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钢筋混凝土烟囱的c a d 开发 专业：岩士工程 硕士生：张亚飞 导师：杨九宏副教授 摘要 随着国民经济的不断发展和国家对环保要求的不断提高，烟囱的设计向多样化 的方向发展，高度不断增加，体型不断增大。这就对设计方面提出了更高的要求， 而且新的烟囱设计规范g b 5 0 0 5 1 - 2 0 0 1 即将颁布。目前市场上的烟囱设计软件已不 能适应新的市场要求。为此，中国建筑科学研究院p k p m 工程部开展了烟囱c a d 软件开发的课题。本文介绍了钢筋混凝土烟囱的设计方法与软件开发的原理及思路， 并利用实际算例进行了测试。文中所介绍的软件针对新的烟囱设计规范和其它相关 新规范，采用v i s u a lc + + 、v i s u a lf o r t r a n 作为开发工具，采用混合语言编程技术进 行开发。由于采用了新的开发工具，人机界面更加友好，易于操作。实现了筒身附 加弯矩计算、平截面承载能力极限状态计算、正常使用极限状态计算：实现了基础 计算的自动接力功能，能够自动接筒身计算内力及筒身根部尺寸进行基础设计，并 且可以进行地基持力层承载能力计算、软弱下卧层验算、地基沉降计算和基础倾斜 计算等。 在图形处理方面，以p k p m 工程部拥有自主知识产权的c f g 图形库为基础， 实现了施工图的自动生成。经过实例验证，本辅助设计系统具有界面友好、灵活、 计算准确、可靠，绘图迅速精确等特点，可对今后的烟囱设计提供技术支持。 关键词：钢筋混凝土烟囱；c a d ；圆形基础；环形基础；v i s u a lc + + ；v i s u a l f o r t r a n d e v e l o p l 、4 e n to ft h ec a ds o f t ，a r eo ft h e r e i n f o r c e dc o n c r e t ec h i m n e y m a j o r ： g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g m a s t e r ：y a f e iz h a n g a d v i s o r ：a s s o c i a t e p r o f j i u h o n gy a n g a b s t r a c t w i t ht h es u s t a i n e dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m ya n dt h ec o n t i n u o u s l yr i s i n g d e m a n do ne n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，t h ed e s i g no ft h ec h i m n e yt e n d st ob eo fd i v e r s i t y b o t h t h eh e i g h ta n dt h es h a p ea r es u s t a i n e di n c r e a s i n g w h i c hm a k e se v e nh i g h e rd e m a n do nt h e r e s p e c to fd e s i g n s m o r e o v e r , t h en e w c o d ef o rd e s i g no fc h i m n e yg b 5 0 0 5l 一- 2 0 0 1i st ob e i s s u e d a l lt h e s er e s u l ti nt h a tt h ec u r r e n td e s i g n i n gs o f t w a r eo nc h i m n e y sc a nn o tm e e tt h e n e wm a r k e td e m a n da n ym o r e t h e r e f o r e ，p k p md e p a r t m e n to f c h i n aa c a d e m yo f b u i l d i n g r e s e a r c h ( c a b r ) p u t f o r w a r dt h ep r o j e c to fd e v e l o p i n gc a ds o f t w a r eo bc h i m n e y s i nt h e t h e s i s ，t h ea p p r o a c ht od e s i g nr e i n f o r e e d c o n c r e t e c h i m n e ya n d t h et h e o r yo fs o f t w a r e d e v e l o p i n gi s i n t r o d u c e dt h e na ne x a m p l ei s g i v e n i na c c o r d a l i c ew i t ht h en e wc o d ef o r d