（机械制造及其自动化专业论文）金属门窗产品结构计算分析系统研究与开发.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 金属门窗属于建筑物围护结构，在当前的金属门窗产品结构计算分析过程中， 普遍存在计算需求变化性大、计算过程复杂繁琐、工程技术规范变动频繁、计算 出错率高以及人工编制计算书难度大等问题。为此，本文针对金属门窗产品结构 计算分析特点，围绕金属产品门窗结构计算分析的切实需求，对金属门窗计算产 品结构计算分析系统及其关键实现技术进行了较为深入的研究，并开发了相应的 金属门窗产品结构计算分析系统。 首先，在分析了国内外同类软件研究现状的基础上，针对金属门窗产品的计 算需求和结构特点，提出了以型材截面参数计算、结构计算、文档管理三大功能 模块为核心的系统体系结构。 然后，针对系统所涉及的计算模型快速构建、门窗杆件受力模型匹配、计算 书自动生成三个关键技术进行了较深入的研究。针对金属门窗产品结构计算需求 个性化程度高的特点，提出了一种基于广义树形结构的计算模型快速构建方法； 该方法首先建立基于广义树形结构的门窗结构类计算模型，然后将类计算模型中 计算知识单元之间的关联关系作为选配规则，并对选配规则进行分类分层次组织， 最后根据计算需求进行计算知识单元的选配和实例化，生成计算顺序双向链表， 从而快速生成门窗结构计算模型。针对金属门窗结构形式多样且规律性强的特点， 提出了基于r 树的门窗杆件受力模型匹配方法；该方法首先对门窗结构进行矩形 化分解，并用r 树进行表达，然后经简化和分解预处理得到最简r 树集，最后将 最简r 树集的每个元素与实例r 树进行匹配，并综合每个匹配方案得到杆件受力 模型。为解决人工编制计算书工作量大、容易出错等问题，提出了基于计算模板 数据表的计算书自动生成方法，该方法使用数据表存储计算模板，根据计算需求 选配和实例化相应的记录，生成含文档转化信息的中间文件，最后通过操作w o r d 编程接口，完成相关文档插入和格式设置。 最后，在以上研究的基础之上，开发了金属门窗产品结构计算分析系统，并 在金属门窗企业得到应用。应用表明本系统具有较强的实用性、适应能力和扩展 性，可以缩短金属门窗产品计算分析周期、提高计算分析精确度。 关键词：金属门窗，结构计算分析，实例匹配，r 树 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t m e t a l l i cd o o r sa n dw i n d o w si st h ep r o t e c t i o ns 仃u c t u r eo fb u i l d i n g s t h e r ee x i s t s o m ep r o b l e m ss u c ha sh i g hi n d i v i d u a l i t yo fc o m p u t i n gr e q u i r e m e n t ，c o m p l i c a t i o no f c o m p u t i n g ，f r e q u e n tc h a n g e sf o rt h et e c h n i c a lc o d e s ，h i g he r r o rr a t ea n dd i f f i c u l t yi n g e n e r a t i n gc o m p u t i n gr e s u l tl i s tb yh a n d ，e t ci nt h ec o u r s eo fc o m p u t i n ga n da n a l y s i so f m e t a l l i cd o o r sa n dw i n d o w ss t m c t l l r e t h u s a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dr e a l r e q u i r e m e n to fc o m p u t i n ga n da n a l y s i sf o rm e t a l l i cd o o r sa n dw i n d o w ss t r u c t u r e ，t h i s t h e s i sm a k e sad e e ps t u d yo ft h ec o m p u t i n ga n da n a l y s i ss y s t e mo fm e t a l l i cd o o r sa n d w i n d o w ss t r u c t u r ea n di t sc o r et e c h n o l o g i e s a n d ，ap r o f e s s i o n a lc o m p u t i n ga n d a n a l y s i ss o f t w a r es p e c i a lf o rm e t a l l i cd o o r sa n dw i n d o w s s t r u c t u r ei sd e v e l o p e d f i r s t l y ，t h es i t u a t i o na n dt h et e n d e