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多高层建筑钢结构计算机辅助设计与优化系统研究 捅要 摘要 多高层建筑钢结构是今年来快速发展的一种建筑结构，已广泛在各种建筑中 得到采用。本文以其设计与优化系统为研究对象，通过大量文献阅读与基本理论 研究、系统分析设计、理论深化推导与发展，最终进行了软件系统的开发。本文 对所用的建筑结构c a d 软件开发与截面优化技术进行了反复论证与逐步深化， 其最终技术与应用成果已经部分经过工程实践检验与应用，具有比较强的实用化 特点。本文的研究工作主要集中于如下三个方面： 1 采用国际流行的“建筑一结构一施工”体化协同系统组织概念进行整个 系统的框架设计；利用面向对象分析、设计与开发技术，本文建立并实现了适用 于建筑钢结构设计与优化的面向对象数据结构模型。 2 针对系统中规范验算、节点设计与自动出图等复杂操作，引入了组件化 程序设计，并进行了具体的组件开发，完成了相应复杂功能的实现，同时也极大 地提高了程序代码的可维护性与可扩充性。 3 通过创新性的发展，本文建立了一套针对多高层钢结构截面优化的系统 方法。本文对目标函数、优化变量与约束处理进行了大量的工程化处理，把实际 中的因素基本进行了考虑；针对截面整体算法优化，本文对“位移准则法”进行 了算法的标准化表达改造，并在截面处理通用性、墙元处理、扭转约束处理、地 震组合处理及离散化处理方面五个方面取得了整体优化理论的创新性拓展；针对 截面局部算法优化，本文基于拟满应力法思路进行了改造；针对截面概念优化， 本文建立了基于人工干预方式的辅助工具算法：最后，系统进行三个方面的综合， 并通过软件具体实现及五个工程算例实例验证。 关键词：结构c a d 、组件、结构优化、位移准则法、拟满应力法 多高层建筑钢结构计算机辅助设计与优化系统研究摘要 a b s t r a c t m u l t i & t a l ls t e e lb u i l d i n gh a sp r o g r e s s e dg r e a t l yi nr e c e n ty e a r s ，a n dh a sb e e n a p p l i e di na l m o s ta l lk i n d so fb u i l d i n g s a i ma te s t a b l i s h i n gad e s i g na n do p t i m i z a t i o n i n t e g r a t e ds y s t e mf o rm u l t i & t a l ls t e e lb u i l d i n g ，t h ep a p e rr e v i e w st h eg r e a tm a s so f r e l a t i v el i t e r a t u r e sa n dr e s e a r c h e s ，a n dt h r o u g hs y s t e m i ca n a l y s i sa n dt h e o r e t i c a l d e v e l o p m e n t ，h a se s t a b l i s h e d t h ei n t e g r a t e ds o f t w a r e s y s t e mi n t h ee n d t h e t e c h n i q u e so fs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n dc a da p p l i e di nt h ep a p e r , h a v eb e e n d e m o n s t r a t e dt i m ea n da g a i na n dd e v e l o p e ds t e pb ys t e p t h es o f t w a r es y s t e mh a s m a i n l yb e e nc h e c k e da n da p p l i e d t h em a i nr e s e a r c h e sf o c u so nt h ef o l l o w i n gt h r e e a s p e c t s ： 1 “a r c h i t e c t u r e - e n g i n e e r i n g - c o n s t r u c t i o n ”，ap o p u l a rc o l l a b o r a t i v es y s t e m f r a m e w o r k ，h a sb e e na p p l i e di nt h ed e s i g no ft h es y s t e mf r a m e w o r ka n dm o d u l e s t h r o u g ho r i e n t e do b j e c ta n a l y s i s ，d e s i g na n dp r o g r a m m i n g ，t h ep a p e re s t a b l i s h e sa n d r e