e s i g no f c h i n m e y a n do t h e rc o r r e l a t i v er e v i s e dc o d e s t h es o f t w a r ea d o p t sv i s n a lc 抖a sw e l l a sv i s u a lf o r t r a na st h ed e v e l o p i n gt o o l s a tt h es a m et i m ei ta d o p t st h et e c h n i q u eo fw r i t i n g p r o g r a m sw i t hm i x 1 a n g u a g e s d u et o t h e s e i tc a l lb ee a s i l yo p e r a t e da n dt h ei n t e r f a c ei s m u c hm o r ef r i e n d l y t h i ss o f t w a r ea c h i e v e sc a l c u l a t i n ga d d i t i o n a lb e n d i n gm o m e n ta n d d e s i g nf o rn o r m a ls e c t i o ni nu l t i m a t el i m i ts t a t ea n ds e r v i c e a b i l i t yl i m i ts t a t e ；a tt h es a m e t i m e i ta c h i e v e st h ef u n c t i o no fa u t o - r e l a y so nt h eb a s i cc a l c u l a t i o n ，w h i c hn o to n l yg u a r a n t e e st h e a u t o m a t i cc a l c u l a t i o no nt h ei n t e r o a lf o r c oa c c o r d i n gt ot h es h a f to ft h ec h i m n e ya n dt h e c o n d u c t i o no fb a s i cd e s i g n sa c c o r d i n gt ot h er o o ts i z e i tc a nc a l c u l a t ef o u n d a t i o nb e a r i n g c a p a c i t y , w e a ku n d e r l y i n gs t r a t u m ，f o u n d a t i o ns e t t l e m e n ta n di n c l i n a t i o na n d s oo n i n t h e r e s p e c t o fd e a l i n gw i t l l p i c t u r e s ，血i ss o f t w a r e 。b a s i n g o nt h ec f gp i c t u r e w a r e h o u s eo fp k p md e p a r t m e n to fc a b 艮a c h i e v e st h ef u n c t i o no fa u t o m a t i c a l l yf o r m i n g t h es h o pd r a w i n g b ym e a n so ft h ec a s ee x a m i n a t i o n ，t h i sc a ds y s t e md o e sh a v eal a r g e n u m b e ro fa d v a n t a g e s f o ri n s t a n c e t h ei n t e r f a c ei sf r i e n d l ya sw e l la sf l e x i b l e ；c a l c u l a t i o ni s a c c u r a t ea sw e l la sr e l i a b l e ；s h o pd r a w i n gi sr a p i da sw e l la sp r e c i s e ，a n ds of o r t h ，w h i c hi s p o s s i b l e t op r o v i d ea s s i s t a n c ef o rt h ec h i m n e yd e s i g ni nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：r e i n f o r c e dc o n o r e t ec h i m n e y ：c a d ：c i r c u i a rf o u n d a t i o n ：r i n g - ii k e f o u n d a t i o n ：v is u a ic ”：v i s u a if o r t r a n 钢筋混凝土烟囱的c a d 开发 1 绪论 1 1 引言 c a d 即计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 是以计算机系统为支持，进 行产品的方案设计、解析计算、判断优化、分析评估和详细设计的一门技术，其 根本任务是为产品的开发和生产建立一个全局信息模型。