基于面向对象技术的钢结构设计过程描述

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1、第八届全囤现代结构工程学术研讨会 基于面向对象技术的钢结构设计过程描述 王春江于二青杜市伟 L 海叟迫人芊土木J _ J P f 系上慧2 0 0 0 3 0 提要：本文系统归纳了俐结构设计的照本删论，并牲j 二l f ；【向对象的软什描述方法，利用统建模爵言U M L ( U n i f i e d M o d e l i n g L a n g u a g e ) 对钢结 i J 设计过程进行r 系统描述。利用R a t i o n a lR o s e 生成标准C + + 框架伪代码，使铡结构设计过 P 完仝 通过面向对象的方法实脱。作者在本文t 1 ，指出，各利，复杂多变的钢乡占构的跬

2、计都叫以抽象为具有共忭的基本构什设计 和基本，点设计，通过U M L 捕述，使复杂的铡结构设过挥简币化，对象化， 儿易十扩允和维护。 关键词：面向对象，统一建模语言，钢结构，C H I f g - - ，类，对象 传统的钢结构设计过程针刘不同的结构形式有着纷繁复杂的设汁公式和方法，这给结构1 程师增加了很多的 困难。目前的人多数的钢结构设汁软件基j 二流程化的编程方法。难以适应形式复杂多样的钢结构设汁。因此，f 1 前迫切需要一种新掣的钢结构软件的框架描述方法，以期在一个软件系统r f l 实现所有建筑钢结构的设计。 本文提出的钢结构没计过程描述方法是借助统。建模语言U M L ( U n i

3、 f i e dM o d e l i n gL a n g u a g e ) 、完全面向对象 的系统框架描述方法，实现钢结构设计过程的科学台理性、可扩充性、易维护性。 一、钢结构设计主要内容 钢结构设汁t 要包括以下方面：结构模型建直、结构整体分析、工稃判定、构件设计、节点设计和图纸编制 2 。其中，建立结构设计模犁包括结构选型与布置、预估截面、配置材料属性、施加约束与荷载。根据工程需要， 考虑各种结构形式的特点选用合理的结构形式。结构布簧做到刚度均匀，传力路径清晰。结构分析是确定荷载作 H 下结构的内力和变形，以便检验结构模型的合理性。钢结构设计中，结构分析通常为线弹性分析，随着结构跨

4、度的增大或高度的提升，其非线性效应逐步占据主导地位，也需进行必要的结构非线性分析。基于数值方法的有 限元分析可以考虑儿何非线性及钢材的弹塑性，为结构的精确分析与优化设计提供了条件。构件分析主要足针对 锎结构的主要组成构件进行截面与材料的选择，强度、挠度、及稳定性等验算，以枪验原有模型是否符合构件设 计的要求。节点设计是钢结构设计中较为重要的环节。钢结构的构件连接形式可分为焊接、铆接、普通螺栓连接、 高强螺栓连接等。设计时应根据节点的位臀及其所要求的强度、刚度合理地确定连接方式、节点细部构造及计算 方法等。图纸编制包括设计图的编制j 施工详图的编制。设计刘是编制施上图的依据，其深度与内容应完整且

5、小 冗余，以利丁二施工洋图的顺利编制，正确体现没计的意图。施T 详图的深度应该能满足车间直接制造加工，并应 该附有详辟的材料表。“。本文基于面向对象技术和U M L 建模方法把l ：述过程一一分解抽象，并给出详细的类灭 系网。 二、U M L 语言与R a t i o n a lR O S E 简介 ( 一) L I I I L 语言 统一建模语言U M L ( U n i f i e dM o d e l i n gL a I l g u a g e ) 是面向对象的分析与设计方法发展到高潮的产物。U M C 语言 是用于描绘软件蓝图的标准语言，它可用于对软件密集垫系统进行可视化、说明、建造

6、和建档- “。U M L 建模的 重要内容包括以下5 类视图( 共9 种图形) ：用例视图( u s eC a s eD i a g r a m ) 、静态视图( s t a t i cD i a g r a m ) ( 包括类图、 对象图和包图) 、行为视图( B e h a v i o rD i a g r a m ) 、交瓦视图( I n t e r a c t i v eD i a g m m ) 和实现视图( I m p l e m e n t a t i o n 工业建筑2 0 0 8 增刊1 3 2 9 第八心全围现代结构j 二程学术研讨会 d i a g r a m ) ”。包

7、括了系统从需求分析到完成测试的各个阶段的建模内容。 ( 二) R a t i a 1 肋S E R a t i o n a lR o s e 足。种面向对象系统建模的强大1 具。R o s e 支持U M L 所有的建模元素，并通过U s eC a s e 视 图、L o g i c 视图、C o m p o n e n t 视陶、D e p l o y m e n t 视图等米描述U M L 模璎。R o s e 口J 以进行面向对象的分析、设计 等币向开发过程，还能通过从源代码中提取接fJ 、类卢明信息等来获取源码t | 的模犁信息，即对软件进行逆向工 程。R o s e 本身口J 以检有

8、系统模，靶的致。陀，R o s e 模犁还是种很好的文档组织力式，可以对每个事物进行必要 的文档说明7 。使用R o s e 辅助l 自f 向对象系统的建模可以起刭事半功倍的效果。 三、钢结构设计过程的U M L 描述及其类关系图 根据钢结构设计的基奉内容， U M L 类关系图可以描述铡结构设汁过程“。钢结丰勾设计类山结构模掣类、 结构分析类、构件设训类、节点设计类组成，其中钢结构设计类由其它四个类聚合而成。结构模型类、结构分析 类、构件设计类、节点设计类依次存在依赖关系，说明建立模型是进行钢结构设计的基础，也是其它后续步骤的 条件。结构模型类与结构分析类、结构模型类与构件没计类是互相依赖关