a l i z e sa no r i e n t e do b j e c ts t r u c t u r ef o ra l lp h a s eo fm u l t i & t a l ls t e e lb u i l d i n gd e s i g n 2 t oc r i t e r i o nc h e c k i n g ，n o d ed e s i g n ! n ga n da u t o m a t i c a l l yd r a w i n g ，t h es y s t e m a d o p t st h et e c h n i q u e so fc o m a n dr e a l i z e st h o s ec o r r e s p o n d i n gc o m p r o g r a m t h e s e a d o p t e dc o mp r o g r a m sn o to n l yr e a l i z et h ec o r r e s p o n d i n gc o m p l i c a t e df u n c t i o n s ，b u t a l s og r e a t l yi m p r o v et h em a i n t a i n a b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t yo ft h ec o d e s 3 t h r o u g hj n n o v a t i v ed e v e l o p m e n t ，t h ep a p e rb u i l d su pas y s t e m i cm e t h o df o r t h eo p t i m i z a t i o no fm u l t i & t a l ls t e e lb u i l d i n g f i r s t l y , t h ep a p e rd i s p o s e st h eo b j e c t i v e f u n c t i o n s ，o p t i m i z a t i o nv a r i a b l e sa n dr e s t r i c t i o n sp r a c t i c a l l ya n dt h o r o u g i iy i nt h e a s p e c to ft h et o t a ls e c t i o no p t i m i z a t i o n t h ep a p e rb a s e so nt h ee x i s t e df r u i t si nt h e d i s p l a c e m e n tr u l ed e s i g n ，t h r o u g hi n n o v a t i v ed e v e l o p m e n ti nf i v ea s p e c t s ，s e t su pa n u n i v e r s a lm e t h o dt ot h et o t a ls e c t i o no p t i m i z a t i o n 1 nt h ea s p e c to ft h el o c a ls e c t i o n o p t i m i z a t i o n t h ep a p e rd e v e l o p sam e t h o db a s e do ni m i t a t i v ef u l l s t r e s sd e s i g n i n t h ea s p e c to fc o n c e p ts e c t i o no p t i m i z a t i o n ，t h ep a p e ra l s oe s t a b l i s h e sa r i t h m e t i ct o o l s i nt h ee n d ，t h ep a p e rs y n t h e s i z e st h r e em e t h o d s ，a n dr e a l i z e st h e mi nt h ep r o g r a m t h e o p t i m i z a t i o nr e s u l t sh a v eb e e na f f i r m e db yf i v ep r o j e c te x a m p l e s k e y w o r d s ：s t r u c t u r ec a d ，c o m ，s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ，d i s p l a c e m e n t r u l ed e s i g n ，i m i t a t i v ef u l l - s t r e s sd e s i g n 声明 本人郑重声明：本人是在导师李国强教授的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果，撰写成博士学位论文多高层建筑钢结构计算 机辅助设计与优化系统研究。