程亮+鄧碧鷹+林峰

【摘要】目前市場(chǎng)上的溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件存在無(wú)法按三維模型計(jì)算、施工圖難以滿足工程要求等不足，基于AutoCAD平臺(tái)開發(fā)了用于Venlo型溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件GreenHouse。GreenHouse操作方便、計(jì)算準(zhǔn)確、功能齊全。軟件分為前處理、核心計(jì)算和后處理三大模塊，快速建?？商嵘Ｐ?，三維模型計(jì)算可提高內(nèi)力分析的準(zhǔn)確性，詳細(xì)計(jì)算書和施工圖的輸出方便工程師應(yīng)用，并以工程實(shí)例說(shuō)明了軟件的功能和應(yīng)用情況。

著中國(guó)農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，溫室結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也越來(lái)越廣。Venlo型溫室因其安裝簡(jiǎn)便、透光率高、密封性好等特點(diǎn)，在中國(guó)得到了較為廣泛的應(yīng)用[1]。目前，對(duì)溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的需求日益強(qiáng)烈。國(guó)內(nèi)科研院所也先后開發(fā)了溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件[2-3]，但仍存在不足，如不能按三維模型進(jìn)行計(jì)算、無(wú)法考慮空間作用、施工圖難以滿足設(shè)計(jì)需要等。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文開發(fā)了一款針對(duì)Venlo型溫室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件GreenHouse。該軟件能夠進(jìn)行Venlo型溫室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與三維模型計(jì)算，具有建?？旖?、構(gòu)件種類豐富、能生成詳細(xì)施工圖等優(yōu)點(diǎn)。

軟件功能特色

GreenHouse軟件具有集成化的交互界面（圖1），模型的建立、計(jì)算以及結(jié)果的顯示都在同一個(gè)界面下進(jìn)行。軟件基于AutoCAD平臺(tái)，可以直接使用CAD功能進(jìn)行視圖平移、縮放、模型旋轉(zhuǎn)等操作。軟件主要分為前處理、核心計(jì)算和后處理3大模塊。前處理模塊包括快速建模、構(gòu)件編輯和荷載編輯，核心計(jì)算和后處理模塊分別用來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算結(jié)果的輸出（圖2）。

前處理模塊

快速建模是GreenHouse軟件前處理模塊中至關(guān)重要的一步，它可以完成標(biāo)準(zhǔn)形式溫室模型的軸網(wǎng)、構(gòu)件及荷載信息的快速定義。對(duì)話框分為“拼接模塊定義”“軸網(wǎng)定義”“總信息”3部分，依次設(shè)置完成后即可生成溫室模型，實(shí)現(xiàn)步驟：①定義桁架及拼接模塊的形式；②通過(guò)拼接模塊的排列，定義X向軸線的立面形式；③定義X向軸線的間距（即Y向軸網(wǎng)尺寸）形成模型的軸網(wǎng)；④生成屋面構(gòu)件，包括水槽、屋脊、屋頂條；⑤刪除溫室X向軸線最外側(cè)立面桁架并在水槽下方布置立柱，在Y向軸線最外側(cè)立面增加軸線間的抗風(fēng)柱，布置墻梁構(gòu)件，形成整體模型；⑥總體定義溫室的荷載。

快速建?？娠@著提高建模效率。通過(guò)3個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)話框就可以確定模型的大部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息，再通過(guò)對(duì)部分構(gòu)件和荷載的編輯及荷載組合定義即可建立完整溫室結(jié)構(gòu)模型。GreenHouse軟件的快速建模功能支持建立高低跨模型、變跨度模型以及帶托架的模型，還支持鋁合金材料的定義以及某些特殊鋼材的定義?？焖俳＿^(guò)程中，能夠定義構(gòu)件的材料、截面、屋頂條和墻梁的布置形式。溫室結(jié)構(gòu)的一些構(gòu)件（如水槽、屋脊）常采用異型截面，軟件能夠通過(guò)直接獲取CAD圖形來(lái)定義異型截面并進(jìn)行承載力驗(yàn)算，使得軟件計(jì)算結(jié)果更加全面可靠。軟件將桁架作為整體進(jìn)行定義和編輯，大大提高了構(gòu)件截面設(shè)置的效率。軟件還對(duì)構(gòu)件的連接方式進(jìn)行了默認(rèn)定義，如屋頂條兩端為鉸接、桁架中腹桿兩端鉸接、小立柱頂部為鉸接等，用戶可在快速建模之后通過(guò)“修改連接方式”功能對(duì)構(gòu)件兩端的連接方式進(jìn)行修改。在屬性編輯中，還可修改構(gòu)件的材料、截面、方位角、計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)以及柱的支座標(biāo)高。

