1 STS 软件的研制目的
近年来,我国钢产量跃居世界第一位,建筑钢结构的优点也越来越突出。CAD 技术的发展和成功推广表明,借助计算机辅助设计软件来完成钢结构的计算机分析、优化设计和绘图工作,一方面可以给工程设计提供精确的计算和绘图工具,提高设计效率,使设计更加安全经济,另一方面也必将对钢结构的进一步发展起到很大的促进作用。
PKPM 系列软件是国内应用最广的一套一体化CAD 软件,曾获国家科技进步奖,是国内唯一自主平台的计算机辅助设计系统,现在已经成为了一个包括建筑设计、结构设计、设备设计,在结构设计中又包括多层和高层、工业厂房和民用建筑、上部结构和各类基础在内的综合CAD 系统,并正在向集成化和智能化的方向发展。在这种情况下,中国建筑科学研究院PKPM CAD 工程部从1995 年5 月开始组织力量,研究开发自主版权的钢结构CAD 软件STS ,该软件的研制以PKPM CAD 工程部自主开发的CFG中文图形支撑系统为平台,以PKPM 系列软件的PMCAD、PK 为基础。STS 的功能要求为: 是一体化的CAD 软件,功能包括从钢结构建筑的模型输入、截面优化、结构分析、构件强度和稳定性验算、节点设计、直到施工详图绘制;软件可适用于多、高层框架,平面框架,连续梁,轻钢门式刚架,排架,框排架,钢桁架等多种结构形式;软件要求操作简单,自动化程度高,界面友好,易学易用;施工图详图以标准图为准,并提供方便快捷的编辑工具;是PKPM 系列软件的一个模块,可以与其他模块接口;先使STS 成为国内主流的钢结构CAD 软件,再扩充国外规范版本,走向国际软件市场。
2 STS 软件技术条件
作为专业的钢结构工程设计软件,必须符合国家现行的规范、规程和标准。STS 软件的研制主要依据有: 《钢结构设计规范》( GBJ17 - 2003) ; 《冷弯薄壁型钢结构设计规范》(GB50018-2002) ;《高层民用建筑钢结构技术规程》(J GJ99 - 98) ;《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102 :2002) ; 《轻型钢结构设计规程》(DBJ08 - 68 - 97) ;另外,STS 软件遵循常用钢结构设计手册、标准图的规定。
3 STS 软件功能简介
311 模型输入
STS 的模型输入可以采用三维方法和二维方法。
三维建模采用人机交互方式,引导用户逐层地布置各层平面和各层楼面,再输入层高就建立起一套描述建筑物整体结构的数据,三维建模程序具有较强的荷载统计和传导计算功能,除计算自重外,还自动完成从楼板到次梁,从次梁到主梁,从主梁到承重的柱、墙,再从上部结构传到基础的全部计算,加上局部的外加荷载,可方便地建立起整栋建筑的荷载数据。三维建模提供的截面类型有中国和世界各国的标准型钢及其组合截面,焊接H 型钢(包括楔形截面) 、圆管、箱形、Z 形、槽形等自定义截面,钢管混凝土、钢骨混凝土截面等丰富的截面形式,适用于各种结构形式的需要。二维建模数据可以由三维建模的数据生成的平面框架、连续梁的数据文件自动生成,也可以用人机交互方式生成,能方便地建立起平面杆系结构的模型。
二维人机交互建模可以建立各种类型平面杆系的框架、门式刚架、排架、框排架、桁架、支架、连续梁等多种结构形式的模型,对于门式刚架、框架、桁架、弧形轴线还提供了快速输入向导来快速输入,可以输入各种作用形式的恒载、活载、风荷载(可以自动布置) 、吊车荷载(包括抽柱吊车荷载) 和地震计算参数。二维建模提供的截面类型除了三维建模的截面类型外,还包括冷弯薄壁型钢及其组合截面,实腹式组合截面,格构式组合截面,组合梁,任意截面等类型。
312 截面优化
截面优化就是在满足规范要求的前提下,寻找用钢量最小的截面尺寸。STS 软件可以对轻钢门式刚架和钢桁架进行截面优化。门式刚架中常采用变截面构件,所以优化的约束变量有大端、小端高度,上、下翼缘宽、厚,腹板厚度7 个因素,STS 软件能在自动或人工定义的变化范围内,快速地寻找到用钢量最小的截面尺寸。桁架优化可以进行杆件分组,分为一组的杆件在优化后具有相同的截面。优化程序速度快,适用性较好。
313 结构分析和构件验算
STS 的三维、二维建模数据可以分别接口三维分析程序和平面杆系分析程序进行结构分析和构件验算。三维分析程序包括PKPM 系列软件的空间分析设计软件TAT 和SATWE ,二维分析程序是STS 软件自带的平面杆系分析程序。
