软件系统设计文档报告

1、土木工程cad技术基础 2013年6月 钢混框架结构设计软件系统（SDS-RCF）设计说明2013/6/24学 号：2010010131班 级：结 02姓 名：陈 伟指导老师：马智亮目录一、设计概要51.1软件开发目的51.2开发背景61.3参考资料7二、总体设计72.1需求规定72.1.1系统要求72.1.2操作性要求82. 1.3效率要求82. 1.4容错性要求82. 1.5安全性要求82. 1.6灵活性要求92. 1.7可查询性要求92.2运行环境92.2.1硬件设备92.2.2计算机系统92.2.3数据接口92.2.4输入控制设备102.3系统运行流程102.4功能需求与系统模块的对应

2、关系122.5可能存在的问题分析13三、数据结构设计143.1数据读入存储形式143.2有限元计算数据结构163.3内部特有数据储存结构17四、用户菜单设计174.1菜单命令汇总174.2用户主菜单介绍194.3各分对话框20五、系统开发的难点285.1数据库的设计285.2利用CAD输出图形285.3截面选择和配筋过程的循环迭代28一、设计概要1.1软件开发目的2010 年，中国建筑设计行业利润总额为254 亿元，比上年增长40.3%。如果按照20062010 年的利润总额增长预测，近五年来的平均增长率约为24.42%，那么2011年的利润总额预计为316 亿元。在结构设计方面，如何开发有效

3、实用的设计软件至关重要，也能适应现阶段的社会需求，有很大的发展市场。目前，城市建设目新月异，各种高层建筑如雨后春笋。钢筋混凝土框架结构是由楼板、梁、柱及基础四种承重构件组成的。由主梁、柱与基础构成平面框架，各平面框架再由连续梁连接起来形成空间结构体系。采用框架结构体系时，框架梁应纵横向布置，形成双向抗侧力构件，使之具有较强的空间整体性，以承受任意方向的侧向力。框架结构具有建筑平面布置灵活、造型活泼等优点，可以形成较大的使用空间，易于满足多功能的使用要求。在结构受力性能方面，框架结构属于柔性结构，自振周期较长，地震反应较小，经过合理的结构设计，可以具有较好的延性性能。但是，框架结构也不可避免的存

4、在一些缺点：整体侧向刚度较小,在强烈地震作用下侧向变形较大,容易使填充墙产生裂缝，并引起建筑装修、玻璃幕墙等非结构构件的破坏，地震时容易危及人身安全，造成财产损失,而且震后的修复工作和的费用也很大。同时当层数较多或水平力较大时,水平位移较大,在强烈地震作用下往往由于变形过大而引起非结构构件的破坏,为了满足承载力和侧向刚度的要求,柱子的截面设计往往较大,既耗费了建筑材料,又会减少使用面积，给室内办公用品或家具的布置带来不便，这就使框架结构的建筑高度受到一定的限制，因此这种结构一般用于非地震区或层数较少的低烈度高层建筑。因此，在框架建筑结构设计中，如何做到结构设计优化，使设计的整体结果分布更均匀、

5、设计更合理是十分重要的课题。由于结构计算牵扯的数学公式较多，并且所涉及的规范和标准很零碎。并且计算量非常之大，近年来，随着经济进一步发展，城市人口集中、用地紧张以及商业竞争的激烈化，更加剧了房屋设计的复杂性，许多多高层建筑不断的被建造。这些建筑无论从时间上还是从劳动量上，都客观的需要计算机程序的辅助设计。这样，结构软件开发就显得尤为重要。一栋建筑的结构设计是否合理，主要取决于结构体系、结构布置、构件的截面尺寸、材料强度等级以及主要机构构造是否合理。这些问题已经正确解决，结构计算、施工图的绘制、则是另令人辛苦的具体程序设计工作了，因此原来在学校使用的手算方法，将被运用到具体的程序代码中去，精力就