除论文中已经注明引用的内容外，对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或 未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 声明人宅哲 二零零五年三月 多高层建筑锕结构计算机辅助设计与诧化系统研究 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 1 1 1 建筑结构的计算机辅助设计 随着计算机硬件性能的迅猛提高，以及计算机软件开发技术、有限元数值计算技术、计 算机图形处理技术和数据库存储技术的飞跃发展，计算机辅助设计( 以下简称c a d ) 技术 近年来得到了快速发展目前，c a d 技术已经广泛应用于建筑结构的分析、设计、绘图、 造价统计、辅助生产与信息管理【1 1 1 1 1 ：3 1 ，其相关软件也已成为结构设计、工程预算、构件加 工与工程管理等领域内必不可少的工具，并成为建筑行业中企业竞争的最有利武器之一 图1 1 建筑结构设计工作的流程图 建筑结构设计是介于建筑设计与施工( 加工) 设计之间的一个阶段，其需要根据建筑设 计的要求与建筑设计图纸相互协调，通过力学分析与设计。在保证安全性与经济性的前提 下。确定建筑物实体尺寸与实现构造细1 i ：并将设计结果与过程通过文本与图纸完整表达。 作为施工( 加1 ) 阶段设计的输入及第三方审核与检查的依据。其要求设计者根据本人的实 践经验，根据建筑信息从力学角度出发建立符合实际情况的建筑结构模型；升初始设定方 案分析所用参数，然后进行结构分析，由分析结果并根据规范进行糍体约求与构件局部约求 的验算，根据约粜的验算结果进行原方案所h j 参数的调摧，最终获得同时满足粘体与构件局 部规范与性能约求要求的设计方窠：然_ i 亓h j 陶形对设计结果进行规范化表达j u 文本对设计 过张与结论进行记录 将这些图形! j 文本蜩设计袭达结果传递第二方审商! ，施l 疗进行涟l + 多商层建筑钢结构计算机辅助设计与优化系统研究 第一章绪论 幽( 加工图) 设计。从日前的c a d 技术角度来看，这一系列建筑结构的设计过程都可以由 c a d 技术进行辅助，对于结构模型可以通过图形技术与用户交互技术便捷的输入与调整 并通过三维图形进行直观表现与查询：对于结构分析可以通过有限元技术进行准确的分析， 得到满足工程精度要求的构件内力与位移等反应；对于整体与局部的规范与性能要求，可以 由软件根据相应规范要求进行统计、调整、设计与验算；对于结构图纸表达，可以由软件对 大部分常规情况进行自动化图纸生成：对于结构设计计算书，可以由软件根据按规范步骤与 格式要求自动进行过程输出。 建筑结构c a d 技术的更进一步发展，将实现在方案调整中引入优化技术实现结构的 较优化设计，如果集成了方案初始参数的自动设定与分组技术功能，并与优化技术结合，则 可以实现截面参数的优化设计功能，从而进一步提高设计效率与经济性。从信息充分共享与 协同工作的角度来进一步发展，将实现建筑设计模型到结构设计模型与结构模型到施工( 加 工) 设计模型的直接转换，以及实现多种结构分析设计软件数据文件模型( 规范规定一般较 大型结构需要2 - 3 个结构软件进行分析、比较) 的直接数据转换，可以进一步提高设计效率 与减少信息转换过程中的错误。 一个完美的c a d 软件系统，从功能上讲能够全面、便捷的支持结构模型的建立、分析、 设计、自动图纸生成、计算书自动输出；另外更进一步的发展，将集成优化设计与充分支持 信息共享与转换，这是我们所追求的理想境界。实际上，结构形式千差万别，特点也各不一 样，要追求一个通用的、功能全面的完美建筑结构c a d 软件系统是不现实的，在国内外也 没有先例。但如果我们以公共功能为基础模型，对常见结构特点进行深入与系统的剖析研究， 并分别充分消化相关规范，充分了解其图纸表达方式与计算书书写格式进行全面细致的功 能实现，在此基础之上建立几个功能相对独立的专用c a d 设计系统还是可行的。如果加上 对优化技术的深入研究与具体问题的针对性开发，实现自动设计也存在可能性。这在国际上 已有先例，如美国v p 公司开发了针对北美地区应用的轻型门式刚架的全过程自动化设计的 c a d 系统。就取得了较好效果。在信息充分共享方面，对建筑、结构与施工阶段进行充分 了解，逐步实现各自模型的自动转换功能也是可行的。如国际上针对a e c ( a r c h i t e c t u r e - e n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o n ) 信息平台一体化的研究正在如火如荣的进行，其中 以i a jh ( i n t e r n a t i o n a la l l i a n c ef o ri n t e r o p e r a b i l i t y ) 正在努力建设的i f c 封( i n d u s t r a l f o u n d a t i o nc l a s s e s ) 标准最为著名；在各种结构分析与设计软件信息共享与转换方面，一些 国际知名软件已经进行了一些工作，并取得了良好效果，如m i d a s 对s a p 2 0 0 0 与s t a a dp r o 的文件格式的支持；但国内软件还很少支持不同结构软件模型的转换。 