c a d 通过几何设计， 以点、线、面、体等几何要素和明暗、灰度、色彩等非几何要素显示产品形状信 息：通过结构设计，以数据文件和工程数据库定义产品结构信息；通过交互设计， 以数学模型、计算分析和绘图指标建立产品过程信息。c a d 技术的开发与应用， 彻底改变了传统的设计方法，无论在设计速度、精度和图画质量方面，都具有传 统设计方法无法比拟的优点。采用c a d 技术可以大大促进科研成果的开展和转 化，提高工程和产品的设计质量和设计水平，降低成本，缩短研制开发周期。c a d 技术是实现设计工作的科学性和创造性，加速产品更新换代和提高市场竞争力的 一项关键技术和强大工具，在国民经济发展中具有重要的作用，在社会效益和经 济效益方面具有重要的影响，已经成为衡量一个国家科技与工业现代化水平的重 要标志之一。 1 2c a d 技术发展现状与动态 1 2 1c a d 技术发展现状 c a d 是计算机技术发展的产物，是随着计算机图形设备和图形软件发展而形 成的一门新技术。c a d 技术起步于5 0 年代后期。6 0 年代随着计算机软硬件技术 的发展，在计算机屏幕上绘图变为可能，特别是经过最近二十年的发展。c a d 技 术在发达国家已广泛应用于机械、电子、航空、汽车、船舶和土木工程等各个领 域。工程结构c a d 作为一个研究领域的发展之初，主要研究结构分析计算的计 算机方法，有代表性的是矩阵位移法和有限元法的研究及其计算机实现。随着计 算几何学、交互式计算机图形学及工程数据库的发展和日趋成熟，特别是后者的 成熟，使c a d 技术的重点转向了c a d 系统集成化的开发研究上。从c a d 应用 软件角度出发，c a d 系统就其结构而论经历了五个历程，分别对应于五代c a d 系统：即单功能c a d 系统、基于文件的多功能c a d 系统、基于工程数据库技 术的集成化c a d 系统、基于专家系统及人工神经网络的智能化集成系统和基于 产品信息共享和分布计算的网络c a d 系统。 1 单功能c a d 系统 工程和产品的设计往往分成若千个设计阶段，如设计一台计算机大致可分为 总体设计、逻辑设计和工程设计。人们往往希望在各个设计阶段都能利用计算机 进行辅助设计工作。于是按照设计的各个阶段分别提出了有关c a d 的课题，以 建筑结构设计为例，可提出结构选型、结构分析、结构计算、修改设计、设计优 化、图形输出等课题，解决问题的关键是建立精确的模型和寻找有效的算法。早 期，这些课题的研究工作都是独立开展的，各自建立能够实际应用的系统，这就 形成了各种独立的单功能c a d 系统。 2 基于文件的多功能c a d 系统 单功能c a d 系统虽能满足实际应用，但使用效率很低。同一批设计数据按 不同的格式反复抄写，供各种单功能系统使用，这样不但增加了很多工作量，而 翎筋混凝土烟囱的c a d 开发 且会引起数据的出错率加大，数据的一致性和设计质量得不到保证。为此，人们 将这些单功能系统连在一起。构成一个统的c a d 系统。最初，人们采用的是 文件管理系统，把各个单功能系统按照设计顺序连成一个顺序机构系统，它实际 上是采用数据转换的方法完成的。 3 基于工程数据库技术的集成化c a d 系统 第二代多功能c a d 系统，虽然解决了数据反复抄写的问题，但由于其结构 是串行结构，数据冗余度较大，因而使用起来仍不方便，并且数据致性也难以 保证，再加上应用程序的功能不全，整个系统的使用效率仍然不高。为此，人们 通过不断地努力和探索，终于认识到只有建立集成化的c a d 系统才是提高c a d 系统使用效率的好办法，这是一个以工程数据库为核心、具有层次结构的系统， 目前已经开发出不少具有初等规模的集成系统，并己成为商品在市场上出售。虽 然这类系统尚在不断完善之中但通过实际运用，证明这个方向是完全正确的， 与前两代系统相比，使用效率已大大提高。 4 基于专家系统及人工神经网络的智能化集成系统 人工神经网络是在现代神经科学研究成果基础上提出的一种抽象数学模型。 它反歇了大脑功能的若干基本特征。人工摊经网络可概括定义为：由大量简单元 件广泛互连而成的复杂网络系统i ij 。在c a d 系统中，综合应用正文、图形、图像、 语音等多媒体技术和人工智能、专家系统等技术大大提高了自动化设计的程度， 出现了智能c a d 新学科。智能c a d 把工程数据库及其管理系统、知识库及其专 家系统、拟人化用户接口管理系统集于一体，形成如图l 示所示的结构【2 1 。 圈i - i 智能c a d 系统 f i g 1 - 1i n t e l l i g e n tc a d s y s t e m 5 ，基于产品信息共享和分布计算的网络c a d 系统 网络及其衍生技术的迅速发展正深刻改变着传统的工作模式，无论是支撑系 统环境还是面向应用技术，随着网络技术的渗透与融合，人在信息环境中的主动 地位与群体分布成员之间的协同效率大大提高。