6、不仅集中在怎样利用所学的结构知识来设计出做法，还要想到如何把这些做法用代码来实现。在上述情况下，本系统软件的开发将综合各方面因素，设计开发一套具有设计结构功能的基于Autocad的钢筋混凝土框架结构设计软件，使其具有以下特点：（1）提供便捷的结构建模命令；（2）考虑与有限元分析软件集成，能自动生成结构分析所需要的数据文件。1.2开发背景本系统名称为SDS-RCF（Structure Design Software For Reinforced Concrete Frame），即钢筋混凝土框架结构设计软件。本系统是清华大学土木工程专业课程土木工程CAD技术基础的课程大作业，由马智亮老师的指导下开

7、发而成，是在课程中讲授的软件工程、AutoCAD二次开发环境ObjectARX、数据库管理系统等知识的基础上而设计的一个基于C+程序设计框架编写的辅助设计程序。钢筋混凝土框架结构，顾名思义，即用钢筋混凝土作为材料的框架结构，在现阶段使用较为广泛。框架结构是指由梁和柱以刚接或者铰接相连接而成构成承重体系的结构，即由梁和柱组成框架共同抵抗适用过程中出现的水平荷载和竖向荷载。 框架建筑的主要优点：空间分隔灵活，自重轻，有利于抗震，节省材料；具有可以较灵活地配合建筑平面布置的优点，利于安排需要较大空间的建筑结构；框架结构的梁、柱构件易于标准化、定型化，便于采用装配整体式结构，以缩短施工工期；采用现浇混

8、凝土框架时，结构的整体性、刚度较好，设计处理好也能达到较好的抗震效果，而且可以把梁或柱浇注成各种需要的截面形状。)可以减轻建筑物的重量。(3)有较好的抗震能力。(4)有较好的延性。(5)有较好的整体性。在现阶段很多大型建筑和民用建筑都大量使用这种结构体系。1.3参考资料1）土木工程CAD技术基础第六章课件2）GB50011-2001.建筑抗震设计规范3）GB 50068-2001. 建筑结构可靠度设计统一标准4）03G101.建筑结构可靠度设计统一标准5）GB 50009-2001. 建筑结构荷载规范6）GB 50010-2002. 混凝土结构设计规范7）GB/T 50105-2001. 建筑

9、制图标准二、总体设计2.1需求规定2.1.1系统要求系统应具备根据用户输入的参数数值（如轴网数、开间长度、层数、层高、轴网间距等）自动生成初始结构平面图，以及形成结构初始框架的功能。其次，系统应能够根据用户输入的荷载信息、材料属性自动估算出结构的柱、梁、楼板尺寸，并且，估算出的尺寸应符合规范要求，且方便实际施工。且系统应能自动对楼板和框架体系进行规范所要求的内力分析，并将得到的构件内力按照规范进行组合。之后系统应该可以根据内力组合根据规范要求的公式进行配筋计算，并形成带有钢筋单元的新有限元模型。之后系统应该能够根据新的带钢筋的结构结合原计算荷载进行内力再次验算，如果内力不满足能够及时返回配筋步

10、骤重复循环。最后系统应能够自动生成通用的设计成果及报告。2.1.2操作性要求由于本软件面向对象较广泛，为了让用户能够很快上手并且熟悉掌握软件的使用方法，系统操作要求尽量简单明了，以减轻设计人员的负担。同时界面按键不能有歧义，并且全部以中文的形式显示。操作界面要求布置合理，要考虑到人机互动的方便性。系统应尽量减少用户的输入次数，以提高设计的效率。并在用户输入出错时及时报错，并改正，以免发生由最初输入所引起的全面重新工作。并且，考虑到用户的偏好多样性，应有多种输入输出的方式。本系统中输入应既可以通过命令行输入，又可以通过鼠标图形拾取输入，还可有菜单中弹出的对话框进行输入。数据输入格式应简单，避免复

11、杂的格式要求。2. 1.3效率要求软件中包含了部分有限元计算部分以及大量普通处理的过程，故系统响应的时间可以存在较大的差别。对于一般的简单操作，系统要求进行瞬时响应，以方便用户实际掌握软件运行的情况。对于一些计算需要时间的模块，如有限元计算模块、配筋模块等，系统需在模块运行过程中给予用户模块正在运行的反馈，以表现程序正在运行计算（可以在命令栏显示）。由于本软件多次需要使用到有限元计算，如何尽可能地提高运行速度是一个很重要的问题，在内部处理时尽量使用简单的数据结构，同时在试算过程中不妨采用弹性分析的方法，而在设计过程中可以采用弹塑性分析。2. 1.4容错性要求一般软件需要有一定的容错性，并能对用