1 1 2 国内对建筑结构c a d 软件的需求 目前投入国内市场席川的国山外建筑结构辅助设计软什很多，人致可以分为三类： 第一类：分析剐软 ，l = ：这类软什以国外进入的软什较多，分析功能强人人i ：可干预度 人，界面美观，但针对具体问题的处理效率升不高，般作为结构的整体分析i ：具，只提供 整理验算统计，可部分支持剑构件设计与验算对计算10 、1 ，点与 b | 塾l 等设计的辅助性一般 2 多高层建筑铜结构计算机辅助设计与优化系统研究第一章绪论 没有，提高设计效率并不明显，对使用者要求较高，一般没有针对性优化与快捷处理功能； 此类软件如国外程序汉化而来的e t a b s ( 美国) ，s a p 2 0 0 0 ( 美国) 。g t s t r u d l ( 美国) ， s t a a d p r o ( 美国) ，r o b o t ( 法国) ，s t r a p ( 以色列) ，m i d a s ( 韩国) ；国内开发的s a p 8 4 等。 第二类：专业设计型软件：在8 0 年代后期，国内许多单位开始研制专门适合于工业与 民用建筑分析的结构分析设计软件，其中以中国建筑科学研究院的p k p m 最为成功。这类 软件一般按专业化定位的模块来组织，针对设计的专业问题开发不同的软件或模块。提供针 对专业问题设计的全面支持，可以完成分析与设计工作，进行部分计算书与自动出图工作， 但优化功能几乎没有；此类软件如主要进行混凝土结构设计的t a t 、s a t w e 、广厦建筑结 构c a d 、t b s a ；主要进行钢结构设计的s t s 、3 d 3 s 、m s t 、s s d d 、p s 2 0 0 0 等。 第三类：企业内部专业设计型软件，般针对更为具体的特定设计问题。这类软件不 是市场化产品，所以不能为广泛应用以提高设计效率；其基本为国外大型设计或钢结构公司 根据多年积累，自行开发。如上海美建公司( 美国建筑公司上海分公司) 的a b c s t e e l 钢结 构设计系统可以支持一般单层门式刚架结构的优化、全面分析设计与出圈，但适用面有限， 针对问题面很小，一般只支持较为规则的门式刚架设计，很多国内应用中常用的夹层及女儿 墙等问题还不能处理。此外国内很多大、中型设计院还开发了很多针对基础与地基设计方 面等结构局部设计的专业设计型软件。 建筑结构c a d 系统从需求上讲有广度与深度两个方面。所谓广度( 妇表1 1 ) 是指软 件针对的建筑结构问题对象，可以按结构特点类型进行划分，如厂房结构、多高层结构、空 间结构、塔桅结构、其他特种结构等等；另外，也可以从支持构件的特点来划分，如砌体构 件、一般混凝土构件、一般钢构件、格构构件、组合构件、预应力混凝土构件等等；所谓深 度( 如图1 2 ) 是指软件针对特定建筑结构对象的功能支持深度，如建模( 前处理) 、分析( 分 析) 、整体统计( 后处理) 、构件设计( 后处理) 、节点设计( 后处理) 、基础设计( 后处理) 、 楼面设计( 后处理) 、外维护设计( 后处理) 等；另外，从功能的进一步发展角度，还有优 化设计功能、a e c 相互转换问题以及其他软件模型交互问题。 表1 1 主要建筑结构软件广度需求功能表 主要结构对象设计阶段当前常用构件类型 厂房结构低层轻钢厂房( 可含夹建模、分析、整体统计、一般混凝土构件、一般 层、吊车)构件设计、节点设计、 钢构件、格构构件、组 2 - 3 层市场或展厅 基础设计、楼面设计、合构件 中、重型厂房 外维护设计 多高层结构多层民用或工业建筑建模、分析、整体统计、一般混凝土构件、一般 高层与超高层民崩建筑 构件设计、节点设计、钢构件、组合构件、预 基础设计、楼面设计应力混凝土构件 空间结构建筑局部屋面( 空问桁建模、分析、构件设计、一般钢构件、格构构件、 架、网架)。竹点设计、基础设计 组合构件 整体空间结构( 网壳、输 电、信号塔、广告牌) 多高层建筑钢结构计算帆辅助设计j ，优化系统研究第一章绪论 图1 2 建筑结构软件深度需求功能图 从目前需求的深度上来看，完善的专业化辅助设计系统是目前国内市场的主要需求，并 且十分迫切与巨大。尽管国外已经具有多个分析功能极其强大的辅助分析软件系统，并且相 当部分进行了全面与细致的汉化工作，但可以看到这些通用系统并没有成为国内结构工程应 用软件的主流市场发展速度比较缓慢，反而一些针对新兴设计领域市场开发的中小型专业 化软件能够快速的崛起。从功能特点上说，这些专业化辅助设计系统功能并不强大与全面， 但针对性强、输入便捷、对于特定问题设计支持比较全面、能够初步支持自动化出图与计算 书输出，极大的提高了工程师的效率并降低了对使用者的要求，所以赢得了市场，同时促进 了这些新兴结构的发展发挥了巨大的科技进步价值。专业化辅助设计系统在中国结构工程 应用软件中的核心地位与巨大成功，是与中国国内设计项目多、设计收费偏低( 部分过度竞 争) 以及规范要求针对性强又比较细致有较大关系的。对于国内一般工程的结构设计，如果 工程师脱离这类软件支持，即便是已有了准确的力学分析结果，如果进行一个全面的设计， 其设计验算、绘图与文本整理的t 作量仍然是十分巨大的并且很容易出现考虑囡素的遗漏， 会将- t 程师拖入大量的烦琐、机械地劳动中，限制其创造性发挥与生产率提高；对丁一些非 资深的i ：程师，可能更是无从卜- 手寸步难行。