应按下式计算； w k = b z 屺w o 式中w k 一冈荷载标准值，n m 2 8 r 高度z 处的风振系数 l i 掌一风荷载体型系数 w 旷_ 差本风压，n i m 2 当计算围护结构时应按下式公式计算： w k - - - - p g z p - s p - z w 0 式中阢r 高度z 处的阵风系数 i i 窖一风荷载体型系数 风荷载的组合值、频遇值和准永久值系数可分别取0 6 、0 4 和o 【“1 。 2 3 2 雪荷载 雪荷载是玻璃采光顶主要荷载之一。在我国寒冷地区及其他大雪地区，玻璃采 光顶对雪荷载更为敏感，因雪压导致玻璃采光项破坏的事故常有发生合理确定雪荷 载的大小极其在玻璃采光顶上的分布，将直接影响玻璃采光顶的安全性、使用性和 经济性。 2 3 3 地震作用 地震是一种突发性自然灾害，目前科学技术还达不到控制地震发生的水平，但 是可以预防和减轻地震灾害。人类在长期与地震灾害的斗争中，积累了丰富的经验， 随着科学技术的发展，人们通过地震台站网监测记录和现场调查，积累了不少地震 7 重庆大学工程硕士学位论文2 基本理论和相关技术 资料，对这些资料的分析和经验总结，人们对地震作用规律有了初步认识。 地震是一种自然现象，地壳中岩层发生断裂或错动，以及火山爆发都可能导致 地面发生程度不同的震动，这种现象称为地震。随每次地震强烈程度不同，释放出 的能量大小是不同的，所引起的地震灾害也是不同的。地震的强弱在地震工程学中 是以震级来表示的，它直接取决于一次地震中所释放出的能量大小，所以每次地震 都有一确定的震级。震级是对地震大小的相对度量f l 】。 2 3 4 自重和活荷载 自重是沿幕墙或采光顶实际面积分布的垂直于地面的水平荷载，建筑结构荷 载规范( g b 5 0 0 0 9 ) 附录一，对有关材料自重标准值的规定如下： 钢 7 8 5 k n m 3 铝合金2 8 k n m 3 普通玻璃 2 5 。6k n m s 钢丝玻璃2 6 k n m 3 花岗石2 8 k n m 3 对于幕墙与采光顶，构件自重标准值设计未作规定时，可按下列数值采用： 嵌入物为中空( 夹层) 玻璃的幕墙( 采光顶) 5 0 0 n m 2 嵌入物为单层玻璃的幕墙( 采光顶) 4 0 0 n m 2 嵌入物为花岗石的幕墙 1 1 0 0n l m 2 活荷载是指采光顶水平投影面上的活荷载，并假定为垂直于地面的均匀分布 值，可取5 0 0 n m 2 。屋面均布活荷载不应与雪荷载同时考虑。屋面活荷载的组合值、 频遇值和准永久值系数可分别取为0 7 、0 5 和o 【n 1 。 2 4 结构设计原理和方法 结构计算是根据所拟订的结构方案和构造。按所承受的作用进行内力计算，确 定出杆件的内力，再根据所用材料的特性，对整个结构极其连接进行核算，看它是 否符合经济、可靠、适用等方面的要求。但从一些现场记录、调查数据和试验资料 看，计算中所采用的标准荷载与实际荷载之问，计算所得的应力值与实际应力值之 间，材料力学性能取值与材料实际力学性能之间，计算截面与材料实际截面之间， 都存在一定差异。 建筑结构设计要解决的根本问题是：在结构的可靠与经济之间选择一种合理的 平衡，力求以最经济的途径，使所建造的结构以适当的可靠度满足各种预定的功能 要求。 幕墙结构计算的依据主要是国家和行业规范： 系统界面与系统所在操作平台的主流界面风格统一，操作及选择键( 热键、 菜单选择等) 的功能定义在全系统保持一致； 系统界面美观漂亮、通俗易懂，直观易懂一日了然； 系统界面符合慕墙计算行业的习惯； 对于呈现给用户的信息能够通过简单的操作实现图表变换，且图表能够并 存； 能够对当前的内容做排序、构成比率、速度比率、相关比率等深层分析， 能够实现不同切片间图或表的对比分析。 对于计算结果等，提供可选的打印功能，并提供w o r d 文档电子文档的存 l s 重庆大学工程硕士学位论文3 系统需求分析 储功能： 计算书格式： 根据该系统特点，其报表设计遵循如下原则： 用户可以根据自己的需要，灵活选择任意指标( 变量) 和角度( 维度) 对 数据进行分析。因此，系统给出的计算书以体现分析功能为主； 符合w o r d 文档的格式 对于计算书的输出，提供用户可选或可定制的多种输出形式，充分体现用 户自定义显示形式。 3 3 2 系统性能要求 数据精确度： 慕墙计算结果的准确性，除了依赖于适当的、科学的分析方法，更重要地是 所分析数据的质量。数据质量主要体现在以下几个方面： 数据的正确性； 数据的一致性； 语义可理解性； 完整性。 