n c yo fs i m i l a rs o f l a x , a r es y s t e ma v a i l a b l ei na n d o u t s i d ew a ss t u d i e d a i m i n ga tt h ec o m p u t i n gr e q u i r e m e n ta n ds t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c o fm e t a l l i cd o o r sa n dw i n d o w sp r o d u c t ，as o f ： s w a r ea r c h i t e c t u r es c h e m ef o rt h e c o m p u t i n ga n da n a l y s i ss y s t e mf o rm e t a l l i cd o o r sa n dw i n d o w ss 臼u c n 】r ew i t ht h e f u n c t i o no fc a l c u l a t i n gc r o s s - s e c t i o np a r a m e t e r s ，c o m p u t i n ga n da n a l y z i n gm e t a l l i c d o o r sa n dw i n d o w ss t r u c t u r ea n dd o c u m e n tm a n a g e m e n t s e c o n d l y ，t h ek e yt e c h n o l o g i e si n v o l v e di nt h es y s t e mw e r es t u d i e dw h i c hi n c l u d e c a l c u l a t i o nm o d e lb u i l d i n g ，l o a dm o d e lm a t c h i n gf o rd o o r sa n dw i n d o w sb a r ，a u t o m a t i c g e n e r a t i o no fc a l c u l a t i o nr e s u l tl i s t a c c o r d i n gt ot h e d i v e r s ec o m p u t i n gd e m a n d ，a q u i c km o d e l l i n gm e t h o df o rc a l c u l a t i o nm o d e lb a s e do ng e n e t i ct r e e s 仃u c t l 】r ew a s p r o p o s e d w i t ht h em e t h o d ag e n e t i cc a l c u l a t i o nm o d e lb a s e do ng e n e t i ct r e es t r u c n l r e w a ss e tu p ，a n dc o n s t r a i n tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nc a l c u l a t i o nk n o w l e d g eu n i t sw a s r e g a r d e da sc o n f i g u r a t i o nr u l e sa n dw a so r g a n i z e db yc l a s s i f i c a t i o n a n dh i e r a r c h i c a l l e v e l c o m p u t i n gr e q u i r e m e n t d r i v e dt h e c o n f i g u r a t i o n a n di n s t a n t i a t i o no ft h e c a l c u l a t i o nk n o w l e d g eu n i t sa n dg e n e r a t e dad o u b l el i n k e d l i s t r e p r e s e n t a t i n g c a l c u l a t i o ns e q u e n c e ，t h u sac o m p u t i n gm o d e lw a sb u i l t a c c o r d i n gt ot h ef a c tt h a tt h e s 仃u c h l r et y p e so fm e t a l l i cd o o r sa n dw i n d o w sa r er i c ha n dh a v er e g u l a r i t y ，l o a dm o d e l m a t c h i n gm e t h o df o rd o o r sa n dw i n d o w sb a rw a sp r e s e n t e db a s e do nr t r e e s d o o r s