基于网络的协同、共享、远程工 作和分布式处理技术等成为各个领域的研究热点。计算机的网络化是计算机技术 发展的一个大趋势，i n t e r n e l 和i n t r a n e t 已经把全世界各个角落连成一体。通过网 络可以实现产品的国际化开发和生产，其前景是无法估量的【3 】。 1 2 2c a d 技术应用的发展动态 目前的c a d 软件基本上还是设计型的，针对的是施工图设计，新世纪的c a d 软件将具有如下特点：( 1 ) 方案型的c a d 软件，辅助设计人员迸行多方案的比较、 钢筋混凝土烟囱的c a d 开发 优化，并进行结构方案的经济性和安全性风险分析：( 2 ) 智能型的c a d 软件，使 设计人员的知识、经验，主要是丰富的工程经验融入计算机程序之中，利用存贮 在计算机内的巨大知识库进行各种设计方案的自动比较、优选、最佳决策，从而 获得工程的最大效益；( 3 ) 异地协同设计，部分发达国家利用网络开展协同设计及 工程建设目前已取得了很多成功经验，且把这一信息技术应用作为振兴建筑业， 塑造顶尖建筑公司的重要举措1 4 j 。 目前，c a d 技术的发展趋势，归纳起来有如下五化：即c a d 系统集成化、 软件系统智能化、处理技术并行化、科学计算可视化及系统产品标准化 3 1 。 1 c a d 系统集成化 当前，建立在开放式、分布式工作站网络上的c a d 集成化系统已成为c a d 技术发展的主要趋势，能将设计、文档编写及管理等各个环节集成到一个统一的 系统中，实现资源共享和信息集成。以工程工作站和微机为基础的c a d 系统将 成为应用的主流。工程工作站系统和微机系统价格较低，性能价格比较高，即可 独立工作，又具有良好的联网能力，对工作环境要求低，使用和维护方便，在c a d 市场上占据重要地位。集成化系统的发展，使得c a d 软件系统支持软件生产的 各个阶段。具有统一的数据支持和统一的用户界面，各工程闻具有一致的借口， 集成化的c a d 软件工程环境大大改善软件的质量和效率。 2 软件系统智能化 智能化是c a d 发展的必然趋势，是人们将软件生产中的丰富知识和经验收 集和归纳起来，应用人工智能的基本原理和技术，把某个应用领域中的专家的知 识存储在计算机中的c a d 技术。智能化的主要特点是不仅能处理数据，而且能 处理知识，其功能远远超过了计算机范畴，它能进行推理、优化、选择、判断并 做出决策，这样的系统在解决问题方砸能够达到专家水平，即“专家系统”。 智能化c a d 技术是一项复杂的系统工程，是一项跨学科的重大课题，必须 要有经验的工程设计专家和计算机软件专家配合进行研究开发，才能较好地完成。 目前，我国智能型c a d 系统的研究才剐刚开始，因此，在吸收国外先进技 术的基础上，加快研制高水平的智能型c a d 软件是我们的一项迫切任务。 3 处理技术并行化 并行技术可使处理速度提高几个数量级。近年来，这一技术在c a d 中的应 用已有一些突破，但要达到广泛的应用，关键技术之一是并行算法的研究。只有 对各具体的应用对象研究出相应的并行算法，才能真正发挥并行处理的作用，达 到把处理速度提高几个数量级的目标。 4 科学计算可视化 由于图形界面直观，用户易于接受。因此，在c a d 应用软件中对图形的要 求越来越多，也越来越高，不但要求能绘制生产用的各类设计图纸，而且还要求 应用软件的处理过程和设计结果达到可视化；不但要求图形图像表达具有真实感， 而且还要求达到动态实时显示。 5 系统产品标准化 随着c a d 和c a m ( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r e ) 技术的广泛应用，c a d 系统 和c a m 系统的品种越来越多，为了便于把c a d 系统产生的结果传送并提供给 c a m 使用，或者将不同的c a d 系统组合起来使用以及共享一些资源等等，都要 求不同的c a d 系统之间能够方便地交换信息。为此，必须实现系统产品的标准 化，制定数据交换标准。目前已经生产了i g e c 和s t e p 等标准。 钢硒混凝土烟囱的c a d 开发 1 2 3 广义c a d 技术【5 】 如果从美国麻省理工学院( m i t ) 旋风i 号所配的图形系统算起，c a d 技术已 有五十多年的历史；若以m i t 林肯实验室的i e s u t h e r l a n d 发表的人机通信的图 形系统博士论文为开始，也有三十多年的历史了。c a d 技术经过近半个世纪的发 展，在理论、技术、系统和应用等方顽都有了长足的进步。发展到现在，c a d 有 了狭义与广义之分，狭义c a d 就是单纯的计算机辅助设计，而广义c a d 还包括 计算机辅助工程分析( c a e ) 、计算机辅助工艺规划( c a p p ) 、计算机辅助制造( c a m ) 和产品数据及图档管理( p o m s ) 。下面就这几方面进行简单介绍。 1 ，计算机辅助工程分析( c a e ) c a e 主要是实现结构分析和结构优化。虽然c a e 的方法有多种，但应用最 广泛、最成熟的是有限元分析，又称有限单元法，其基本思想的提出可追溯到1 9 4 3 年，c o u r a n t 第一次应用定义在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理来求解 s t v e n a n t 扭转问题。