因此，对于源业务系统所遗留的质量较差的数据，根据数据仓库的数据质量 要求，提供相应的处理。 数据量： 系统数据量估算：数据仓库的数据包括集成多个业务系统的历史数据、当前 数据、细节数据和各种程度的综合数据，因此数据量要比一般独立的业务系统大 很多；而且，数据存储容量很大程度上受到多维模型设计影响，即数据分析的维 度多少、各个维度的维值数和分布等。因此，必须在系统的设计阶段才能最终确 定。 3 3 3 时间特性要求 能保证在5 秒内完成一般数据的计算和分析； 大数据量计算和分析的处理响应时间：对于大数据量的统计，能保证1 0 秒内完成。 3 3 4 应用集成需求 同时，为了保护原有系统的投资，系统集成各业务系统原有的各个计算与分 析模块，能够在系统中灵活添加新的模块与功能，可扩展性良好。 3 4 系统目标 本系统的目标是： 本软件是一套齐全、实用、方便的幕墙计算软件。 1 9 重庆大学工程硕士学位论文 3 系统需求分析 1 ) 计算范围包含了全隐框、半隐框( 显横、显竖) 、明框玻璃幕墙，金属板幕 墙( 含铝塑复合板、铝单板、蜂窝铝板、单体搪瓷板、复合搪瓷板、不锈钢板) ， 石材幕墙( 含钢销、托板、通长槽、周边金属框、背栓) ，干挂瓷板( 含插销、扣 槽、托板、背栓形式) 幕墙、全玻璃幕墙、四点肋( 无肋) 驳接、点索、杆结构， 门窗，采光顶等幕堵设计中常用的幂墙产品计算功髓。 2 ) 竖框力学模型包括单跨、双跨、连续梁，多跨铰接静定、多跨铰接一次超静 定等模型，龙骨材质包括6 0 6 i - t 4 、t 6 ；6 0 6 3 - t 5 、t 6 ；6 0 6 3 a - t 5 、t 6 ：q 2 3 5 ； q 3 4 5 等，并允许设计者自己定义型材，支持钢铝结合龙骨的计算( 门窗部分支持 铝钢、塑钢结合龙骨) 。 3 ) 计算内容包括龙骨计算、板块计算、连接计算、焊缝计算、埋件计算、胶类 计算、伸缩计算、紧圃计算、保温计算( k 值计算) 、结露计算等十余项。 4 ) 幕墙设计软件应具备准确可靠的计算公式，从而保证强度计算书的正确性。 5 ) 可按照工程设计的要求，任意选取某种力学模型( 筒支梁、双跨梁、多跨铰 接梁1 来设计幕墙，从而选取最节省材料的设计方案。 6 ) 具备任意型材截面计算功能，为选取最合适的型材( 既能满足强度要求，又 不浪费型材1 提供真实可靠的截面数据，以便在设计阶段最大限度的降低成本 7 ) 软件可以提供一份准确、详实的强度计算书，并且，必须包括用户输入的参 数、计算过程和计算结果。 在幕墙工程的实际工作中，计算是必不可少的一项，简单、方便的幕墙计算 软件可以简化工作，节省时间。但业内同类软件种类较少，很少有从设计实际情 况出发考虑的，输入输出上也不太符合设计师习惯，要想得到计算结果。破费周 折，准确度不是很高，工程应用上很不方便，对不是很熟悉计算的设计人员来说 更是很费劲，这些软件价格又很贵，功能庞大但不是都很实用，比较浪费，我们 做的是一个纯计算版本，是我们在工程实践中为方便工作而设计的，非常适用于 幕墙施工设计、方案设计、施工监理等相关专业人员使用。从工程实际情况出发， 严格按照国家相关规范编制，使用上菲常贴近幕墙设计频的习惯。使用也菲常简 单，还有完善的帮助文档。 软件的计算项目： 1 ) 玻璃幕墙( 全隐框、半隐显横、半隐显竖、明框) 2 ) 金属板幂墙( 铝塑复合板、铝单板、蜂窝铝板、不锈钢板) 3 ) 石材幕墙( 钢销、托板、通长槽、背栓) 4 ) 全玻璃幂墙( 面板玻璃为单片、中空、夹胶，无肋或加肋) 5 ) 四点驳接幕墙( 面板玻璃为单片、中空、夹胶) 回门、窗系统 重庆大学工程硕士学位论文4 总体设计方案 4 总体设计方案 4 1 系统目标 本软件有如下特点： 界面友好、简单，计算项目相当齐全，完全符合国家相关新规范、新标准。 直接生成w o r d 文档，生成的w o r d 文档中，字体大小、格式、以及相 关的工程信息都自动生成，只须直接打印即可。 数据参数输入如果有不合法，或不符合规范，能够立即得到准确提示。考 虑到实际工程情况，如果计算不满足要求，仍然能生成计算书，但是，对不满足 的项目有提示。 每一项都具有计算预演功能，输入数据，选择材料后可以预演计算结果。 对一些项目的选择有帮助按扭给予提示。 由幕墙技术人员自己编制，完全从幕墙设计人员角度出发，避免了商业软 件开发的缺点。 