a n dw i n d o w ss t r u c t u r ew a sd e c o m p o s e dt or e c t a n g l e sa n dw a sr e p r e s e n t e db yr t r e e s t h e nt h es i m p l e s tr - t r e e ss e tw a so b t a i n e db ys i m p l i f y i n ga n dd e c o m p o s i n gr t r e e so f d o o r sa n dw i n d o w ss t r u c t u r e ，a n de a c he l e m e n ti nt h es e tw a sm a t c h e dw i t he a c h i n s t a n c er t r e e s ，a n dt h el o a dm o d e lo fb a rw a so b t a i n e db yi n t e g r a t e de a c hm a t c h i n g s o l u t i o n t or e s o l v et h ep r o b l e mo fl a r g ew o r k l o a da n dh i 曲e r r o ri ng e n e r a t i n g i i c o m p u t i n gr e s u l tl i s tb yh a n d ，a na u t o m a t i cg e n e r a t i n ga p p r o a c ho fc o m p u t i n g r e s u l tl i s t b a s e do nc a l c u l a t i o nt e m p l a t ed a t at a b l ew a sp u tf o r w a r d c a l c u l a t i o nt e m p l a t ew a s s t o r e di nt h ed a t at a b l e ，a c c o r d i n gt ot h ec o m p u t i n gr e q u i r e m e n t ，c a l c u l a t i o nm o d u l e r e c o r d sw e r ec o n f i g u r a t e da n di n s t a n t i a t e d ，g e n e r a t i n gt e m p o r a r yd o c u m e n tc o n t a i n i n g d o c u m e n tt r a n s l a t i o ni n f o r m a t i o n a tl a s t ，r e l e v a n t d o c u m e n t sw e r ei n s e r t e da n d d o c u m e n tf o r m a tw a ss e tb yo p e r a t i n gp r o g r a m m i n gi n t e r f a c eo fw o r da p p l i c a t i o n f i n a l l y ，b a s e do nt h ea b o v es t u d i e s ，c o m p u t i n ga n da n a l y s i ss y s t e mf o rt h em e t a l l i c d o o r sa n dw i n d o w ss t r u c t u r ei sd e v e l o p e d a n da p p l i e di nt h ee n t e r p r i s e s t h e a p p l i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h es y s t e mi s c h a r a c t e r i z e db ys t r o n gp r a c t i c a la p p l i c a b i l i t y ， g o o da d a p t a b i l i t y ，g o o de x p a n s i b i l i t y t h es y s t e mc a ne f f e c t i v e l ys h o r t e nt h ea n a l y s i s p e r i o da n di m p r o v e t h ea c c u r a c yo fc o m p u t i n ga n da n a l y s i s k e y w o r d s ：m e t a l l i cd o o r sa n dw i n d o w s ，s t r u c t u r ec a l c u l a t i o n ，c a s e sm a t c h i n g ， r t r e e s i i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 金属门窗是由玻璃面板、支撑结构、五金件和密封条等组成，属于建筑物的 围护结构，主要用于房屋结构的采光与空气流通，是装饰工程的重要组成部分。 