9、系，描述了结构模型的建立与结构分析、 构件、嫂计问的制约关系。本文巾通过U M L 的齄本表达方法描述了类的关系图，其巾所用类的关系图例如图1 所 以i ： P 纠，私三堕叫聚合L _ 堕叫斗旦堕尝依赖 【J1 ，JL JL 。- I r _ 堕叫+ g 竖刮戈联r _ 塑! o # 堕2 泛化 图1 类关系图例 F i g 1L e g e n df o rC Ia s sr e I a t i o n s h i P 钢结构设计的对象接体类关系可以川U M L 表示如图2 所示 八 图2 钢结构设计整体类图 F i g 2R e Ia t i O l 3d i a g r a mo fr

10、r l a i nC 1 a s s ( 一) 建立模型 钢结构设计建模通过选择结构类型，截面类型，材料种类，引入约束条件和施加荷载等完成。在U M L 类关 系图中，结构模型类包含结构类型类，荷载类，约束条件类，材料属性类与截面属性类等。建立模型类与其它类 之间是。种聚合天系，其类关系如图3 所示： 1 3 3 0Tq k 建筑2 0 0 8 增刊 离 第八届全国现代结构工程学术研讨会 图3 钢结构结构模型类图 F i g 3R e I a t i 0 1 3d ；a g r a mo fs t e e ls t r u c t ur em o d e I 、结构类型的选择在钢结构设计中决定

11、着结构模型的建立，而结构模型的差异又直接影响截面属性、约束 条件与荷载方面。钢结构形式中最常用的是门式刚架和多层刚架，椴以这两种形式为例进行说明。由r f l 式刚 架和多层刚架形式不同，其设计和验算的公式也不尽相同，幽此我们把两者归为两个超类。门式刚架超类又派生 出具有跨度、坡度、吊车属性的子类。子类继承超类的基本特征。例如，对于跨度不同，坡度不| f 司，有无吊车等 子结构类型类，都继承了超类| J 式刚架类的基本特征。根据以上的分析，可以得出结构形式的对象类灭系图，如 图4 所示m “： 跨度框梨剪力墙结构 1 。J 【一J ，图4 钢结构结构类型类图 F ；g4R e l a t i

12、o l ld i a g r a mo fs t r u c t u r et y p ec l a S S 2 、材料属性 钢材与铝合金材料是金属结构中的主要材料。这里钢材类与铝台金类是材料属性类的两个超类。钢材中常用 的Q 2 3 5 、Q 3 4 5 、Q 3 9 0 、Q 4 2 0 等牌号材料类足钢材类的子类。各子类钢材继承了超类的基本特征，如屈服强度、 泊松比、密度等等。利用U M L 描述其对象类的关系如图5 所示： 工业建筑2 0 0 8 增刊 第八J I t j 令国现代结构工程学术研i l f 会 材料届性1 ，；台金 一十。，7 卜 一J 、f _ Q 2 3 5、钢材i

13、 ，。Q 4 2 0 - 卜一一一* 一。t 一 J 一一 ，+ ， 。 、j， ? 0 3 4 5 Q 3 9 0 图5 材料属性关系图 F i g 5R e l a t i o nd i a g r a ma fm a t e r i a la t t r i b u t ec l a s s 3 、截面属性 对俐结构的截面进行分类，就是为钢结构设计者提供可以选择的截面形状和大小。在每个截而类里，都可以 设置截而的形状和尺、J - t d 性。钢结构截面类型包括了角钢类、钢板类、槽钢类、工字钢类、H 型钢类、T 型钢类、 钢管类和箱型钢类等。每个截面类属性中都包含该截面类的基奉特性，如几何

14、参数等。利用U M L 捕述其对象类 关系如图6 所示： 其它 图6 截面属性关系图 F i g6R e Ia t i o r ld i a g r a mo fs e c t i o na t t r i b u t ec I a s s 4 、结构构件 结构构件是截血属性、材料属性、儿何信息、连接信息等构成的基本组合类，b i l er 结构的基本的构成单元 的情况。类的关系如罔7 所示： 3 3 2 图7 结构构件关系图 F i g7R e l a t j o nd i a g r a mo fc o m p o n e n tc I a s s _ _ q k 建筑2 0 0 8 增刊

15、 第八届全国现代结构工程学术研讨会 5 、约束条件 结构约束条件的分类，使j ：对结枣勾模型中的构件进行约束配置。约束条件包含连接信息与支座约束两个超类。 按照连接假定，连接信息类又派生出弹性连接类，刚接类和铰接类等了类。弹性支胯，吲定支鹰和铰支座三个子 类继承支座约束超类的特性。根据以f = 分析，各种约束条件中的对象类的关系可以 jU M L 进行描述如图8 所示： 。一 I 一一 J 弹性连接i 弹性支座i 铰支座 一1 一i 一 ， L 一、二 一一 j 一 连接信息 ， g , j 束条件，一- 1 支座类型I 1 r 一寸1 ：一一i 厂Lo 、，、 一L 。一 一一 刚接饺接 同定支座 图8 约束条件关系图 F i g 8R e la t i o nd ia g r a mo fc o n s t r a i n tc I a s s 6 、荷载条件 根据荷载形式荷载分为点荷载、线荷载、面荷载、体荷载四类。这四种单一荷载予类构成单一荷载超类。荷 载组合类依赖r 单一荷载类。荷载组合类又包括基本组合类或标准组合类两个予类。荷载组合类借助于一争一荷载 进行荷载的组合计算