12、户的错误输入进行提示，包括逻辑错误（例如轴网数目输入为负数）。由于本软件在设计过程中需要用户输入的内容较为简单，且见面非常明了，一般不存在比较复杂的结构专业内容，因此错误性一般为简单错误，用户在接受提示之后即可非常方便的加以修改。2. 1.5安全性要求在本系统中有着许多根据规范内嵌的数据库，如材料数据库、荷载数据库等。此部分数据库访问应需要限制，既不能轻易对其进行修改。此外，考虑到软件的商业利益，因而，软件的内部源程序都不能进行访问与读取，以保护知识产权。同时，为了对结构设计的责任划分明确，对于数据的修改方面，只有一部分人具备修改权限，并且其必须对数据库负责，不得擅自修改。2. 1.6灵活性要

13、求软件可维护性即维护人员对该软件进行维护的难易程度,具体包括理解、改正、改动和改进该软件的难易程度。本软件目前只适用于钢筋混凝土框架结构的设计，但其潜在的功能扩充性比较强，因此能够在后期增加更多的功能，例如密肋楼盖、含地下室结构的设计等，这就要求结构具有一定的可维护性。同时，考虑到现行规范的不断修正，对内部计算公式的修改以及数据库的更新也是非常重要的。2. 1.7可查询性要求本软件作为结构设计软件，用于商业化。对于购买本产品的用户，其具有查询已购软件的版本、许可证数、使用期限、使用状况、借出状况等的权限。同时设置管理员用户，可查询用户的许可证信息、许可证使用状况、各版本的销售情况、用户信息统计

14、等。2.2运行环境2.2.1硬件设备P4系列微机，应有显示器、鼠标、键盘等普通微机常用的输入输出设备。同时对于CPU最好能有较高的数据运算能力，推荐双核或三核的CPU，如果有图形输出设备更佳。2.2.2计算机系统基于Window 7的桌面操作系统，以及C+或更高级的语言编译环境。程序的开发语言为Visual Studio 2008，具有较大内存空间，运行速度需要有一定保证。2.2.3数据接口此系统是基于AutoCAD的二次开发软件系统，可以脱离开其他CAD系统或有限元系统独立进行设计分析的全过程，目前可暂时不设置程序与其它软件的接口。程序设计的成果采用目前使用较广的DXF以及doc格式输出，同

15、时考虑到数据库的通用性，任何能调用AutoCAD数据的软件均能共享本软件系统的一般数据。2.2.4输入控制设备对于该系统的控制信号来源目前定为由鼠标单击或双击或滑轮滑动所产生的信号（对话框选择菜单），同时也有键盘输入所产生的信号（命令栏）。依靠windows操作系统将这些设备产生的电信号转化为系统能够识别的消息，并借助其消息处理函数来实现各个操作步奏的排序与实现。2.3系统运行流程设计步骤如下：（1）参数读取：根据用户输入的荷载等限制条件，将其读取并进行判断，以更好的对下面的初始选型做出判断，减少优化次数，缩短计算设计时间；（2）初始选型:根据结构平面、立面布置及建筑物设计使用功能,分析结构所

16、受的竖向荷载和水平荷载及其传力路线,并考虑施工因素,归并框架梁、柱的类型,初选梁柱的几何尺寸; （3）结构分析:按照结构的实际几何构造特征,计算结构所受竖向荷载及水平荷载,对钢筋混凝土结构进行空间内力分析。根据结构分析结果,将截面尺寸相同的构件的控制截面内力,根据其大小进行分类,并确定每一类构件的设计控制内力; （4）截面优化设计:针对每一种梁柱构件的控制内力进行优化设计, 得出优化约束条件下的结构几何构造特征和配筋特征的优化设计结果,从而构成新的优化意义上的设计结构; （5）可行性判断:对优化设计结果进行一次内力分析,检验其可用性。若整体分析能够满足工程设计要求,则可按此方案进行配筋和构造处

