книги / Основы автоматизации проектирования в строительстве
..pdfЛЕКЦИЯ 11
ПРИКЛАДНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ.
ПРОГРАММЫ АВТОМАТИЗАЦИИ РАСЧЕТОВ
СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ
Вданном разделе рассматриваются современные программные средства автоматизации прочностных расчетов строительных объектов: строительных конструкций и оснований (САЕ-системы), которые в настоящее время при постоянном усложнении технологий, сокращении сроков, требуемых для решений различных задач, стано вятся важной и неотъемлемой частью процесса проектирования. Возможность широко распространять в проектных организациях наиболее прогрессивные методы расчетов, которые сопровождаются непрерывным обновлением в САПР математических моделей, пре допределяет высокую эффективность систем автоматизированного проектирования. Даже небольшая проектная организация имеет воз можность применять самые современные и эффективные методы расчетов, приобретая системы автоматизированного проектирования
уорганизаций -разработчиков САПР.
Внастоящее время условно можно выделить два направления разработки программных средств для проведения расчетов и проек тирования строительных конструкций и оснований:
1.Программы автоматизации инженерных методов расчета, реализованных в строительных нормах и правилах;
2.Интегрированные системы прочностного анализа с исполь зованием современных численных методов.
§1. П р о г р а м м ы а в т о м а т и з а ц и и и н ж е н е р н ы х
М ЕТО ДО В РА С ЧЕТА , РЕАЛ ИЗО ВА ННЫ Х В СНиП
Данное направление на современном этапе представлено про граммами: NormCAD, ESOP, СпИн, ПРУСК, Кристалл, Арбат, Камин, Вест и другими.
NormCAD - пакет прикладных программ, разработанный фир мой «САПРОТОН», который позволяет по методикам СНиПа, СН, ГОСТу, ТУ и другим нормативным документам выполнять сле дующие виды расчетов:
♦расчет стальных конструкций,
♦расчет железобетонных конструкций,
♦расчет каменных и армокаменных конструкций,
♦расчет свайных фундаментов,
♦теплотехнический расчет,
атакже производить подготовку проектной документации для представления заказчику и в органы экспертизы.
Основное достоинство программы заключается в способе вы вода результатов расчета. NormCAD не ограничивается показом только итоговых результатов, а расчет выполняется в виде отчета — текстового документа в формате Word, который включает: формулы, по которым проводился расчет (как в символьном виде, так и с под становкой значений); ссылки на номера формул и пункты в СНиПе; условия расчета; комментарии; перевод единиц измерения; графи ческие иллюстрации. Это дает возможность легко проконтролиро вать программу на любой стадии расчета.
Другие перечисленные выше программы входят составными частями в разные интегрированные программные комплексы и могут функционировать как в составе этих вычислительных комплексов, так и использоваться независимо от них.
ESO P - модуль интегрированной системы инженера-проекти- ровщика ROBOT office (фирмы ROBOBAT —Франция), представ ляющей собой многоцелевое программное обеспечение для инже нерных расчетов. ESO P - мастерская инженера-проектировщика, работающая в среде MS EXCEL, (электронный технический справоч ник со множеством примеров). В ней реализованы: статический рас чет конструкций (железобетонных, деревянных и стальных ферм), механика грунтов, акустика, кондиционирование воздуха, электриче ство и другие методики СНиПа.
СпИн и ПРУСК - модули системы сквозного проектирования фирмы «ЕВРОСОФТ».
СпИн - электронный справочник-калькулятор для проектиров щиков и инженеров-строителей, который обеспечивает определение характеристик, расчеты по методикам СНиПа. Содержит гипертек сты по теоретическим разделам математики и строительной механи ки, визуализацию электронных карт. Предоставляет пользователю следующие функциональные возможности для расчетов:
♦железобетонных конструкций по СНиП 2.03.01-84*, нормам DIN и Eurocode 2;
♦деревянных конструкций по СНиП П-25-80;
♦стальных конструкций по СНиП П-23-81 *;
♦каменных конструкций по СНиП П-22-81;
♦оснований зданий и сооружений по СНиП 2.02.01-83*;
♦нагрузок и воздействий по СНиП 2.01.07-85*;
♦математических.
П РУСК - пакет программ для проектирования и расчетов элементов строительных конструкций в точном соответствии с действующими нормами. Программа предназначена для расчетов
иконструирования:
♦железобетонного сечения произвольной формы;
♦железобетонной балки, в том числе с учетом продольной силы и крутящего момента, с учетом сейсмики и пульсации ветра;
♦железобетонной колонны, в том числе расчет по деформиро ванной схеме с учетом нелинейной работы бетона, с учетом сейсми ки и пульсации ветра;
♦системы железобетонных плит;
♦железобетонной сваи, в том числе расчёт на вертикальную силу и на совместное действие вертикальной и горизонтальной сил
имомента;
♦расчет оснований.