4 2 系统逻辑框架设计 经过对系统需求的详细分析，参照管理科学，数学和数据挖掘等科学为基础， 以数据库技术，数据仓库，c s 等计算机技术为手段，实现了一个基于微软最新平 台n e t f r a m e w o r k 的三层( 数据层、业务层和表现层) c l i e n t s e r v e r ( c s ) 结 构幕墙计算软件( 见图4 1 ) 。 系统的构架为三层( 数据层、业务层和表现层) 的c l i e n t s e r v e r 结构的瘦客 户端形式，数据存放在数据库服务器上，业务逻辑都集中在应用服务器上，( 具体 实现的时候我们是把这两个服务器放在同一台计算机中) 当有多个用户使用系统的 时候，数据操作在应用服务器和数据库服务器之间完成，减少了数据传输的流量， 提高了系统的安全性，并且所有运算都在服务器端完成，只是将运算结果传送到 客户端，克服了传统c l i e n t s e r v e r 结构存在的很多体系结构上的问题。比如： 当客户端数目激增时，服务器端的性能会因为负载过重而大大衰减；一旦应用的 需求发生变化，客户端和服务器端的应用程序都需要进行修改，给应用维护和升 级带来了极大的不便；大量的数据传输增加了网络的负载等等。 表现层提供给用户一个视觉上的界面，通过界面层，用户输入数据、获取数 据。界面层同时也提供一定的安全性，确保用户没有会看到机密的信息。三层体 系的应用程序将业务规则、数据访问、合法性校验等工作放到了中间层进行处理。 通常情况下，客户端不直接与数据库进行交互，而是与中间层建立连接，再经由 中间层与数据库进行交互。 2 l 重庆大学工程硕士学位论文 4 总体设计方案 系统的总体设计如下： 图4 1 系统总体设计 f i g u r e4 1t h em a i nd e s i g no f t h es y s t e m 每个模块的流程图如下： 图4 2 模块设计 f i g u r e4 2m o d u l ed e s i g n 囱 囱密 重庆大学工程硕士学位论文4 总体设计方案 4 3 界面设计 4 3 1 玻璃幕墙计算模块 我们选取具有代表性的玻璃幕墙计算模块和石材玻璃慕墙计算模块来介绍 玻璃慕墙计算模块的主要功能是实现玻璃幕墙的实现 页面截图如下： 图4 3 玻璃幕墙计算模块截图 f i g u r e4 3t h eg u i o f t h eg l a s sa d c u l a l ef u i k 难o n 用户在复选框中选择刚度计或者也可以选择强度计，也可以同时开启这两个服 务，然后在单选框中3 选一，在文本框输入第一片的参数等等，按照这样的方式设置 好参数以后就可以点击计算按钮进行计算，在窗口右边就会显示计算结果，也可以 点选输出结果文字：这样就可以输出到计算书形成w o r d 文档 4 3 2 石材玻璃幕墙计算模块 主要功能是实现石材幕墙的实现 页面截图如下： 重庆大学工程硕士学位论文4 总体设计方案 凰4 4 石材幕墙计算模块截图 f i g u r e4 4t h eg u io f t h es t o n ec a l c u l a t ef l m g l i o n 各个控件布局合理，参数设置方便，结果显示比较清晰，可以更加用户的不同选 项，以不同形式输出结果 4 4 数据库设计 后台数据库采用m i c r o s o r a c c e s s ；a c c e s s 适用于小型数据计算分析活动，用以 存贮和管理数据处理活动所需要的数据。a c c e s s 不仅是一个数据库，而且它具有 强大的数据管理功能，它可以方便地利用各种数据源，生成窗体( 表单) ，查询， 报表和应用程序等所以我们先在选用了简洁，方便，易管理的a c c e s s 数据库，后来 又移植到了s q ls e r v e r 数据库 为了增强数据的安全性，这就要求采用大型数据库，以保证系统启用以后不会 出现数据丢失，死机等现象，并保证数据库的一致性，并发性和可移植性，而且还要求 有定期备份，数据恢复等功能，不同的管理员只能调用不同的资源，即权限管理。于是 我将整个系统选用s q l s e z v e r 2 0 0 0 s q l s e r v e r 本身具有事务回滚，定期备份等功能，所有系统数据安全是有保证 的。在权限管理方面，根据企业的实际情况和从简化系统出发对后台数据库不用做 严格的权限控制，只要通过前台数据库开发工具对用户登陆权限进行相应的严格划 分和控制就可以了。对所有从远大幕墙计算商务前台登陆的合法用户，都以d b o 的 角色来访问后台数据库。 