止冈为这些原闻，给国内的专业化辅助设计 系统带来了巨人的市场空间。总体上唇，国内的建筑结构软什需求，更关注对丁设计效率的 提高，这就对软什的功能全面性与自动化氍度提出了较高要求，而对有限元分析方面的深度 与。度，以及跨行业的分析功能要求并不高。市场的主要需求对象是针对具体问题深度挖掘 多高层建筑钢结构计算机辅助设计与优化系统研究第一章堵论 型软件，丽不是广而不深的软件，即要求针对各个具体问题提供支持便捷输入、全面分析、 精确设计、自动绘图与计算书规范输出的专业化辅助设计系统。 从目前需求的广度上来看，由于混凝土结构辅助设计软件自九十年代初以来，经过多年 的应用与开发积累，其相关产品相对成熟。对于近年来新兴的钢结构与混合结构领域的辅助 设计系统，发展时间较晚，虽然目前有多个软件支持，且基本可以使用，但都还不尽完备， 与工程师的理想期望相差较远，需求还十分迫切。这些差距主要表现在模型灵活处理麻烦， 构件规范设计支持不全，节点设计支持不全、干预性差，设计过程透明性差，缺乏优化功能， 自动出图与计算书不到位。 从优化新技术的需求与发展来看。可以发现目前的c a d 产品，除部分网架结构c a d 设计软件支持只考虑了局部问题优化外，优化新技术还很少体现。其总体上还处在不成熟阶 段，与工程师的需求还有较大差距，影响了工程师在这些领域的设计效率与设计成果的经济 性。然而。近年来国内市场对于自动化优化设计的需求却呈现出越来越大、越来越迫切的趋 势尤其以钢结构与混合结构的设计领域最为急迫。在很多情况下，钢结构公司的进行总承 包的核心竞争力已经主要体现在设计的经济合理性上而市场上却不能提供成熟的工具，现 有工具存在因素考虑不全、计算时间太长等问题，离工程实践还有一段距离。没有软件工具 的支持，制约了优化设计技术在工程实践中的应用也影响了结构设计的经济性水平。虽然， 国内外关于优化理论的研究历史悠久，并且相当广泛，并在某些方面，相关学者认为已基本 成熟。然而优化实践却明显落后，停留在论文与方法层次的理想水平上或脱离实践的简单问 题上比较多，其在大型设计软件系统与大中型工程中成熟集成与应用的还不多，“结构优化 方法从来没有降低工程的造价” 6 1 虽然这种观点未免有些偏颇，但也反映了结构优化研究 目前存在的实际应用明显落后问题。程耿东n 许素强嘲在综述中都提到了优化研究的实用 化是一个重要的方向，其已经是这一领域应用突破的关键。另一方面，实践中我们也发现， 优化技术的研究又必须与成熟的专业化辅助设计系统相结合，才能发挥其实际价值，才能推 动其广泛应用。因为没有一个成熟的设计系统支持，设计的结果难免会与实际约束情况脱节 导致只是理论结果，不能服务于工程实践。 从设计信息充分共享与协同工作功能开发来看，其是结构设计系统的外延，应该说结构 设计系统是这个大系统中的子系统，是通过信息合理组织与接口处理( 如使用i f c 标准接口) 来实现共享与协同。目前这一领域还处在探索性阶段，目前辅助软件中也还都很少体现。因 为目前国内的施工企业专业软件的水平与应用还比较落后，建筑设计使用专业软件还不普 遍，所以发展比较滞后。应该看到，随着信息化的进一步普及与各领域专业软件的发展，设 计信息充分共享与协同工作功能将成为一个具有巨大发展潜力的新兴发展方向。其与项目管 理信息系统、项目管理技术充分结台，并借助互联网开发技术。将形成一个集成项目信息、 技术、管理功能于一身的大协同下作系统平台，将具有广阔的前景与巨大的市场需求。当然， 这样的系统目前国内还没有其对开发水平、投入力量与经验积累也要求非常高。 综上所述，从需求角度来看，利【i j 计算机技术与优化技术针对专业问题进行深入、细 致的系统剖析研究充分消化相关规范，充分了解其图纸表达方式与计算j 1 0 一饽写格式，进行 全面细致的实现。一系列针对专业问题，支持便捷输入、全面分析、精确设计、自动出幽、 5 多商层建筑钢结构计算帆辅助设计与优化系统研究笫一章绪论 自动计算。伟生成、甚而优化设计与信息充分共享的专业化辅助设计系统，是结构设计领域 c a d 技术发展的方向，也是国内结构辅助设计软件市场的主要与迫切需求 1 1 3 多高层建筑钢结构市场发展现状 在我国钢产量跃居世界第一位、国民经济实力稳定增k 及国家宏观政策大力倡导的大背 景下，一个巨大的钢结构设计旌工、材料供应、构件加工市场已经开始启动。2 0 0 0 年，建 设部、冶金局联合提出，十五期间建筑钢结构用钢占全国钢材总产量的比例从目前的1 5 提高到3 ，到2 0 1 5 年力争达到6 。按国内钢材产量保持2 0 0 0 年水平稳步增长来推测， 可以预计：随着国家产业政策的倾斜与钢结构形式的普及，在未来1 0 年内中国钢结构市 场将进入一个迅速增长的阶段。 更进一步的考察钢结构市场，我们发现在钢结构市场容量飞速增加的整体趋势下，主流 应用模式也几经变迁。建筑钢结构主要有钢网架、门式刚架、多高层钢结构三种结构形式。 8 0 年代初发展起来的钢结构网架已经经过了充分发展，各项技术均趋于成熟年代起开 始发展，至今仍在快速成长的门式剐架轻钢结构，已经广泛得到建筑业主和设计院的认可， 目前成为建筑钢结构中使用最多的形式。 