建筑工业化基本构件有限元分析和设计方法研究

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1、 建筑工业化基本构件有限元分析和设计方 法研究 第 1 章绪论1.1 引言常规的建筑物建造方式是先由设计者先完成全套图纸，之后再由 施工方按照二维图纸建造完成的设计一施工模式。 建筑工业化的建造方式是先有一全套的基本构件库，设计师根据设 计的建筑物从中挑选构件，然后工厂流水线制作基本构件，最终施 工方只需进行现场装配组装基本构件来完成建筑物的建造。建筑所 需主要构件在工厂制作，给现行生产模式带来了一场从建造 到制造的技术革新。建筑工业化改进了传统 建造方式的抹灰湿作业方法，降低了建筑全寿命用能的消耗，提高 了建筑结构和施工的质量，是国际公认的可持续发展技术2。新技 术带来了新的效率，大量采用工

2、业化生产的预制基本构件几乎具有 现饶混凝土结构的所有优越性，而且成本较低，耐久性优越，十分 适宜工业化生产。建筑工业化技术在国际上己经成为一种趋势，无 论是在日本或欧洲都已经先于中国将其运用到各类建筑中。目則我 国由住建部领头、各地方政府响应，已逐步出台相关政策对建筑工 业化进行引导，从土地供应、容积率奖励、产业扶持资金等多个方 面为建筑工业化提供政策支点。万科集团和上海建工等几家创新型 企业立足于中国国情，积极从事建筑工业化的研究与推广，在逐步 摆脱旧式建筑物建造方式方面取得一定成果，为我国现代化建设做 出了巨大贡献。1.2 课题的提出本课题来源于住房和城乡建设部研究幵发项目，项目编号 20

3、11- K9-37。论文题目为：建筑工业化基本构件有限元分析和设计方法研 究。为响应国家发展绿色建筑推动建筑工业化的政策，本课题研究 幵发了集设计、计算、生产于一体的建筑工业化基本构件设计系统。 建筑工业化基本构件设计系统的开发与应用具有一定的实际意义和 应用价值。本课题研究成果具有集成度高、运行稳定、计算速度快 等特性，可以减少各类预制构件的设计分析工作量，为设计优化提 供了有效手段。软件在功能上具有自动生成设计计算书、即时显示 结构详图、调用 AutoCAD 绘制施工图以及自动生成有限元分析命令流等特点，提高了设计的效率。对 ANSYS 接口的二次开发能够满 足对设计结果二次分析的需求，使

4、异形板和板面开洞等特殊问题的 计算变得简便。本课题的研宄对推动结构构件的标准化、促进预制 构件类型多样性、提高预制构件使用通用性和可置换性做出了一定 贡献，同时对推动建筑工业化也起到一定作用。2013 年 1 月 1 日国 务院发布了 20131 号文件国务院办公厅关于转发发展改革委住 房城乡建设部绿色建筑行动方案的通知。绿色建筑行动方案 中重点任务第八条为推动建筑工业化。其中要求到： 住房城乡建设部等部门要加快建立促进建筑工业化的设计、施工、 部品生产等环节的标准体系，推动结构件、部品、部件的标准化， 丰富标准件的种类，提高通用性和可置换性，推广适合工业化生产 的预制装配式混凝土、钢结构构件

5、等建筑体系，加快发展建设工程 的预制和装配技术，提高建筑工业化技术集成水平3，4。支持集 设计、生产、施工于一体的工业化基地建设，开展工业化建筑示范 试点。积极推行住宅全装修，鼓励新建住宅一次装修到位或菜单式 装修，促进个性化装修和产业化装修相统一。第 2 章 PCICAD 系统的开发平台和组成2.1 PCICAD 系统的开发PCICAD 系统的开发采用 Visual Basic 6.0 语言环境。Visual Basic 是一种可视化的、面向对象、采用事件驱动方式的结构化高级程序 设计语言，可用于开发 Windows 环境下的各类应用程序16。VB 语 言对于工科学生来说简单易学、功能强大而

6、且上手速度快，在各种 各样的开发环境中成为了快速应用程序开发工具的一个代表，借助 它的功能可以轻松地开发研究多层结构的分布式应用程序。Visual Basic 和 VBA 两种编程系统都使用 VB 编程语言，这项特点免去了 学习多种语言的时间，方便了 PCICAD 系统后期采用 VBA 对 AutoCAD 进行二次开发。它最主要的特点是：VB6.0 把程序和数据 合并到一起，开发者不必再分别编辑界面与功能代码，只要在控件 栏里点选需要的控件然后再在屏幕上画出想要的菜 单大小，在其中输入事件触发代码即可。这种直接面对开发人员的 程序编制方法为人们提供了丰富的预设工具节省开发者的时间，使 其可以将