17、理,作为最终的优化设计结果。否则需根据工程经验和结构内力分析结果进行局部调整,直到方案可用为止。针对上述设计思路，将此软件系统主要分为建筑几何外形、荷载条件输入模块；试算选型模块；有限元计算模块；荷载计算前处理模块；钢混框架自动配筋模块；内力验算模块；以及图纸报告生成模块。首先需要获取用户自行输入的结构几何条件，材料属性和荷载情况等数据，根据这些数据在系统内部设定中进行构件的初步选型，并对荷载和组合进行求解。用不同组合对选型后的构件属性进行内力计算，如果不满足需要返回构件选型模块重新选型，如果满足则形成一个配筋的前处理文件，并通过该内力文件在系统内部对各个构件进行配筋计算。配筋完成后重新有有限

18、元分析对待钢筋的构件进行重新内力计算，并与材料的承载力相对比。如此不断优化，知道满足系统设定的要求为止。各个模块之间的关系以及分析流程可以见下流程图：用户输入模块：用户输入柱网数量，各区域荷载数值，建筑场地情况，抗震设防等级等。试算选型模块：根据前面的输入，结合截面限制条件，自动初估构件断面尺寸，生成结构模型。荷载计算组合模块：前处理结构荷载及几何尺寸，提交给有限元模块，并读取计算后数值，生成配筋前处理文件。有限元计算模块配筋计算模块：对组合后荷载依据重要性指标进行配筋。并生成配筋后数据文件。内力验算模块：对配完筋的构件进行内力计算，并与材料的承载力进行对比，如不满足返回上一模块报告及图纸生成

19、模块：由前计算得到数据文件自动生成结构配筋图与抗震分析报告。对各个模块的包含内容绘表如下：模块名第一级内容第二级内容用户输入模块荷载参数恒活载情况地震荷载风荷载和雪荷载结构布置轴线布置柱网布置主次梁布置填充墙布置楼板布置材料属性（与结构布置耦合）构件的混凝土等级编号构件的钢筋等级编号其他参数抗震等级、框架等级等试算选型模块梁截面尺寸-柱截面尺寸-墙截面尺寸-荷载组合计算根据用户指定组合进行计算-有限元计算模块柱内力计算-梁内力计算-楼板内力计算-构件位移计算-整体位移计算-配筋计算模块柱配筋计算-梁配筋计算-楼板配筋计算-结果生成模块图纸生成平面图立面图剖面图详图设计报告（DOC）-按照上述模

20、块划分及各自之间的关系，可以将系统菜单设置与之结合，每个模块对应于一个对话框菜单项，同时也给每个模块设置快捷命令输入选项。如此可以让用户自主选择适合自己的输入方式，提高软件系统的效率。2.4功能需求与系统模块的对应关系根据前面所述的功能需求以及系统模块的设定，可以将二者相互对应起来，这也是软件开发的原理，即根据功能需求去开发软件的模块结构。下表体现了需求与模块的对应，打勾的位置即表示有对应关系：用户输入模块试算选型模块荷载组合计算模块有限元计算模块配筋计算模块内力验算模块结果生成模块读取用户输入的参数并存储通过读入参数设定结构的初步构建尺寸根据荷载标准值以及用户制定的荷载组合形式进行内力计算对

21、构件进行配筋计算配筋后的构件进行内力验算将最终结果以施工图和报告的形式输出2.5可能存在的问题分析由于本软件系统用于结构的设计，而结构设计软件中不可能能包含所有需要注意的事项，机器是死的，因此很多地方可能还需要人的干预，例如结构最后输出的结构尺寸可能不能满足规范的要求，因此需要人为进行修改和修正，然后再根据人为修正后的参数重新设计和验算内力，这在一定程度上给设计的自动性带来不便。此外还要强调的是，本系统输出的图纸只是辅助设计性质的，还需要专业人员进行审核，确认无误后才能作为最后的设计图纸使用。三、数据结构设计本软件系统按网状数据模型设计，其工作模式如下图数据库数据库管理系统结果输出模块配筋计算