而钢结构的的另一主要应用形式多高层钢结构在我国已处在启动阶段。多高层钢结 构在我国的工业建筑中，实际上早有应用，如矿井塔架、海洋平台、电厂锅炉支承结构等，其 结构实质上是多高层钢结构。在民用建筑方面我国的第一幢高层钢结构建筑为上海国际饭 店( 2 2 层，高8 2 米) ，建于1 9 3 2 年。此后的半个多世纪，我国由于经济和技术的原因，没 有兴建一幢高层钢结构建筑。直到1 9 8 5 年我国在深圳兴建了第一幢现代高层建筑“深圳发 展中心大厦”。此后，随着我国改革开放的深入和经济的发展，北京、上海等地也相继开始 兴建高层钢结构建筑。目前，我国己建成的民用高层钢结构建筑已经超过一百幢。在多层民 用建筑方面，钢结构也开始有所应用，如越来越多的大型商场采用多层钢结构另外，钢结 构建筑目前已开始广泛用于多层住宅与公共建筑。 我们可以看到，多高层钢结构目前在我国已经具备了广泛应用的基础，如多高层钢结构 已有相当数量的使用先例、多本相关的规范与规程等等，在设计、生产、施工技术上已经基 本成熟。但我们也发现，目前在国内还缺少优秀的、适用的多高层钢结构专业软件工具来进 一步推动其发展。在这种情况下，要使我国的钢结构c a d 软件水平赶上世界c a d 技术发展的 潮流并开发出适合我国特色的c a d 产品，充分结合丁程经验，开发出先进适用的多高层钢 结构辅助没计专用软件成为一种必要，并有着十分巨大的市场潜力与社会价值。此外，结构 优化设计技术实用化并与软件结合，并实现市场化，将为国内巨人的铜结构建筑市场应用节 省人量的钢材，产生巨人的直接经济效应；同时在丰十会效应方面，一个先进全面的多高层钢 结构辅助设计软什，也将进一步推动我国多高层建筑钢结构的虑h 与发展。本软什系统止是 在这种背景r 酝酿，并且开发成功的。 多商层建筑钢结构计算机辅助设计与优化系统研究第一章绪论 1 2 建筑结构c a d 软件开发技术综述 建筑结构c a d 软件是信息交互输入、信息处理与信息输出的计算机辅助工具。从实现 技术来说，其主要包括系统框架设计、数据组织设计、模块接口设计、界面交互设计以及软 件开发技术五个方面的核心技术。国内外软件在五个方面的技术现状基本比较如表1 2 。从 建筑结构c a d 前沿技术发展需求的总趋势来看，解决一般结构分析、设计、图形显示与交 互输入问题是c a d 技术的基础工作，通过进行大量细致的需求分析、设计、开发与测试一 般可以实现，其功能实现已经不是c a d 领域的难点问题。从c a d 前沿技术发展的角度来 看，其关键技术难点主要体现在以下五个方面： ( 1 ) 针对专业问题，如何结合软件概念深入抽象挖掘，建立准确的需求模型，规 划高度系统集成的框架。能够保证软件全面设计功能的一体化实现并符合 使用习惯细节与通畅性； ( 2 ) 大型c a d 系统数据结构的合理化设计； ( 3 ) 大型c a d 系统模块接口与可重用模式的合理化设计； ( 4 ) 图纸与计算书过程输出的规范化与实用化，全面符合工程实际习惯细节要求； ( 5 ) 软件开发技术的合理选择与规范化。建立软件开发说明文档体系，提高代码 的可维护性与重用性这是一个系统具有长远生命力与实现强大功能的基础； 表1 2 国内外软件c a d 技术应用现状比较 系统框架数据组织信息交互数据处理界面交互开发技术 国外优一体化组数据库组织只支持部针对性不界面美观，图一般采用面 秀软件织，符合市 技术先进 分国外软够，设计处形功能强大向对象与先 如 场需求不 可拓展性好 件间交互理还不能w i n d o e w s进的模式开 e t a b s 够：全面满足 风格与技术 发技术 数据范围不 要求框架技术先 全面，如无 其他交互 节点与出图 不支持 进，但操作针 代码可维护 对性不够 性与重用性 信息 强 国内优模块化组文件组织基本不支针对性强，图形功能中般采用面 秀软件织，比较符 技术落后 持基本满足 等 向过程技术 如 合市场需 可拓展性差 要求 d o s 风格 求，但由于 代码可维护p k p m 数据范围比 技术框架比 历史原因， 性与重用性 模块划分 较全面 较落后。但操 作针对性强 过于零碎 1 2 1 系统框架技术 稃序框架要根据系统的需求建立合理摸块组织与分i ：爿建合适的框架实现方法 衄法说需求是系统实现的第步对个局影响由 j 、：州际i i a i 进仃的a e c 信息平台 7 多高层建筑钢结构计算机辅助设计与优化系统研究第一章绪论 体化需求模型就是建立在整个建筑相关工作协同工作的基础上的全面需求与标准建立。 基于整体需求可以制定一个程序实现的模块组织框架，就是结合软件开发技术，对整体 需求充分消化的基础上，建立最为合理的模块划分。在模块划分时，除考虑功能实现的特点 外，还要考虑编译耦合性最小化与模块接口最小化的软件设计方案。目前大型软件系统一般 普遍采用的模块构成方式如图1 3 。 图1 3 各类型模块关系图 系统的实现模块包括两种类型，一种是软件用户所看到的程序应用模块，每个模块封装 一定的使用功能；另一种是从软件开发人员角度的底层支持模块，其包括隐式链接与显示链 接两种接口方式的模块。隐式链接是指模块中的功能类可以直接导出，供其他引用模块使用， 其可以看作是针对专业领域的底层类库拓展；而显示链接模块，只通过接口的方式( 可以 d l l 导出或c o m 接口) ，供其他引用模块使用。