我国金属门窗制造业经过近三十年的发展，其产品已占有相当大的国内建材市场， 特别是铝合金门窗，约占整个门窗产品的5 1 以上、产量高达3 2 亿平方米左右 1 ； 实现了从无到有，从小到大的高速发展，不仅在生产数量和工程使用量上发展很 快，而且产品质量和工程技术水平也正在向国际先进水平迈进。我国现阶段仍然 是门窗行业的高速发展时期，据统计，2 0 0 8 年我国建筑幕墙的产值比2 0 0 7 年增长 了3 0 3 8 ，门窗的增长率也在3 0 以上【n j 。 随着越来越多的国内外企业纷纷进入门窗设计、制造、施工领域，加上新门 窗产品的不断出现以及人们对门窗使用性能、可靠性、质量等方面要求的不断提 高，使得市场竞争更加激烈，企业要想占有一定的市场份额，必须力争提高产品 质量和对市场、客户需求作出快速响应。门窗产品的设计是门窗制造生产的第一 步，对工程与客户需求的准确转化、门窗产品的使用性能和制作成本等方面都起 着决定性作用。而门窗设计中的结构计算分析，即抗风压验算设计是保证门窗抗 风压性能的关键，也是门窗其它使用性能的力学基础。近年来，随着建筑行业的 强劲发展，作为建筑围护结构的金属门窗在我国得到了飞速发展和广泛应用，各 种型材、个性化的门窗结构也不断出现，使得对金属门窗产品结构计算分析成为 一大研究热点。但与我国金属门窗行业蓬勃发展不相适应的是面向我国金属门窗 行业的结构计算分析软件还处在初级阶段，而国外软件虽然具有一定的普适性， 但由于不同国家和地区的设计习惯和市场需求不同，不能很好满足我国e l 前金属 门窗行业的发展需求和行业标准、规范；这在一定程度上制约了我国金属门窗行 业未来的发展。因此研究并开发一套适合于我国金属门窗行业的门窗结构计算分 析系统是十分必要的，而且具有一定的理论意义和广阔的应用前景。 1 1 论文的研究背景及意义 1 1 1 课题的研究背景 我国金属门窗行业从上世纪七十年代末开始兴起，经过引进学习、消化吸收 和自主创新并与国际接轨三个重要发展阶段，现已成为拥有一万多家生产企业和 2 5 0 0 多个配套企业的生机勃勃的新兴建筑配套产业pj 。目前，我国建筑门窗行业 形成了以建筑铝材、彩色涂层钢板、不锈钢板、工程塑料为主的多元化和多层次 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 的产品结构体系，我国已成为全世界铝合金门窗生产量和使用量最大的国家；全 国城镇建筑市场门窗需求量已经达到2 亿平米 4 1 。随着建筑向高楼层、节能、高档 次方向发展，人们对门窗的性能、节能性、安全性和质量提出了越来越高的要求。 众多科研单位、高等院校以及门窗生产企业对门窗的性能、可靠性、质量保证、 节能等开展了多学科、多领域的研究与工程实践，如新型门窗材料、门窗抗风压 性能、气密性能、水密性能等的研究，已取得一批具有重要意义的技术成果。同 时有关建筑管理部门、金属门窗行业协会、科研机构共同制定了许多针对我国建 筑门窗行业的国家、行业以及地方技术规范和标准。这些标准和技术规范的颁布、 贯彻、实施，使我国门窗产品的技术水平、质量都上了一个新的台阶，进一步规 范和加强了门窗行业的发展和管理，使我国门窗行业从原来的引进、吸收消化阶 段发展到了能够独立研发出具有自主知识产权的门窗产品，并具备了与国际同行 参与重大工程投标竞争的实力的新阶段。 金属门窗的设计包括门窗窗型设计、物料统计和对已设计出的门窗结构进行 性能计算分析，尤其是门窗的抗风压计算。其中的窗型设计和物料统计是由设计 人员根据工程和用户需求，在重用企业现有设计资源与制造资源的基础上快速给 出满足项目要求的初步设计方案；而门窗结构计算分析则是依据相关标准和技术 规范对门窗产品进行校验以提供门窗产品的可靠性支持，是保证门窗产品质量和 使用性能的关键环节。金属门窗由于工程所在地的地理位置、建筑高度等因素不 确定及门窗安装位置的不同，使得外门窗受到正风压、负风压或者正负风压交替 作用。当受到过大风载荷作用时，可能会导致门窗结构的严重变形、玻璃破碎、 五金件损坏、窗扇脱落等情况发生，造成安全事故【5 j 。因此，特别是高风压地区以 及高层建筑的金属门窗，更要进行门窗结构强度和挠度计算，以保证门窗产品的 安全性和可靠性，避免因作用过大的风荷载造成门窗功能性破坏和发生安全事故。 金属门窗结构计算分析正是保证门窗产品安全性和质量的重要手段，也是确定门 窗边框、横、竖挺型材的截面参数、尺寸和玻璃类型、尺寸、厚度以及门窗五金 配件和连接件型号规格的技术前提，它可判定门窗设计是否满足安全性、可靠性 和经济性要求。 门窗结构计算分析是保证门窗产品性能和质量的关键环节，但在当前的金属 门窗产品结构计算分析过程中，普遍存在以下亟待解决的问题： 门窗产品种类众多，造型丰富，设计过程涉及的学科和领域广泛，而传统 的金属门窗产品结构计算分析通常要进行相关标准和技术规范的查询、对比，选 择大量的条款、条目、图表数据，其工作量大、对设计人员理论水平和工程实践 经验都有较高的要求，容易造成设计出错率高和门窗产品质量偏低等问题。 