现代有限单元法的第一个成功的尝试是在1 9 5 6 年，t u r n e r 、 c l o u g h 等人在分析飞机结构时，将钢架位移法推广应用于弹性力学平面问题，给 出了用三角形单元求得平面应力问题的正确答案。1 9 6 0 年，c l o u g h 进一步处理了 平面弹性问题，并第一次提出了”有限单元法”，使人们认识到它的功效。6 0 年代 后，特别是随着计算机的发展和广泛应用，有限元分析在结构力学、弹性力学、 流体力学、热力学、电磁学、航天航空、土建、水利、材料等工程设计和工程分 析领域越来越成为一种不可缺少的有效的计算和分析方法。 有限单元法的基本思想是将物体( 即连续的求解域) 离散成有限个简单单元的 组合，用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由 度问题简化为离散的有限自由度问题。物体被离散后，通过对其中各个单元进行 单元分析，最终得到对整个物体的分析结构。随着单元数目的增加，解的近似程 度将不断增大。有限元分析过程主要包括三个阶段： 前处理阶段首先建立有限元模型，完成数据的输入，对模型进行离散顶点节 点数据工作。网格剖分是该阶段的关键步骤。 有限元分析过程通过对各单元进行单元分析，最终得到对所有单元的整体分 析。该阶段主要是通过求解线性方程组得到计算结果。 后处理阶段用各种方式将分析结果显示出来并进行评估。该过程通过直观的、 图形的、矢量的和动态的显示让人们对数据量极大的分析结构有直观的认识。 2 计算机辅助工艺规划( c a p p ) 工艺设计是连接产品设计和产品制造的桥梁，是制造系统的重要环节，对产 品质量和制造成本具有重要影响。6 0 年代末，人们开始计算机辅助工艺设计 ( c a p p ；c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 的研究开发，但由于工艺设计对千差万 别的实际生产环境具有很强的依赖性和技术复杂性，c a p p 仍然是计算机辅助技 术中的薄弱环节。 从6 0 年代末到目前的三十多年间，先后出现了在设计方式上不同的两类系 统，即派生式系统和创成式系统。派生式( v a r i a n t ) 系统已从单纯的检索式发展成 为今天具有不同程序的修改、编辑和自动筛选功能的系统，融合了部分创成式的 原则和方法。创成式( g e n e r a t i v e ) 系统的研究与开发始于7 0 年代中期，而且很快 得到普遍重视，被认为是有前途的方法，但实践的结果并不理想。近年来，这两 类系统都在发展中不断改进提高和互相渗透，从8 0 年代开始探索将人工智能( a i ) 、 专家系统技术等应用于c a p p 系统的研究和开发，研制成功了基于知识 钢筋混凝土烟囱的c a d 开发 ( k n o w l e d g e b a s e d ) 的创成式c a p p 系统或c a p p 专家系统。近几年来，有人将人 工神经元网络技术、模糊推理以及基于实例的推理等用于c a p p 之中，也有人提 出了c a p p 系统构造工具的思路，并进行了卓有成效的实践。还有人将传统派生 法、传统创成法与人工智能结合在一起，综合它们的优点，构造了混合式c a p p 系统【6 1 。 3 计算机辅助制造( c a m ) 计算机辅助制造( c a m ：c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ) 是利用c a d 、c a p p 的信息在数控加工设备上实现制造自动化。c a m 的主要任务是选择加工工具、生 成加工路径、消除加工干涉、配置加工驱动、仿真加工过程等，以满足小批量、 高精度、短周期和加工一致性要求高的产品制造的需要，进而实现c a d c a p p c a m 的集成。计算机辅助制造中最核心的技术是数控技术。4 0 年代末，美国 开始研究数控加工技术，并于1 9 5 2 年生产出第一台数控机床，1 9 5 7 年第一批数 控机床投入使用。我国在1 9 5 8 年试制成功第一台配有电子管数控系统的数控机 床，1 9 6 5 年开始成批生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。截止到上世纪 末国内外已有数百种先进的数控机床，并得到广泛应用。 4 产品数据及图档管理( p o m s ) c a d 技术的普及，使企业中存在的产品设计制造数据信息共享程度低、传递 速度慢、业务管理落后、设计方式陈旧、支撑技术不配套和应用集成系统效率不 高的矛盾越来越突出。8 0 年代初，制造企业为解决上述矛盾开发了不少自用的 p d m 系统，到8 0 年代后期，许多专业公司择优将其演变成p d m 产品。9 0 年代 时，美国部分制造企业开始采用p d m 进行管理巾j 。 我国9 0 年代中期开始研发p d m 系统，由于吸收了国外p d m 发展的经验教 训，因此，起点较高。目前，”8 6 3 ”计划支持的基于c o r b a w e b 的p d m 系统与 国际上先进的p d m 系统的差距不到5 年。