荷載定義關(guān)系到溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性[4]。GreenHouse軟件的“荷載定義”功能包括節(jié)點(diǎn)荷載、構(gòu)件荷載和屋面荷載的定義，以及風(fēng)荷載體型系數(shù)和荷載工況組合的定義。在節(jié)點(diǎn)荷載定義中，用戶可以在模型的節(jié)點(diǎn)上施加集中力或集中彎矩。在構(gòu)件荷載定義中，可以在柱、支撐、桁架上弦桿、桁架下弦桿上施加集中荷載或分布荷載?？傮w的屋面荷載和風(fēng)荷載體型系數(shù)在“快速建?！敝幸呀?jīng)進(jìn)行了設(shè)置，“荷載編輯”下的2項(xiàng)功能能夠進(jìn)行局部的調(diào)整。荷載工況包括永久荷載、屋面活荷載、作物荷載、運(yùn)動(dòng)設(shè)備荷載、施工檢修荷載、雪荷載及4個(gè)方向的風(fēng)荷載，其中作物荷載以構(gòu)件荷載的形式施加在桁架下弦桿上。各工況的組合定義支持按GB/T 51183-2016《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》及GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的組合生成，也可進(jìn)行手動(dòng)修改。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的GB/T 18622-2002《溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載》中的大部分內(nèi)容，是引用自GBJ 9-1987《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，部分內(nèi)容已不適用于當(dāng)前溫室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。GB/T 51183-2016《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定更詳盡明確，目前已有很多工程師將其作為溫室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)，GreenHouse軟件在荷載組合上給出的多種選擇可以更好地滿足工程師的需要。

結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊

結(jié)構(gòu)分析模塊的主要功能是對(duì)前處理模塊中建立的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，主要結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊包括荷載導(dǎo)算、有限元計(jì)算、構(gòu)件驗(yàn)算（圖3）。

在GreenHouse軟件中，構(gòu)件分為立柱、屋頂條、屋脊、水槽、支撐和墻梁，均為桿單元。而桁架在前處理模塊中雖然是一個(gè)整體，但轉(zhuǎn)化為有限元模型時(shí)，依然將桁架各桿件作為獨(dú)立單元分析，類型為桿單元。所以在溫室結(jié)構(gòu)中，有限元分析模型的實(shí)質(zhì)為桿系有限元模型。GreenHouse軟件對(duì)建立好的有限元模型進(jìn)行求解即可求得單元的變形和內(nèi)力。目前對(duì)于溫室結(jié)構(gòu)的研究常采用平面結(jié)構(gòu)的方法，將溫室空間整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為由柱梁（忽略桁架的橫向軸向變形）組成的平面排架結(jié)構(gòu)[5]，國(guó)內(nèi)溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件也均采用簡(jiǎn)化后的平面模型進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。但這種簡(jiǎn)化使得結(jié)構(gòu)空間作用的效果無(wú)法體現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果偏于保守。GreenHouse軟件在進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算時(shí)是按三維模型進(jìn)行計(jì)算，這種計(jì)算方式會(huì)考慮不同榀框架之間的相互作用，尤其在結(jié)構(gòu)豎向荷載分布不均勻[6]或縱向存在支撐時(shí)[7]，其作用效果會(huì)非常明顯。軟件內(nèi)力計(jì)算結(jié)果的正確性也通過(guò)與SAP2000三維模型進(jìn)行內(nèi)力對(duì)比得到了驗(yàn)證。

后處理模塊

后處理模塊的主要功能是對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊中計(jì)算所得的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行顯示，方便用戶快捷查看計(jì)算結(jié)果（圖4）。