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 不同种类和造型的门窗结构的受力形式和计算校核内容差异较大；由于对 计算分析缺乏理论和实践上的认识，在计算分析过程中容易使用不准确甚至不科 学的力学公式进行校核，结果有两种可能：一是设计质量不合格，从而埋下了工 程质量隐患【6 】；二是采用较大的安全系数造成了不必要的型材浪费，增加门窗企业 生产成本，降低企业市场竞争力。 门窗结构计算书的编制要求其内容完整、计算过程清晰和格式规范，而传 统的人工编制计算书不仅工作量大、容易出错，而且延长了门窗设计周期。 因此，针对门窗行业特点以及其对门窗抗风压性能的高要求，运用计算机技 术，结合金属门窗产品结构专业知识，研究并开发相应的金属门窗产品结构计算 分析系统，显得十分必要，而且具有广阔的市场前景。 1 1 2 课题的研究意义 伴随着我国改革开放事业三十多年的金属门窗行业，实现了从零开始的跨越 式快速发展，无论从行业总产值、产业结构水平、产品质量和服务水平到行业人 员的专业水平都发生了巨大的变化。特别是随着我国城市化和城镇化进程的不断 深入，城镇人居环境条件的不断改善和城镇综合承载力的提高，对金属门窗的需 求量仍然很大，并对门窗产品的个性化、节能性和安全性方面提出了新的更高的 要求，使得金属门窗行业朝着更环保节能、多样化、多层次化、安全可靠方向发 展。随着我国经济改革的进一步深入以及全球经济的复苏与增长，我国金属门窗 产业将迎来更广阔的发展空间和市场需求。 金属门窗主要用于建筑物的采光、通风、观察、装饰，此外还应具备保温、 隔热、防火、隔声、防水等功能，是建筑造型的重要组成部分，是人与大自然进 行沟通的窗口；在民用住宅、公共建筑物、工厂厂房等各种关系民生和经济发展 的建筑工程中都有着广泛的应用。然而同金属门窗行业在我国的高速发展不相协 调的是，目前针对国内金属门窗行业的结构计算分析软件还不够成熟，国外通用 的门窗c a d 软件由于其行业针对性不强以及与我国工程设计习惯不同，不能很好 满足我国目前金属门窗行业的发展需求和相关技术标准和规范，这给我国金属门 窗行业的进一步发展带来了一定的限制。 因此，运用计算机技术，结合金属门窗行业特点和金属门窗结构计算分析的 专业知识，研发针对我国金属门窗领域的结构计算分析系统，提供诸如计算模型 构建、杆件受力模型匹配、工程计算书生成、优化下料等功能，对提高设计效率， 降低制造成本，减少工程中可能存在的质量安全隐患和促进金属门窗行业的进一 步发展，提升我国金属门窗行业的整体水平，都具有重要的理论意义和较大经济 价值。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 2 国内外相关研究现状 门窗行业技术的不断提升以及门窗产品具有较好的美化和装饰功能，使得门 窗产品在国内外得到了广泛的应用和大力发展，加上计算机技术的日益成熟、软 件工程的长足发展也推动了一批适用于金属门窗结构计算分析的计算机辅助软件 的产生，这为金属门窗产品的进一步推广应用与发展起到了有效的辅助支持作用。 国外门窗行业起步较早，加之计算机技术较为先进，无论在设计理念还是工 程实践方面都积累了大量理论知识和经验知识、数据等，因此国外的多数建筑门 窗c a d 软件都能够提供较为完整的门窗产品设计方案。例如，美国劳伦斯伯克利 实验室研发的一套有关门窗设计软件如w i n d o w 6 3 ，t h e r m 6 ，o p t i c s 5 可分别 用于整个门窗传热性能的计算分析，二维框和玻璃边缘传热系数的计算，镀膜或 非镀膜玻璃光学性能的计算 7 1 。德国的一款高端门窗软件k l a e s 8 能快速进行门 窗设计，并提供工作流管理、信息管理、生产流程管理及控制等功能，为门窗设 计生产企业提供一整套解决方案。由w i n d o w m a k e r 公司开发的针对中小型门窗企 业的w i n d o w m a k e re x p r e s s 9 1 以具体的门窗部件作为设计的基本单元，通过软件提 供的配置模块可快速设计出门窗产品，并在采购销售合同定制、工程管理、物料 统计与优化下料、生产控制管理方面有着完善的功能。文献 1 0 1 中介绍的f r a m e p r o j e c tp r o 建筑门窗设计软件能够直接利用已绘制的门窗图形进行设计和计算分 析，使得工程人员可以更关注于设计意图，不必考虑门窗各部分间的数学与逻辑 关系。此外，类似的软件系统还有w i n d o w c a d 、g i n e r i 、f o c u ss p r i n t 等。虽然 国外的建筑门窗c a d 软件具有较好的普适性，并能为用户提供一整套的辅助设计、 生产管理以及工程管理等功能，同时在一定程度上能与众多主流的计算机辅助软 件集成，但是由于与我国现阶段的金属产品国家、行业标准和技术规范存在差异 以及对用户专业水平和计算操作水平都有比较高的要求且价格昂贵，因此此类软 件在我国的推广和应用效果不佳。 国内门窗c a d 软件的大量研发和应用是最近1 0 年才兴起的，凭借软件行业 针对性强和在价格、服务上的优势，受到了国内众多门窗制造企业的青睐，因而 也取得了一定的成果。如长风门窗设计软件具有物料计算无公式化的特点，具有 快速报价和工程管理功能，但存在窗型无法自由添加，公式不能任意修改以及门 窗风压计算需由用户自行进行受力杆件的分析等不足。