p d m 是集成并管理与产品有关的信息、 过程及其人与组织的技术，其应用分为企业图档电子化管理、部门级数据管理、 企业级数据管理和企业间数据管理四个层次。p d m 通过权限管理、工作流管理、 项目管理和配置与变更管理等，实现在正确的时间、把正确的信息、以正确的形 式、传送给正确的人、完成正确的任务，最终达到数据共享、人员协同、过程优 化和增效减员的目的。p d m 作为一个管理系统，需要针对企业的特殊需求来定制 和实施，为此，企业模型的建立、实施规范的制定是加速p d m 推广应用的关键 因素。 1 2 4 我国建筑业c a d 的发展与现状 在我国，c a d 技术的研究是从七十年代开始的，进入八十年代中后期，我国 才全面开展c a d 技术研究开发和推广应用，经过广大科技工作者十多年的不懈 努力，在我国软件和信息产业方面取得令人瞩目的成绩和明显的效益。 目前我国工程设计c a d 已大范围使用，甩掉图板目标已基本实现。在此基 础上正在加强开发与推广项目管理软件，实现设计协同工作系统，积极采用当代 计算机最新技术，进一步实现集成化、网络化和智能化，深化c a d 的应用。 我国在八十年代之前，建筑工程应用计算机主要是进行数值计算，完成结构 分析。采用手工填写并输入数据( 早期甚至采用纸带穿孔输入) ，一项工程结构的 分析，由于数据量大，往往耗费几天甚至几周才能完成录入任务，不仅麻烦、琐 碎，而且极易出错。经计算机处理后以数字表示的输出结果，也需要花费长时间 钢筋混凝土烟囱的c a d 开发 人工处理输出结果。采用这种方式，一般来说一项工程的结构分析需要反复计算 多次。这是建筑业计算机应用的初级阶段。 在第二阶段，开发了具有前后处理的结构分析计算程序。这一阶段软件特点 是采用人机交互方式输入数据，即主要在屏幕上按结构平面图和荷载平面图，交 互输入所有数据，具有直观、简便和正确的特点。同时还具备自动布置荷载功能 以及后处理功能。目的是为了便于分析理解，如输出内力图、振形图和变形图等 等。具有前后处理的结构分析软件大大地提高了工作效率，例如一座1 9 层平面框 剪结构分析计算，从拿到图纸到全部完毕仅需2 3 小时 7 】。 第三阶段是结构c a d 。结构c a d 在设计单位应用最为普遍，效果也最好。 开发结构c a d 工作量很大，它不仅涉及到图形问题而更重要的是涉及到计算理 论和各种规范的要求，并要以较高的自动化程度完成各类施工图。目前从上部结 构到基础几乎各方面的旋工图均可完成，如：框架、连续架、排架柱、剪力墙、 楼梯、地基、条基、交叉梁基础、筏板( 带肋或不带肋) 基础等。 第四阶段是建筑c a d 及其系列产品，如：电气、给排水和采暖通风等软件 的应用。由于早期计算机软硬件条件的限制，能进行三维造型和着色的计算机价 格昂贵，无法满足建筑师对图形的苛刻要求。随着微机技术和图形支撑软件的发 展，美国a u t o d e s k 公司推出a u t o c a d 后，国内在a u t o c a d 平台上开发了 一系列建筑c a d 软件，同时采用三维造型、消隐、光影效果、质感纹理等技术， 使建筑师开始对c a d 感兴趣，于是建筑工程c a d 的应用再一次进入高潮。在此 阶段，拥有自主版权的图形支撑软件开发取得了很大的成绩，如p k p m 建筑工程 c a d 系统，是自主开发的图形支撑软件c f g ，具有方便实用的特点，受到了广大 设计人员的喜爱。 作为发展的必然结果，第五阶段是设计各专业的集成化系统，以提高设计整 体效益，达到优化。目前国内已开发不少这类软件产品。 当今时代是一个高科技不断创新的时代，挑战与机遇并存，国际上c a d 软 件在技术上以惊人的速度向前发展。随着我国对外开放政策的实施，不少国外优 秀c a d 软件己涌入我国。从技术上讲，总的发展趋势是朝着集成化、网络化、 协同化和智能化方向发展。所谓集成化是指设计各阶段和各专业模块间信息的提 取、交换、共享和处理的集成，即信息流的整体集成，将设计各阶段和各专业有 机地联成一体，最终建成一个高度集成、总体优化、效益最佳的工程设计c a d 集成系统7 1 。 但是，从总体水平上来看，我国的c a d 技术开发和应用水平与发达国家相 比仍存在较大差距，各地，各行业c a d 技术开发和应用的深度和广度都存在亟 待解决的问题。土木工程领域，特别是建筑结构工程领域的c a d 技术应用水平 还处于比较落后的地步，在工程设计中的应用水平仍处于计算机工程制图代替传 统手工制图及计算机结构分析上。结构分析模型的建立仍需要工程师借助自己的 经验知识手工输入，涉及模型的最终表达，即设计详图的输出，大部分仍需要设 计者机械地通过图形系统手工绘出。要彻底改变这种现状，使我国c a d 产业立 足于国际竞争并在国际市场上占有一席之地，必须加快计算机技术应用研究和开 发的步伐，特别是加深和拓宽c a d 技术在工程设计中应用的深度和广度。一 l _ 3 国内外烟囱设计、施工和使用现状及发展趋势 普通单筒式钢筋混凝土烟囱因结构简单、施工方便、造价低，而倍受设计者 钢筋混凝土烟囱的c a d 开发 最为广泛。国外的大型电厂普遍采用钢内筒多管式烟囱，单元制布置，一台锅炉 接一个钢内筒。它的特点是结构自重轻、抗震性能好、旌工机械化程度高。由于 它的造价高，相当一段时期内在我国不可能被广泛采用。