结构分析和构件验算时程序自动进行结构内力分析和组合,进行构件的强度、稳定性验算。STS 的平面杆系分析程序可以按照《钢结构设计规范》, 《冷弯薄壁型钢结构设计规范》, 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》, 《轻型钢结构设计规程》来进行构件验算(后两种规程适用于轻钢门式刚架) 。
314 节点设计和施工详图绘制
在内力分析完成后,STS 软件可以延用三维、二维内力计算结果进行连接节点设计和施工详图绘制。施工图绘制是钢结构设计工作量很大的部分,STS 的施工图根据标准图编制,图纸提供详细的尺寸标注,焊缝标注,螺栓排列,零件编号,以及材料表和图纸附注说明,还提供了专业的施工图编辑工具。施工图的绘制考虑了钢结构施工图的特点,绘图采用了多种比例。
对于多、高层框架结构,可以用空间分析程序计算,也可以用平面杆系的分析程序计算,STS 分别根据这两种内力结果进行节点设计和绘制施工图。节点连接形式包括梁柱刚接、铰接节点,柱脚刚接、铰接节点,主次梁刚接、铰接节点,梁拼接节点、柱拼接节点等,这些节点又分别提供了多种做
法供用户选择。节点设计是采用人机交互的方式输入节点形式,设计参数,程序自动计算螺栓数目,智能化的进行螺栓排列,计算有关焊缝的长度,厚度,自动进行节点加劲肋的设计,用户可以查询、修改设计结果。节点设计后进行梁、柱、节点的归并,施工图要包括梁施工图,柱施工图,柱脚和连接节点大样图。
对于轻钢门式刚架,STS 能处理单跨、多跨、对称和非对称门式刚架。梁、柱截面可采用焊接H 形等截面或楔形截面形式,节点设计提供4 种梁柱刚接节点,2 种屋脊节点,4 种柱脚节点,以及梁的拼接节点,柱牛腿的设计。节点设计可以全部自动完成,用户也可以修改节点设计结果,修改后还可以进行验算。施工图包括刚架整体施工图,柱脚和连接节点剖面图,异形腹板的放样图,以及构件详图。
对于钢排架,STS 能自动收集吊车荷载,进行柱牛腿的设计,牛腿的尺寸允许用户修改。施工图包括排架柱施工图,柱脚剖面图,牛腿剖面图。
对于钢桁架,STS 能设计由双角钢,单角钢,双槽钢,单槽钢组成的各种形式的钢结构桁架。自动作桁架的节点板连接设计和焊缝设计。画桁架的正立面,俯视图,节点大样图,现场拼接节点图和材料表。可作桁架对称设计,图面上详细标注支座构造,构件编号,节点板尺寸,焊缝长度和高度,填板数量等。设计的结果可以交互修改。可以预设桁架起拱高度。
对于钢支架,STS 能设计由焊接H 型钢、普通工字钢、标准H 型钢截面的立柱,双角钢,单角钢截面的支撑组成的钢结构支架。自动作支架的节点板连接设计和焊缝设计。画支架的正立面,俯视图,节点大样图和材料表。
315 平面布置图绘制、用钢量统计
对于采用三维建模的框架结构,在三维计算和全楼节点设计后,STS 软件可以根据全楼梁、柱、节点的归并结果,绘制各层梁柱平面布置图,标注梁、柱归并号,绘制各层构件表和全楼构件表。STS 还可以统计整个结构的梁、柱、支撑、次梁等构件的重量,绘制钢材订货表和钢材报价表。对于采用三维建模的轻钢门式刚架结构,STS 软件可以用人机交互的方式布置屋面支撑、檩条、柱间支撑、墙梁,自动布置拉条,从而可以自动绘制屋面布置图和墙面布置图,统计整个结构的梁、柱、支撑、檩条、墙梁等构件的重量,绘制钢材订货表和钢材报价表。
316 吊车梁、檩条、墙梁等其他计算、绘图工具
STS 软件可以设计简支实腹式钢吊车梁,吊车梁截面可以是无制动结构,有制动板,有制动桁架三种形式,可以自动优选吊车梁截面,可以绘制吊车梁施工详图。STS 软件可以进行冷弯薄壁型钢檩条、墙梁的计算和施工图绘制,可以用人机交互方式绘制屋面支撑、柱间支撑、隅撑、抗风柱的施工图以及相关连接节点的大样图。
317 自主图形平台,可与AutoCAD 图形文件互相转换
STS 是国内唯一自主图形平台的钢结构CAD 软件,软件提供了专业的绘图工具和方便的图形编辑、打印环境,可以用OpenGL 方式来浏览结构整体模型,并且可以将STS 软件生成的T 图形文件( PKPM 图形文件格式) 转化成Auto-CAD 的DWG图形文件,也可以将AutoCAD 生成的DWG图
形文件转化成T 图形文件在PKPM 环境下编辑修改。
4 应用情况
STS 软件通过建设部组织的专家鉴定和金属结构协会软件登记,是建设部科技成果推广项目,到2001 年已经拥有1000 多家用户,已经成为国内应用最广泛的一套专业钢结构设计软件。PKPM CAD 工程部还在加大对STS 软件的开发和投入力度,进一步增强STS 软件的功能和使用范围,努力使STS 软件成为钢结构设计人员的必备工具,对提高设计的效率和安全性,对推进我国建筑钢结构事业的进一步发展做出更大的贡献。