22、模块试算选型模块有限元计算模块荷载计算模块用户输入模块3.1数据读入存储形式数据库是存储和处理数据用的。数据库设计的难易程度取决于两个要素数据关系的复杂程度和数据量的大小。针对不同的命令用不同的方式进行读入存储，对于直接在命令栏输入的命令，我们在意的只是当前的一个命令，对历史输入不注重，因此可以考虑使用顺序栈的形式在存储器中开辟一个连续空间，并定义栈名和栈的最大容量（此上界可以为一个较小的值）。使用其undo功能，每删除一个图元，就压入图元栈中undo时，从图元栈中弹出。其数据结构如下图显示：进栈(压入)退栈(弹出)栈（命令数据库）命令i+1命令i命令0而对于对话框存储的数据，则使用双向链表为

23、好，能对构件数据有更好的存取。链域既存放直接前趋结点的地址，也存放直接后继结点的地址。其结构如下： First 数据1 数据1 数据1 其中，每个元素都是一个结点，包含数据域和链域，数据域用来存放数据值，链域既存放直接前趋结点的地址，也存放直接后继结点的地址。3.2有限元计算数据结构有限元方法是科学与工程计算的重要手段，在结构力学、电磁学等领域的数值模拟中起着举足轻重的作用。但是，随着求解问题规模的不断扩大，串行有限元程序已经不能满足实际应用的需求。在过去的几十年中，面向有限元计算的数据结构并行算法一直都是科学与工程计算领域的研究热点。通常有限元计算流程包含以下5步：:1）提出变分问题；2）获

24、取计算网格；3）建立有限元空间；4）合成刚度矩阵；5）求解线性系统。其中第1、3步属于物理模型和计算方法的范畴，与并行实,现无关。针对第2步，依据层次化“分而治之”思想，采用两级区域分解方法获得分布式存储非结构网格，并在其上建立层次化的非结构网格数据结构。在第4步中，,在层次化数据结构基础上，提出一个自由度局部编号到全局编号的映射算法 并根据该算法建立的映射并行组装总刚矩阵。对于第5步线性系统的求解，保证了分层结构的相互流通。基于上面分而治之的原理，建立层次化的非结构网格数据结构。数据结构中，网格、结点、边、面、体统称为“网格实体”。网格片是核心的数据结构，它包含数值计算需要的网格几何信息、逻

25、辑信息、物理量，其中，几何信息是指网格实体的几何坐标及边界标示；逻辑信息是指网格实体之间的邻接关系；物理量是指物理模型中的变量。基于这样的设计，形成了下图所示的层次化数据结构全局网络子网络Mn子网络M2子网络M1子网络M0 .物理量n物理量1逻辑信息几何信息 .3.3内部特有数据储存结构本软件系统内部需要自制一些数据，如规范规定、混凝土等级及其对应强度、钢筋强度弹性模量、钢筋的直径、钢筋的强度、各种荷载的标准值、设计图的标准构件画法等，这些数据量是有限的，且应该有本程序在设计时全部考虑周到并存入数据库中，最好能不被修改，因此可以直接用有序数组分别封装存储，也便于用户的查询。四、用户菜单设计用户

26、界面“好不好”主要看它是否容易使用及是否美观。易用性是指用户使用软件的容易程度。现代人的生活节奏快干啥事都想图个方便谁都不乐意掏钱买很难用的东西所以把易用性作为用户界面的重要属性对待无可厚非。除了要求软件易用之外人们还希望用户界面美观。美观的界面能消除用户由感觉引起的乏味、紧张和疲劳大大提高用户的工作效率从而进一步为发挥用户技能和为用户完成任务作出贡献。人们对奖的向往和追求是与生俱有的。显然没有开发人员愿意丑化自己的软件也没有用户嗜好丑陋的界面。软件开发者要设计美用户要享受美所以界面的美是开发者与用户的共同需求。为了达到这个效果，下面对本系统的用户界面进行设计。4.1菜单命令汇总根据软件系统的