改革开放以来，我国在 沿海地区的部分大型电厂中也开始使用，目前这类烟囱主要用于软土地基和高烈 度地震区。这种烟囱的钢内筒吊装技术研究工作进展很快，技术上已很成熟，相 对而言，在设计和计算技术的研究方面则做得不够，有待加强。钢内筒的设计和 计算在国外还没有统一技术标准，国内各单位的计算方法、设计控制条件等也不 一致1 8 1 。我国新的烟囱设计规范g b 5 0 0 5 1 2 0 0 l 对旧规范g b j 5 l - 8 3 进行了全 面的修订。在这次修订中，除了采用概率理论进行设计外，还增加了多管式和套 管式钢筋混凝土烟囱、钢烟囱、烟囱的防腐蚀和烟道等新的内容一j 。 从经济方面考虑，当排放中等或强腐蚀性烟气时，我国近期采用砖混结构分 段支承形式的套筒式烟囱或多管式烟囱。这种形式烟囱在国外很少见到，我国从 8 0 年代开始在部分大型电厂中应用，取得了不少实践经验。但有些问题还需要进 一步研究，譬如内筒抗震的可靠性、内筒分段支承处的防腐蚀措施和分段联接处 的合理构造以及如何减小内筒结构自重，降低大跨度支承梁的内力等a 以钢塔架作支承结构的钢内筒烟囱，我国曾在个别小型电厂中采用过，建造 的最高高度为1 0 0 m 。在日本，则用于软土地基上建造的大型电厂中，并且结构形 式多样、形态各异，高度达( 1 5 0 2 0 0 ) m 。我国沿海地区的少数大型电厂，今后从 经济上考虑也有可能采用。这种烟囱的技术关键是钢结构的防腐蚀保护问题。 烟囱的基础有三种形式：刚性基础、钢筋混凝土板式基础和正倒锥组合壳基 础。 1 刚性基础 分为环形基础和圆形基础，一般以砖和块石砌筑而成，也可用素混凝土浇筑， 适用于烟气温度不大于4 5 0 * ( 2 ，高度在4 0 m 上下的砖烟囱。在满足基底面积要求 的前提下，需确定合理的高度及台阶尺寸。 2 钢筋混凝土板式基础 分为环形基础和圆形基础，按照极限平衡理论计算，其计算假定：在极限状 态下，基础已充分开裂，开裂成几个极限平衡体。对于设置了地下烟道的高温板 式基础，需对基础进行受热温度计算。 3 正倒锥组合壳基础 采用极限平衡理论，对正倒锥组合壳的“正截锥”( 上下环梁之间的截锥体) ，按 “无矩”理论计算。“倒截锥”( 底板壳) 按界限平衡理论进行内力计算。环梁按内力平 衡条件计算。 迄今为止烟囱以钢筋混凝土圆形或环形平板作基础者居多，这与国外情况基 本类似。壳体基础可节省混凝土量，7 0 年代曾大力推广，但由于施工难度大、受 力性能差等原因，近年来已很少使用。我国的烟囱基础，在计算板的内力时。与 西方国家不同，考虑了塑性内力重分布。配筋方式也不同，我们多数采用径、环 向配筋，他们则一律采用方格网布筋形式。 在烟囱结构形式的多样化方面，我国远不如国外，譬如烟囱采用深基础、套 简式和多管式，或采用玻璃纤维增强塑料内筒或独立自承重砖内筒、“反压式”单 筒式烟囱等。在我国，这些都尚未进行认真的研究，更谈不上在工程中试点。当 然，国外的经验不一定适合我国的国情，所以需要分析，不能盲目追随，但多数 情况可以借鉴。烟囱设计受建筑材料供应条件因素的制约很大。在6 0 年代前后， 钢筋混凝土烟囱的c a d 开发 然，国外的经验不一定适合我国的国情，所以需要分析，不能盲目追随，但多数 情况可以借鉴。烟囱设计受建筑材料供应条件因素的制约很大。在6 0 年代前后， 由于当时的具体情况，我们除了采用砖烟囱和钢筋混凝土烟囱，别无选择。在实 行市场经济的今天，新的材料不断涌现。但就目前国内状况来看，在相当长一段 时期内，钢筋混凝土烟囱仍然会占据主导地位【8 l 。 1 4 烟囱c a d 研究的现状 烟囱广泛应用于国民经济的各个部门，如石化、冶金、电力等行业，随着经 济的迅猛发展，各种类型的烟囱必将大量的应用，但是直到现在，市场的建筑c a d 很少有涉及到烟囱c a d 的。国外相关软件价格昂贵，而且目前为止未发现根据 我国规范编写的软件。据笔者了解，西北电力设计研究院于1 9 9 1 年左右曾组织科 研人员开发了烟囱的c a d 设计软件，采用f o r t r a n 语言编写。这套软件是在d o s 环境下运行，生成图形还必须在a u t o c a d l 0 的环境中进行，还谈不上良好的人 机交互环境。在计算机技术飞速发展的今天，这套系统显然已经无法和一些新的 通用计算机辅助设计系统接口，而且这套软件是基于旧规范编写，新的烟囱规范 即将颁布。另外，据笔者了解西安建筑科技大学也曾开发了烟囱c a d 软件， v i s u a l c + + 6 0 作为开发工具，a u t o c a d 2 0 0 0 作为其图形平台，但编写也是基 于旧规范，而且无法进行基础方面的设计l 。 1 5 本文的研究工作与意义 1 深刻理解烟囱设计的基本概念与方法，了解国内外烟囱设计与使用的现状 及烟囱的计算机辅助设计的发展状况及前景。 2 ，针对新的烟囱设计规范g b 5 0 0 5 1 - 2 0 0 1 及其它相关的新版规范进行了 下列工作： ( 1 ) 实现了附加弯矩计算 包括筒壁水平截面承载能力极限状态的附加弯矩和正常使用极限状态下的 附加弯矩。 ( 2 ) 实现了水平截面承载能力极限状态计算 地震区的烟囱分别按无地震作用和有地震作用两种情况进行计算。 ( 3 ) 实现了正常使用极限状态的应力计算 分别计算水平截面和垂直截面的混凝土和钢筋应力。 ( 4 ) 正常使用极限状态的裂缝宽度验算。 ( 5 ) 对已建成烟囱或设计人员已给出配筋的烟囱进行验算包括极限承载力计 算、正常使用极限计算、裂缝控制计算。 ( 6 ) 实现了自动接力功能，能够自动接筒身计算内力及筒身根部尺寸进行基 础设计。并且可以进行地基持力层承载能力计算、软弱下卧层验算、地基沉降计 算和地基倾斜计算。 从目前国内状况来看，在相当长一段时期内，钢筋混凝土烟囱仍然会占据主 导地位。而且，新的烟囱设计规范g b 5 0 0 5 1 - 2 0 0 1 即将颁布。因此，为适应设 计工作和市场的迫切需求，简化设计过程，我们开展了钢筋混凝烟囱的c a d 研究的课题。 中国建筑科学研究院是我国建筑类软件开发方面的权威机构，由建研院 p k p m 工程部开发的p k p m 系列软件是国内应用最广泛的建筑类软件，并己进入 钢筋混凝土烟囱的c a d 开发 国际市场。本次开发的烟囱c a d 软件就是作为p k p m 系列软件中的个模块， 以自主产权的c f g 图形支撑库为基础，因此有强有力的技术支持。并且，随着软 件的商品化，会产生很好的经济效益和社会效益，因此该项工作具有很好的发展 应用前景。 ，。，星至堡丝圭堡塑星。三垒呈茎量，：。，：， 。 2 系统开发介绍 2 1 引言 早期的结构c a d ，基本上是基于d o s 环境，利用d o s 的编程工具，如t u r b o c 、f o r t r a n 等进行编程，绘图则用a u t o c a d 等工具。随着计算机软件和硬件技术 的飞速发展，特别是w i n d o w s 的发展，出现了集成化的开发环境。通过w i n d o w s 提供的技术：a p i 、d d e 、o l e 、a c t i v e x ，可以把基于w i n d o w s 的应用程序开发 工具，如v i s u a lc + + ，v i s u a lf o r t r a n ，v i s u a lb a s i c ，a c c e s s 等，集成在结构c a d 系统中。在w i n d o w s 环境中，数据既可以通过数据文件的方式实现共享，也可以 通过连接的方式实现共享。通过w i n d o w s 的集成环境，结构c a d 系统的各个子 系统间接口更加严密、更加安全l l “。本课题钢筋混凝土烟囱计算机辅助设计程序 是在v i s u a lc + + 6 0 和v i s u a lf o r t r a n6 0 下开发的。m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o6 0 是 一个集成的软件开发环境，其中包括了m i c r o s o f t 大多数功能强大的软件开发工 具，如v i s u a lc + + v i s u a lb a s i c ，v i s u a li n t e r d e v ，v i s u a lj + + 和v i s u a lf o x p r o 。 2 2 开发原理 2 2 1 面向对象程序设计语言 进行面向对象的程序设计，必须使用面向对象程序设计语言。面向对象程序 设计语言应该具备下述特征”圳 1 它支持对象的概念( 包括对象所有的特性，如封装等) ： 2 它要求对象属于类； 3 它提供继承机制。 若语言不支持多态，则不能称面向对象的。只支持类而不支持多态，称基 于对象的，如a d a ，v b ”l 。 面向对象的程序设计语言有很多主要有s m a l l t a l 、k e f 亿l 、c + + 和j a v a 等。 其中的c + + 因其诸多优点、强而灵活的功能而被广泛采用。许多程序的开发和已 有程序的二次开发都采用了c + + 。比如，w i n d o w s 程序的编写，a u t o c a d 二次开 发工具o b j e c t a r x 等。还有许多成熟的和商品化的函数库和类库可供选择。 c + + 由c 改进扩充而来，c + + 包含c 的全部特征，添加了对面向对象编程的 全面支持。主要包括：可进行类定义：为类提供了数据操作的函数及操作符；为 类提供了构造方法及析构方法；对类内部的数据结构进行了封装性的划分；提供 了对多态性及函数重载的支持。 在采用面向对象方法编程以前，w i n d o w s 编程是一件非常繁琐的事情，编程 人员要关心窗口建立、消息传递、各种函数调用等各个细节，使人望而生畏。采 用面向对象方法编程技术后，w i n d o w s 程序的开发从形式到内容均发生了很大变 化t b o r l a n d 公司和m i c r o s o f t 公司相继推出了用于w i n d o w s 编程的类库，这些类 对w i n d o w sa p i 函数进行了封装，从而大大简化了w i n d o w s 的编程工作。使得不 是很专业的人员也能编写w i n d o w s 程序。运用开发工具中的向导模板较标准的 w i n d o w s 界面程序可在一二分钟内完成1 1 4 1 。 ， 0 ：；。 ， ， 。：塑墼鎏堡圭堡，蜜墼耋竺耋垄。! !。，：。， 2 2 2w i n d o w s 程序工作原理 w i n d o w s 程序设计是一种完全不同于传统的d o s 方式的程序设计方法，它是 一种事件驱动方