引入底层模块，主要作用是通过抽象，使 需要重复使用的功能在底层模块中唯一实现，在多处相同需要使用的地方直接调用，这样 可以避免代码重复，提高开发效率与降低维护难度。 1 2 2 数据组织技术 对于数据的组织，常见的组织方式有基于文件与集中数据库的两种方式；而对于集中数 据库存储又有关系型数据库与面向对象数据库1 9 1 两种。 如p k p m 就是采用基于文件的数据组织方式，每个模块运行之前读取对应的文件，而 后初始化，进行一定的操作之后，再生成一些新的文件供后面的模块使用。这种方式的缺点 是文件信息一般存在冗余，容易造成即时操作( 如后处理修改截面) 实现不便；系统开发与 升级维护困难( 一个地方修改，需要多个地方维护) ：信息存储量大。占用硬盘较多。 如e t a b s 等国外软件均采用关系型数据库或面向对象数据库方式，信息实现唯一存储 系统开发与升级维护更加便利易实现即时操作，存储文件减小，但对系统的软件实现上初 始设计与统筹规划要求较高要求能够比较接近实际需求。 从建筑结构设计的问题特点上看，面向对象的数据库应该是比较好的组织方式，但这需 要根据问题特点进行数据抽象，建立针对系统特点的数据结构。面向对蒙i l o ji l ”方法的核心 思想是尽可能按照人类认识世界的方法和思维方式来分析和解决问题，它所追求的是问题的 解空间与现实空间之间白然而直接的对麻关系，陬l 此它能很好地仿真人i ：系统、模拟现实肚 8 多高屡建筑铜结构计算机辅助设计与优化系统研究第一章绪论 界，因此被广泛地引入到许多领域面向对象的最突出特性是封装性、继承性和多态性，并 体现在如下三个方面： i 、类和实例 类是对一组客观对象的抽象，它将该组对象所具有的共同特色集中起来。以说明该 组对象的能力和性质。因此，由大批相同或相似的对象可以归纳构造出类。例如在m r s 中的构件实体中的截面实体，在钢结构的杆件截面中有多种多样的截面类型，如工字登、 三角型、槽型等。这些截面实体所具有的共性的东西是：都提供结构计算所必需的属性 信息，及图形显示的一些信息。因此我们可以定义一个截面实体类( c s c c t i o n ) ，在该类 中，包含了截面的空间定位、名称、编号、截面积、惯性距等几何参数及力学参甄还 包括一些外观显示、查询方法这个抽象出来的类可以使不同的实体如工字型、三角型、 槽型等截面实体进行统一管理。类是多个实例的综合抽象，实例是类的具体事物面向 对象即这种认识方式的组织。 2 封装和消息 封装是将数据结构及其处理操作的描述集合在一个整体内，对象状态的描述以及状 态的转移只能通过这个对象内部定义的各种操作访问而改变这样，可以实现对象敦据 的保护，数据的存储和实现对于其他对象来说是透明的，其他对象毋需知道其具体实现 细节同时，一个对象可以为外界提供服务，这是通过对象之相互发送消息来实现的。 例如我们在使用录音机的时候，只需知道它外部按扭的功能即可正常使用，现时不必知 道内部机械传动装置和电路的工作原理，这些只有维修人员才必须知道，从这个意义上 说，录音机就是一个封装良好的对象。对象的这种封装与消息机制，将对象的使用者各 对象的设计者分开，实现了信息隐蔽，提高了系统的安全性、可重用性和可维护性等。 3 继承和派生 继承是面向对象思想中的另一个重要概念，与人类世界中的继承有着类似的含义， 它是对象之间独特关系，通过它可以使某类对象( 派生类) 可以继承另外一类对象( 基 类) 的特征和能力。子类不但自然取得其父类的所有方法，而且可以定义本身所特有状 态和方法，并且可以修改父类中的方法或属性( 称为多态性) 。继承可分为多重继承， 单重继承，取代继承，包含继承，受限继承，特化继承等类的继承概念的引入，使得 类具有层次结构是描述和组织事务的有效工具。继承机咨询制大大提高了系统的可 重用性，面向对象系统可以通过继承机制不断扩充功能而不影响原有系统的运行。 1 2 3 组件构架的过程组织技术 一个程序的实现除了框架与数据组织之外，还有就是对数据信息处理过程的组织，包括 数据信息交互与数据信息处理两个部分。与外部的数据信息处理称为信息交互主要是指与相 芙功能软件与同类其他软件的交互；内部的数据信息处理称为信息处理，主要是系统中功能 实现过程的实现。 对丁i 信息的交且可采h j 的方式有文竹交互、纠什交皿：对1 ：信息的处理u j 采州动态迕 多高层建筑制结构计算机辅助设计，优化系统研究 第一章绪论 接库交互、执行程序交互、组件交互。组件技术【”l 1 3 1 是继面向对象技术之后发展起来的一 种新的软件一 程技术，是面向对象技术的延伸，具有面向对象结构的所有优点。基于组件的 系统模型仍然是一种面向对象的结构但系统中的对象是按照规范设计的模块，这些定义良 好的软什模块( 称为组件c o m p o n e n t ) 在系统中共存，并且充分地相互作用。按照这种结构， 可以将若干组件组合起来，以建立更大和更复杂的系统。这样建立起来的系统具有更高的开 放性和可扩充性。组件技术允许对象在进程之问或者在不同的机器之间传递信息，就如同在 同一个进程之间一样的便捷。只要组件的开发符合一定的开发规范，用户就可以通过接口对 组件进行操纵。在这里，接口是指在没有给山对象的实现和状态的情况下对对象行为的描述。 