重庆大学工程硕士学位论文 4 总体设计方案 数据库逻辑关系图如下： 图4 5 数据库逻辑关系图 系统设计的表屏幕截图如图所示： 图4 6 数据库中的表 由于慕墙计算行业的行业惯例，我们在设计各个表之问的关系的时候，尽量保 3 。 重庆大学工程硕士学位论文 4 总体设计方案 证各个表之间的联系尽可能少，保持相互独立性近年来慕墙计算行业才引入计算 机技术以前的慕墙计算都采用的是手工计算的方式为了减少每次修改参数导致 的计算量太大我们的计算公式需要的参数都尽量使它保持独立性，也就是一个参 数的修改，不会引起公式中其他参数或者其他部分的改变，这样整体的计算量就比 较小了所以我们的数据库中表也就基本上是相对独立的了。基本没有什么联系 下面对比较重要的数据库表作简要阐述 4 4 1 竖框截面参数表 表4 1 呔表字段构造 1 铀i c4 1t h es t r u c r l r eo f t h et a b l es k 序号字段名含义类型说明 n u l l - 型材代号主兰雾薹言差关藿翥二纂：；! ；! 对文本 n 2 x 向惯性矩 3 y 向惯性矩 4 x 向抵抗矩 5y 向抵抗矩 6截面面积 7线密度( 烈僵d 型材的5 个力学参数之l 型材的5 个力学参数之2 型材的5 个力学参数之3 型材的5 个力学参数之4 型材的5 个力学参数之5 型材的物理参数，型材每米的重力 数字 数字 数字 数字 数字 数字 截图如下： n n n n n n 重庆大学工程硕士学位论文4 总体设计方案 4 4 2 风荷载地区表 图4 7s k 表内容截图 表4 2f y f b ! 表字段构造 1 j i b l e 4 - 2t h es i z l l c t u l o f t h ct a b kf y f b l 4 4 3 竖框材料表 存储竖框和横框材料的力学属性 重庆大学工程硕士学位论文4 总体设计方案 表4 3 竖框材料表字段构造 t a b l e4 3t h es t r u c t u r eo f t h et a b l em a h e a lo f t h em u l l i o n 序号 字段名含义类型说明 n u l l 1 材科名称材料类型地名称文本主键 n 2 抗弯拉压值 抗剪值 e 值 f b e 值 d 翌! 錾型肇垄差至辇，用于确定材料的设 文本 n 计许用拉压应力大小 一 一 翌! 鍪篓望空差掌数，用于确定材料的设 数字n 计许用剪应力大小 一 翌譬材料的杨氏弹性模量力学性能参 数字 n 数) 一 翌譬! 臻登尝裴兰曼黧箜凳受力方数字 n 式) 情况下地设计许用压应力大小 一。 一 对应材料地泊松比( 力学性能参数)数字n 4 5 系统开发平台 4 5 1 设备 运行该软件所需要的硬件设备为l 台m m 兼容机( 或1 u 服务器) ，配置说明 如下： 处理器型号：p 42 6 g l ；内存容量：1 g x l 外存容量；i d e 硬盘( 4 0 g x l ) ； 输入设备：键盘；输出设备：显示器； 数据通信设备：i o - i o o m 自适应网卡x 2 ； 本软件通过网络传输数据，不包含其他数据通信设备； 4 5 2 支持软件 本软件运行所需的支持软件说明如下： w i n d o w sx pp r o f e s s i o n a ls p 2 m i c r o s o rs q ls e r v e r 2 0 0 0 m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o n e t 4 6 软件环境与测试环境 操作系统要求使用：w i n d o w sx ps p 2 ； 安装m i c r o s o r n e tf r a m e w o r k l 1 和v i s u a ls t u d i o n e t ； 安装数据库管理系统为：m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 ； 2 3 重庆大学工程硕士学位论文 5 结构计算模块的设计与实现 5 结构计算模块的设计与实现 为了使企业获取更多的效益，幕墙设计人员在进行幕墙设计的时候都希望工 程的材料成本做到尽可能的低，但同时又要兼顾结构的安全性。此时，幕墙设计 人员便需要借助幕墙结构计算软件对幕墙的构件进行结构计算，以便在满足结构 安全的基础上对材料进行优化，以较少的材料成本到达较好的工程质量。 在整个工程中，横、竖框等主要构件的材料成本占了整个幕墙工程成本的一 大部分，而且一个工程中横、竖框的数量很多，与竖框密切相关的附件的数量也 是很大。因