建星、奥科等门窗设计软 件具有较为完善的门窗厂家产品数据，但是由于门窗产品更新换代加快，使得需 要过于频繁地对软件进行升级以维护其门窗产品数据的正确性和完整性，且不能 很好支持门窗的个性化设计。而创盈等门窗设计软件虽然在设计绘制新窗型、工 程管理和物料统计方面有很大的改进，但对产品的结构计算分析功能和优化下料 功能方面还不够完善。文献 11 中介绍的塑料门窗抗风压强度计算机辅助设计软 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 件，虽然具有风荷载计算、窗框强度校核、玻璃强度校核等功能，但是其采用示 意简图表达窗型图形，不支持c a d 绘图，且只针对塑料门窗的抗风压计算，没有 考虑到门窗产品的多样性。 从上述的分析可以看出，国内外对金属门窗产品结构计算分析系统都做了大 量的研究与开发工作，但仍存在以下不足： 系统的灵活性和扩展性不足。只针对某一种或几种门窗产品结构进行验算 设计，没有充分考虑到工程与用户计算分析需求的多样性以及新结构、新材料的 不断出现，国家、行业标准与技术规范的变动对计算分析模型的影响，使得计算 分析系统的适应能力较差。 系统的行业专用性不强。由于软件开发人员门窗设计分析理论知识的缺乏 和实践经验的不足，造成软件不能很好地对门窗产品结构计算分析中的关键之处 提供科学、准确、可靠的辅助决策和分析，造成设计效率不高、设计周期过长， 且设计质量不高。 系统的集成程度不高。系统缺乏与诸如c a d 、c a p p 、p d m 、优化下料等 其它设计模块的集成接口，不能很好地与其它工程环节进行良好的数据信息交互， 难以满足金属门窗产品在整个生命周期对相关信息进行集成的需求。 1 3 论文的研究目的和内容 1 3 1 论文研究的目的 本文针对金属门窗产品结构计算分析领域，从门窗行业和产品特点出发，围 绕金属门窗产品结构计算分析的现实需求，研究并开发相适应的金属门窗产品结 构计算分析系统，以达到提高工程分析效率、提升产品的性能指标、缩短设计周 期、降低企业成本，并有效减少工程中可能存在的质量安全隐患的目的，进一步 增强门窗企业的市场竞争力。 1 3 2 论文研究的内容 围绕金属门窗产品结构计算分析系统的构建及其部分关键技术的研究，本论 文的主要研究工作如下： 首先分析了国内外同类软件的研究现状，指出了存在的不足，针对金属门 窗产品特点及其结构计算分析需求，设计了包括界面层、系统功能层、数据层、 集成接口层在内的四层体系结构的金属门窗产品结构计算分析系统总体方案。 根据金属门窗产品结构计算需求多样的特点，提出了一种基于广义树形结 构的计算模型快速构建方法。该方法首先建立基于广义树形结构的门窗结构类计 算模型，然后将类计算模型中计算知识单元之间的关联关系作为选配规则，并对 选配规则进行分类分层次组织，最后根据计算需求进行计算知识单元的选配和实 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 例化，生成计算顺序双向链表，完成计算模型构建，提高了计算模型适应工程需 求变化的能力。 针对金属门窗产品结构形式多样且规律性强的特点，提取出了六种典型特 征结构，并研究了其风载荷受力模型。在此基础上，提出了基于r 树的门窗杆件 受力模型匹配方法，该方法首先进行门窗结构矩形化分解，并用r 树进行表达， 再对门窗结构r 树进行简化和分解预处理得到最简r 树集，最后将最简r 树集中 的每个元素与实例r 树进行匹配，并综合每个匹配方案得到杆件受力模型。将门 窗杆件受力模型的匹配转化为两r 树之间的匹配，有效提高了门窗杆件受力模型 匹配的准确度和效率。 在计算模型快速构建、门窗杆件受力模型匹配以及计算书自动生成等关键 技术的研究基础之上，开发了金属门窗产品结构计算分析系统，并通过一个工程 实例说明了系统的适用性。 1 4 本章小结 本章首先介绍了论文的研究背景及意义，并对与本论文相关领域的国内外研 究现状进行了总结和分析，其次总结了现有金属门窗产品结构计算分析软件的发 展现状以及需要完善的地方，最后阐述了本论文的研究目的和主要内容。 6 重庆大学硕士学位论文 2 金属门窗产品结构计算分析系统总体方案设计 2 金属门窗产品结构计算分析系统总体方案 本章首先分析总结了金属门窗行业及其产品特点，提出了金属门窗产品结构 计算分析系统的三大基本需求。在此基础上提出了系统的四大设计目标，再根据 系统设计目标和分层设计思想，构建了具有四层体系结构的金属门窗产品结构计 算分析系统，最后完成系统的功能体系设计，并对系统功能体系的四大应用功能 模块进行了详细设计。 2 1 金属门窗产品结构计算分析系统需求分析 2 1 1 金属门窗行业现状及其产品特点 与一般的制造行业相比，金属门窗行业及其产品具有如下的特点： 金属门窗产品的种类和结构形式复杂多样 1 ) 金属门窗产品的组成 建筑金属门窗产品一般是由面板、支撑结构、附件组成。面板占整个门窗面 积比重最大，门和窗面板是不一样的，对于门多数是由金属板门扇组成，而对于 窗则是由具有阳光投射能力的玻璃组成，其中玻璃的种类和组合形式都比较丰富， 比如普通平板玻璃、浮法玻璃、夹层玻璃、半钢化玻璃、钢化玻璃、中空玻璃等， 具体要根据工程和客户的个性化需求来确定。