接口包括操作但不包括属性，并且它没有对外界可见的关联。一个或多个组件可以实现同一 个接口，并且每个组件都可以实现接口中的操作。组件技术严格的区分了接口和接口实现的 概念。一个接口实际上只是一组约定，没有放任何组件所实现，当组件接口被定义出来时， 并没有任何的组件与它们关联。直到存在组件实体对接口进行解释以后，才认为接口被实现 了。客户端就可以根据接口的约定对该组件进行操作和与之通信。 由组件技术建立起来的系统，其最大的受益之处在于复用。这种复用机制建立在二进制 基础上，与面向对象中采用继承机制来实现代码复用所不同的是，组件技术中的客户方不需 要了解已有组件方的信息，对客户方来说，已有的组件是完全的黑箱，被复用的组件向它的 客户方隐藏了所有的细节，这种复用机制仅仅依赖于被复用组件的行为而不是它的代码实现 过程，复用仅仅通过接口来进行。常用的组件复用的机制有包容和聚合两种形式。包容是最 常见的组件复用机制。这种复用在面向对象系统中也是常见的。客户方首先实现了被复用组 件的接口，其内部包含了一个被复用组件对象将被复用组件对象作为成员包括在了客户方 的对象中，当客户方需要使用被复用组件的服务时，客户方显式的通过被复用组件的接口调 用组件的方法，就好像客户方自己在提供服务一样。聚合是一种组件技术中特有的复用机制。 被复用的组件对象通过客户方将接口暴露给组件使用者，就好像客户方自己实现了被复用组 件的接口一样。当客户方要实现和被复用组件完全一样的接口时，聚合机制是非常有用的 客户端就不需要像包容机制中那样，逐个的实现被复用组件的接口，再把调用定位到被复用 组件中去而是直接把被复用组件的接口暴露出去。严格意义上来说，聚合是一种特殊的包 容，包容的不是被复用组件本身，而是其接口的实现。组件提供了将元素分组的迸用的组织 机制。小的组件可以通过复用机制嵌套在其他的组件中。从这个意义上来说，整个系统对应 了一个高层的组件对象，模型中的所有元素都直接或间接的包含在这个组件中。系统便是所 有模型元素的总和。在这个系统中，每个模型元素在唯一的命名空间内声明，可以单独进行 配置、控制、存储和访问控制。每个组件对象必须为其他对象所有。所有的组件的所有关系 组成了一个具有登记关系的树状结构。同时，组件对象还可以引川其他元素，所有的引用关 系义组成了网状结构。于系统和系统是特殊类啦的组件。一个系统可表示为一个子系统，该 子系统是层次结构的根。它是难一不被其他组什对象所有的缃f ，f ：。这个根包直接或间接的包 括了模删中所有组成部分。组什技术实现了系统级的复l i j 。可复川的组什集台起来。形成结 构c a d 系统的子系统，所有于系统的总乖l 卡勾成了结构c a d 平台构架。 目前，组件开友技术盎人刑烈序已经成熟廊j h ，直a u t o c a d 、o f f i c e 等；目前，在 多高层建筑钢结构计算机辅助设计与优化系统研究第一章绪论 国内的一些研究中也有所应用叫【1 6 l 【1 7 】。但在国内建筑结构c a d 大型软件的开发中还很 少应用。 1 2 4 人机交互技术 人机交互是功能实现的交互界面组织，主要包括整体界面、独立功能界面、可重用功能 界面；就风格而言分为d o s 与w i n d o w s 模式风格，风格主要包括标准操作方式、标准控 件等。 整体界面要力求在整体框架的基础上，建立一个界面友好、风格一致的框架；独立功能 界面一般通过对话框实现主要是结合问题、风格规范；可重用功能界面需要进行模式创新， 根据问题特点进行抽象建立整个系统各个模块均可以采用的标准功能界面模式。从操作风 格发展趋势上看，d o s 风格是淘汰的风格，w i n d o w s 各种模式风格是主要潮流。 1 2 5 代码编写技术 代码编写技术主要包括：代码编写语言与工具的选择、代码编写与基本类库的选择、开 发风格与规范的建立。 对于代码编写语言与工具的选择，一般先进的大型应用系统常常选用c + + 语言，并采用 v c + + 编程环境。该目前编程环境处于v c 6 0 到v c n e t 的过渡阶段：基本类库的选择方面。 在数据结构部分从m f c 类库( 微软基础类库) 支持向s t l 类库( 微软基础模板库) 支持转 化，并引入智能指针技术，避免c + + 语言中指针使用不当的异常中断发生：在界面开发方面， 采用l v i f c 类库支持，并结合一些最先进的界面控件类库：另外需要建立开发风格与规范， 包括变量与类命名、函数书写与程序文档的编写规范。 多高层建筑1 聿4 结构计算帆辅助设计与优化系统 ! j f 究 第一章缔论 1 3 建筑结构优化技术综述 结构优化问题按设计变量的性质分，分为连续变量、离散型变量及连续一离散混合变量 优化问题三种；结构优化设计按照其发展的顺序和难易程度分，分为截面优化、形状与拓扑 优化、布局优化和选型优化四个层次，这些在文献川【1 8 1 1 1 9 l 【2 1 嘲中均做了详细介绍。 1 3 1 整体优化研究进展 从结构优化问题理论研究成果方面在连续变量结构优化设计中，截面优化理论已基本 成熟。对于形状与拓扑优化和布局优化的研究则少得多，而且都不够成熟。对于选型优化， 一般需要利用专家系统来解决，但知识采集等一系列问题没有得到有效解决，理论还都不够 成熟。目前