7、更多的精力放在对事件的处理上，而不用研宄窗体大小代 码之类的低级问题，此项特性对程序的设计效率提升有明显帮助。2.2 PCICAD 系统的组成PCICAD 系统的开发采用先整体后局部的自顶向下逐步细化原则， 主要包括前处理、核心计算分析、后处理、工程管理和帮助五个模 块。系统的髙集成度使各项功能均可在程序主界面中轻松完成，同 时众多的接口可以便捷的连接并调用 AutoCAD、Microsoft Word、ANSYS、文本文档等外部程序。前处理模块可以由界面中文 本框直接输入或数据文件导入的方式采集工程信息供系统使用。计 算模块是本程序的核心内容，主要包括 SP 板设计中承载力计算、变 形及裂缝

8、计算、开洞及特殊荷载计算等内容。后处理模块可以完成 查询计算结果并显示详图、调用 Word 自动生成设计计算书、调用 AutoCAD 进行施工图的参数化绘制、根据设计构件自动生成有限元 分析命令流等功能。工程管理模块在操作系统中自动创建一系列工 程文件来储存系统中输入数据和计算结果，方便用户对数据的进一 步分析、修改和查询。帮助模块不仅为用户提供随时的输入信息指 导、计算模型建议，还为用户提供了方便的规范查询功能，方便工 程人员进行设计工作，指导用户更准确的完成设计。程序安装完成 后，在系统安装目录下自动生成一系列文件，各文件的主要功能如 表 2-1 所示。PCICAD 系统的框架组成如图 2

9、-1 所示。第 3 章 PCICAD 系统的研制.173.1 系统功能.173.2 系统的创新点.183.2.1 优化设计效果显著.183.2.2 丰富的接口程序.183.2.3 自动生成 APDL 语言有限元分析命令流.183.3 前处理建模模块.183.4 核心计算模块.203.5 后处理结果输出模块.303.6 本章小结.41第 4 章 PCICAD 设计工程实例及常规计算.424.1PCICAD 设计工程实例.424.2 常规计算对程序可靠度的验证.474.3 本章小结.51第 5 章有限元分析对程序可靠度的验证.525.1 有限元法简介.525.2ANSYS 模拟问题的处理.535.

10、3 有限元模型的建立.555.4 有限元计算结果分析.615.5 本章小结.68第 5 章有限元分析对程序可靠度的验证5.1 有限元法简介将选中的场函数当作基础未知量，然后在逐个单独节点内假定一 个近似内插函数来表示单位场分布函数的几何规律；将连续域中的 问题用力学分析方法转换为离散域中变分原理的问题，求解未知节 点的有限元方程，化作有限个自由度的问题。该解决方案可以通过 节点值和选定功能的差值函数求解单元场函数，最终组合成整体结 构的场函数。一般情况下将有限元法分析问题的步骤分为：结构离 散化，选择位移插值函数，分析单元的力学特性，建立结构的整体 平衡方程，从平衡方程计算单元未知节点位移和应

11、力。用有限元法 解决问题的程序如图 5-1 所示。理论上在差值函数适当的情况下增 加单元数量，相应解的精度也会提高。但在工程中无限制的增加单 元数目同时也会增大计算成本，遇到这种情况时只要一般的工程解 决方案可以满足分析精度和所需时间的实际需要即可，计算人员要 从两者之中找到双方合适的平衡点。结论现浇混凝土结构目前在我国建筑行业中占据主导地位，对于预制 预应力构件的研究相对较少，预制构件的设计主要依据图集的查询、 凭借经验的估算或相对冗长的人工计算。这样不仅降低了设计的效 率和设计的正确性，还限制了预制预应力构件的发展。本文为解决 这些问题做了一系列尝试，编制了建筑工业化基本构件计算机辅助 设

12、计系统以下简称 PCICAD 系统）。PCICAD 系统是国内率先针对 预制预应力建筑工业化基本构件设计研发的软件，在 2013 年 5 月上 海举办的第三届中国预制混凝土技术论坛中首次提出并得到广泛试用，为推动建筑工业化在我国的实施起到了一定作用。该系统对 SP 板开洞和特殊荷载作用下的荷载分配机理进行了研究，完成了装配 式建筑工业化 SP 板构件计算公式的推导归纳，可以进行异形板、开 洞板设计和特殊荷载的计算，是一款人机交互界面友好、操作简便、 具有推广价值的实用软件。在本文研究过程中完成了住房和城乡建 设部研究开发项目 2011-K9-37，并在验收时被验收组专家评定为国 内先进水平，与其相关的 PCICAD 系统软件著作权正在申请当中。 根据本课题的技术要点和查新点在建设部科技信息研宄所对国内相 关数据库及互联信息进行了检索，科技查新报告结果为国内 未见专用于建筑工业化基本构件设计软件的相关介绍。