支撑结构主要用于支撑和固定面板， 直接镶嵌在柱子或墙体平面内并通过连接件加以固定，主要指门窗结构中的横挺、 竖挺和边框，按型材材质可分为钢型材和铝型材，按型材的断面形状可分为工字 型、t 型、槽型、角钢、h 型等( 这主要是针对钢型材而言，铝型材则由于其具 有较好的加工性，可任意挤压成型) ，按型材截面的组合方式可分为单一型材、 隔热型材、组合型材、叠合型材。金属门窗产品的附件主要包括五金配件、密封 胶条和连接紧固件。其中五金配件根据门窗开启方式的不同而有所不同，平开窗 通常包括执手、连杆、拨叉、滑撑等，而推拉门窗则是月牙锁、锁勾、条形锁、 滑轮等。门窗密封胶条在用途上可分为玻璃密封胶条、门扇门框密封条和毛条 三大类，其中玻璃密封胶条用于玻璃与扇以及框之间的密封，门扇门框密封条 主要用于门板与门框之间的密封，而毛条则用于框和扇之间的密封。门窗连接 件是用来固定边框的，通常采用自攻螺钉、预埋件、膨胀螺栓、抽芯铆钉等紧固 件。 2 ) 金属门窗产品结构形式的分类 金属门窗产品按支撑结构的材料类别可分为铝合金门窗、不锈钢门窗、彩板 门窗三大类；而按照开启方式可分为平开门窗、固定窗、推拉门窗和提拉窗等； 重庆大学硕士学位论文2 金属门窗产品结构计算分析系统总体方案设计 从门窗设计角度又可分为单门窗和组合门窗以及任意门窗。从门窗产品结构计算 分析角度来看，任何类型的门窗在进行抗风压性能计算时，都是在门窗处于完全 闭合的状态下对横挺和竖挺进行强度、挠度的计算与校核；因此对于门窗产品结 构计算分析而言，更需要从门窗主要杆件的空间分布关系来进行分类。根据门窗 产品结构对玻璃面板风载荷的分解特点和抗风压蚪i _ - e 厶匕l ：j r , 计算的逻辑顺序，可将门窗 结构分为整体型、二分型和交叉型三种基本形式，如图2 1 所示。整体型是指门窗 结构中不存在中挺( 横挺或者竖挺) ，此时玻璃面板上的风载荷直接分摊到边框。 二分型是指门窗结构中只存在一个中挺，此时作用于两块玻璃的风载荷都会将有 一部分载荷分摊到该中挺杆件上。交叉型是指门窗结构中存在假中挺，这时风载 荷的传递顺序是先将假中挺所承受的面载荷转化为集中载荷，再传递给中挺，因 此杆件载荷计算顺序是先计算假中挺，后计算中挺。 广 【一 中挺 整体型二分型交叉型 图2 1 门窗结构基本形式 f i g 2 1b a s i ct y p eo fd o o r sa n dw i n d o w ss t r u c t u r e s 原材料成本占产品总成本比重大 金属门窗产品在生产制作过程中，能源和原材料消耗都很大，其中原材料成 本占产品总成本的比例可达到6 0 7 0 。一个中等规模的门窗生产企业一年所使用 的钢型材或铝合金型材就可达几千吨，甚至上万吨。因此有效控制金属门窗产品 制造过程中的原材料消耗，降低其损耗，意义重大【l 引。 对安全性能要求高 金属门窗产品是建筑物的围护结构，尤其是安装部位朝向户外的外门窗，不 仅要具有采光、通风、造型装饰等基本功能，更重要的是要有可靠安全的使用性 能，其中抗风压性能尤为重要，它既是保证门窗在受风载荷作用时不出现大的变 形和功能性破坏的关键，又是发挥水密性能、气密性能和保温作用等其它性能的 基础。金属门窗的安全性是其产品质量的重要体现，也是客户选择门窗产品的关 键指标之一。 门窗产品个性化需求高 门窗企业主要根据建筑工程中的内外装饰工程项目来进行产品的设计和生 产，为典型的“市场机会驱动型”企业，因此门窗产品不可能像普通产品那样进行大 重庆大学硕士学位论文 2 金属门窗产品结构计算分析系统总体方案设计 批量生产，具有很强的订单驱动特点。由于建筑工程所在地域环境和用户需求的 不确定，使得门窗企业面对的是一个完全个性化的市场【l 3 l 。 2 1 2 金属门窗产品结构计算分析系统的需求 根据金属门窗企业和产品的特点，总结其对金属门窗产品结构计算分析系统 的需求如下： 提高验算设计质量和效率 金属门窗结构形式多样以及对安全性要求严格，使得在金属门窗产品结构计 算分析过程中，需要进行计算分析的内容很多，所涉及的各学科知识也很多，更 需要对大量相关的标准和技术规范进行查询、对比、判断和选择。因此计算分析 系统需充分利用计算机完善的数据存储、数据处理分析、图形绘制功能和快速准 确的数值计算、逻辑推理能力，提高计算分析系统的自动化、智能化水平以及计 算书的规范化和格式化，从根本上提高计算分析的质量和效率。 满足工程和客户的个性化计算需求 建筑工程地域和用户计算需求的不确定，要求计算分析系统拥有计算模型可 配置能力，能根据具体的计算需求快速准确构建相应的门窗结构计算模型，从而 快速分析出门窗产品是否满足相关规范和技术要求，提高门窗企业快速响应市场 需求的能力。 一 具有一定的辅助决策分析能力 门窗产品结构计算分析是综合运用力学、建筑学、材料学、加工工艺学等多 学科知识的一个创造性过程。在计算过程中需要进行大量的对比分析，以确定相 关参数和选项，尤其对一些关键之处的处理是否合理、正确直接影响计算分析结 果；因此门窗产品结构计算分析系统应具备一定的辅助决策能力，能根据当前上 下文环境推荐选择方案或提示，以辅助工程分析人员更加准确和高效地完成计算 分析。 2 2 金属门窗产品结构计算分析系统的总体方案设计 2 2 1 金属门窗产品结构计算分析系统的设计目标 基于上述的金属门窗产品结构计算分析需求，结合当前门窗产品结构计算分 析软件的发展趋势，系统的设计目标可以归纳为： 行业专用性。