27、功能需求以及前面所述的模块及设计流程，给出菜单命令表格如下：一级菜单二级菜单三级菜单菜单解释快捷命令设计文件新建-新建一个空白文件new保存-保存该文件Save另存为-另存其他文件Saveas关闭-关闭本文件Close打开-打开已有文件Open查询许可证查询许可证有效期等-权限查询用户所拥有的权限-视图平面x-y与AUTOCAD一致无x-z无y-z无三维3D无动态无修改截面截面尺寸若输出的不满足要求，可以认为调整截面，从新设计配筋无截面材料调整截面材料无抗震等级无调整抗震等级无框架级别无调整框架级别无几何输入轴网设定无弹出对话框，输入轴网的数量与间距net柱位置设定无显示鼠标光标为柱图形，由鼠

28、标在图中中定出柱的位置。暂不支持在命令栏中敲入坐标。column梁位置设定无弹出对话框，可通过鼠标或直接输入来确定出主梁的起始点Beam楼板位置设定无鼠标转变为多线形式，以闭合多线来确定楼板位置floor填充墙位置无弹出对话框，可通过鼠标或直接输入来确定出填充墙的起始点wall材料参数输入梁材料参数无弹出对话框输入梁的混凝土标号以及钢筋标号beamMT楼板材料参数无弹出对话框输入楼板的混凝土标号以及钢筋标号floorMT柱材料参数无弹出对话框输入柱的混凝土标号以及钢筋标号columnMT填充墙参数无弹出对话框输入填充墙的做法或者填充墙的容重，以及开洞大小wallMT设计条件输入无无弹出对话框，

29、进行抗震等级和场地条件以及建筑等级的输入无荷载输入恒活载无弹出对话框进行荷载输入，同时对应到相应的构件上（可通过选取后制定荷载）无风荷载无无雪荷载无无地震荷载无无自定义其他无无荷载组合无指定荷载组合无内力计算内力计算开始无弹出对话框，可直接选择指定荷载组合进行内力计算Force内力图弯矩界面与有限元软件SAP2000一致ShowW轴力showJ剪力ShowZ变形图无ShowB结果输出显示构件截面无对最终调整完的构件截面尺寸规格以及材料选用进行输出xianshiJIEMIAN显示构件配筋无对各个构件的配筋进行输出，可以选择构件编号查询xianshiPEIJIN输出文档报告无输出设计的文档报告sh

30、uchuWEN输出DXF无单击弹出对话框，选择存储文件的位置及工程名（系统固定存储各种图纸文件为：工程名_图纸名.dxf，图纸名由系统自动生成）shuchuDXF属性无无在整个设计过程中，用户可以通过点属性按钮获得被选中的任何构件的所有属性，且该属性界面可以一直存在，不影响其他操作非强制性。无4.2用户主菜单介绍主菜单设计如下，分为菜单栏、命令输入栏、图形显示区、属性区。菜单栏下有二级菜单和三级菜单，属性栏给出被选中构件的所有信息，图形显示区则能实时改变，随着用户的输入不断改变图形显示。命令栏则用于命令输入，便于操作。属性栏。命令输入栏视图栏，显示视图。菜单栏：文件、视图、修改、几何材料输入、

31、荷载输入、设计条件、内力计算、结果输入、属性、帮助。4.3各分对话框轴网设定对话框输入轴网数量判断是否等间距输入轴网间距，若选择等间距则只输入一次柱网布置选择柱子类型，包括圆柱、方柱柱网生成，若选自动生成，则不必输入坐标；自定义包括鼠标点选和坐标输入两种形式。对柱子材料进行定义，用户通过下拉菜单选择混凝土等级和钢筋材料。梁类型由用户点选主梁或者次梁。梁布置对梁材料进行定义，用户通过下拉菜单选择混凝土等级和钢筋材料。梁位置的确定有两种方式，一时鼠标点选起始点和终点，而是坐标输入起始点和终点。填充墙设置填充墙的做法楼板设置输入楼板材料类型。楼板位置有两种方法，用户可以自行选择。场地其他条件设置包括场地条件，框架分级，抗震等级和节点类型等。荷载组合定义根据前面输入的荷载名进行组合，多种组合时可以新建。荷载定义设置当全部输入项均输入完成后，弹出下列确认对话框，用