系统应针对性地为门窗产品结构计算分析提供一整套的解决 方案，包括对快速构建计算模型、自动选配杆件受力形式、辅助决策选择关键参 数、自动生成工程计算书的支持，把大量的数据查询、对比分析、图形绘制、参 数计算、逻辑推导工作交由计算机进行处理，以提高计算分析的质量和效率。 9 重庆大学硕士学位论文2 金属门窗产品结构计算分析系统总体方案设计 可扩展性。系统应具备较强的可扩展能力，采用开放的体系结构，能够对 门窗行业的新需求、新技术、新发展以及技术规范与标准的不断更新完善有较强 的适应能力，便于系统功能的完善与升级。 智能性。系统应该具有一定辅助决策分析的能力，能够在一些关键参数或 者选项的确定上，根据上下文环境给予用户一定的提示和建议，提高计算分析的 准确性。 集成性。系统应具备一定的集成兼容能力，需要开放诸如c a d 、c a p p 、 p d m 、优化下料等对外集成接口，能够与其它工程环节进行良好的数据信息交互， 以满足金属门窗产品整个生命周期对相关信息的集成需求。 2 2 2 金属门窗产品结构计算分析系统的体系结构 根据金属门窗产品结构计算分析需求和系统设计目标，采用分层设计的思想 1 5 - 1 7 1 ，将系统分为界面层、系统功能层、数据层以及集成接口层。系统体系结构 如图2 2 所示。 图2 2 金属门窗产品结构计算分析系统体系结构 f i g 2 2t h ea r c h i t e c t u r eo fc o m p u t i n gs y s t e mf o rt h em e t a ld o o ra n dw i n d o ws t r u c t u r e s 界面层 用户界面层是连接用户和系统功能的g u i 接口层。系统以窗口、菜单、按键、 对话框、标签以及多文件界面等形式为用户提供操作各功能模块的访问接口，实 现用户与系统之间信息交互的结构化、可视化和简单化。本系统的界面层主要包 括系统主界面、系统基础库维护界面、型材截面参数计算界面、门窗结构计算界 面以及工程文档管理界面等。 系统功能层 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 金属门窗产品结构计算分析系统总体方案设计 系统功能层是整个系统的业务逻辑与处理的核心层，负责监听和响应用户界 面层产生的消息命令，对金属门窗产品结构计算分析的大部分工作都在此层完成。 该层需要实现基础库维护操作、型材截面参数计算、门窗结构计算、计算书生成、 文档管理等功能。首先基础数据库维护的一部分工作属于日常系统维护范畴，主 要是根据工程与客户计算需求以及校核标准更新对支持门窗产品结构计算分析的 底层数据源进行维护，如玻璃数据库、型材数据库、典型结构受力模型库等；另 一部分则是在计算分析过程中进行的，主要是对计算分析过程中所需的变量及参 数以及产生的中间结果数据提供维护。截面参数计算提供对任意截面形状和多种 截面组合类型进行截面参数计算，其结果供门窗结构计算分析所用。门窗结构计 算功能能够对个性化的门窗结构计算需求进行计算模型的构建以及生成门窗计算 说明书等工作，是系统的核心业务处理模块。文档管理功能是对门窗计算说明书、 工程文档等的管理与维护。 数据层 数据层主要提供系统功能运行以及扩展所涉及的工程数据库的数据管理服 务。本体系结构中主要包括城市风压库、变量及参数库、玻璃参数库、典型结构 受力模型库、型材参数库、校核标准库、计算书模板、计算历史案例库等基础数 据库。 集成接口层 本系统开放了与其它系统进行信息交互的集成接口。通过优化下料接口，调 用相关优化下料子系统，能够直接对当前计算分析中所统计出的型材数据进行优 化下料。系统提供的c a p p 接口和p d m 接口，为共享型材参数库中的相关工艺参 数以及计算历史库中的相关计算分析信息，实现对金属门窗产品的辅助工艺规划 和计算过程数据的工作流管理提供了可能。通过本系统提供的a u t o c a d 接口可以 方便地实现各种截面类型的型材截面参数计算、门窗结构图形的矩形化分解，并 提供相关图纸的出图与维护功能。 2 3 金属门窗产品结构计算分析系统功能模块体系及详细设计 2 3 1 系统功能体系设计 基于对金属门窗产品结构计算分析系统软件体系结构的分析，并遵循各个功 能模块间低耦合，模块内高耦合的原则，可将系统划分为型材截面参数计算、门 窗结构计算、文档管理、基础数据维护等四大功能模块。这四大功能模块彼此衔 接、相互配合，构成了一个业务内容完整以及逻辑清晰的应用功能体系。型材截 面参数计算模块提供对门窗杆件截面图形的绘制和相关截面参数的计算，并将结 果保存到型材库中，供后续的门窗结构计算分析使用。门窗结构计算模块根据工 程与客户个性化计算需求，快速构建计算模型，完成门窗产品结构的力学指标计 重庆大学硕士学位论文2 金属门窗产品结构计算分析系统总体方案设计 算与校核，并生成符合工程格式要求的计算书。文档管理模块对计算分析中涉及 到的门窗结构计算书、工程文档、技术规范等进行管理，以便于较好地重用计算 历史惯例和相关工程文档。基础数据维护功能主要提供对系统参数设置以及基础 库综合数据管理服务，为系统的运行和功能扩展提供数据支持服务。系统功能体 系结构如图2 3 所示。 图2 3 金属门窗产品结构计算分析系统功能结构 f i g 2 3t h ef u n c t i o n a la r c h i t e c t u r eo f t h es y s t