Кристалл, Арбат, Камин, В ест - проектно-аналитические модули интегрированного программного комплекса SCAD Office, предназначенные для экспертизы и расчета элементов стальных, железобетонных, каменных и армокаменных конструкций, опреде ления нагрузок и воздействий на конструкции по соответствующим
методикам СНиПа. Это программы, представляющие собой элек тронные справочники, рабочий инструмент инженера-конструктора, предназначенный для выполнения проверок принимаемых конст руктивных решений на соответствие требованиям СНиПа.
§2. И н т е г р и р о в а н н ы е с и с т е м ы п р о ч н о с т н о г о а н а л и з а
В настоящее время количество конкурирующих между собой программных комплексов (ПК) для выполнения прочностного ана лиза и проектирования строительных объектов измеряется уже сот нями. В них реализован МКЭ, включены разные библиотеки конеч ных элементов и разные методы решения разрешающей системы алгебраических уравнений; во многих имеются конструирующие подсистемы, в которых реализованы стандарты и нормы того ре гиона, для которого специалист ведет проектирование; некоторые из них направлены на решение узкой научной проблемы. Большин ство из них имеют информационную связь с CAD-системами и мо дульный принцип построения.
В табл. 11.1 приведен далеко не полный перечень «промыш ленных» программных комплексов для массового применения. Но это ПК, имеющие наибольшее применение в Российской Феде рации и в нашем регионе, которые могут представлять интерес для специалиста, профессионала, деятельность которого лежит в облас ти расчета и проектирования строительных конструкций. Большин ство ПК носит коммерческий характер, поэтому в таблице приведе ны адреса web-сайтов, обращение к которым позволит выяснить необходимые подробности.
Все программные комплексы условно разделены на 2 группы:
специализированные и универсальные ПК
Специализированные ПК ориентированы на проектирование определенного класса конструкций или процессов (в нашем слу чае строительных объектов в соответствии со строительными стандартами и нормами). Для специализированных ПК характерны: а) высокая эффективность решения задач рассматриваемого класса; б) простая логическая структура.
Универсальные ПК могут использоваться в любой отрасли и по зволяют исследовать широкий класс конструкций и физических яв лений при различных условиях нагружения и свойствах материалов. Их отличительными признаками являются: а) сложная логическая структура; б) длительное время разработки; в) обширная библиотека конечных элементов; г) большой объем входной и выходной инфор мации; д) большие затраты на разработку и высокая стоимость.
Таблица 11.1
Интегрированные программные комплексы [15]
Н аимено |
Сайт |
JIirOHlOB |
уиугиллычли |
Физическая |
нелинейность |
еометрическаяГ |
нелинейность |
|
|
|
|
|
|
||
вание ПК |
|
|
|
|
|
|
|
|
Специализированные ПК |
|
|||||
ЛИРА |
www.lira.com.ua |
+ |
|
+ |
|
+ |
|
SCAD |
www.rflira.ru |
|
|
|
|
|
|
www.scadgroup.com |
+ |
|
+ |
|
+ |
|
|
МОНОМАХ |
www.lira.com.ua |
4- |
|
|
|
|
|
MicroFE |
www.rflira.ru |
|
|
|
|
|
|
www.eurosoft.ru |
+ |
|
+ |
|
+ |
|
|
STAAD |
www.staadpro.co.uk |
+ |
|
+ |
|
+ |
|
GTSTRUDL |
www.gtstrudl.gatech. |
+ |
|
+ |
|
+ |
|
Fem Models |
edu |
|
|
|
|
|
|
www.georec.spb.ru |
+ |
|
+ |
|
|
|
|
ROBOT |
www.robobat.com |
4- |
|
— |
|
— |
|
PLAXIS |
|
4- |
|
+ |
|
— |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ANSYS |
Универсальные ПК |
|
|
||||
www.ansys.com |
+ |
|
+ |
|
+ |
|
|
+ CIVILFEM |
|
|
|
|
|
|
|
NASTRAN |
www.NENastran.co |
+ |
|
+ |
|
+ |
|
ABAQUS |
m |
|
|
|
|
|
|
wwrw. hks.com |
4- |
|
+ |
|
+ |
|
|
CADFEM |
www.cadfem.com |
4- |
|
+ |
|
+ |
|
Конструирующ ие |
подсистемы |
(ж/б, металл) |
Суперэлементы |
++
++
++
+-
++
+—
——
++
-+
—+
--
М онтаж
4-
4-
—
-
-
—
4-
+
—
-
-
В табл. 11.1 приведен также набор сравнительных характери стик, содержащих следующую информацию:
Полнота библиотеки конечных элементов - эта характеристи ка важна для ПК, т.к. класс решаемых задач (стержневые, пластин чатые, трехмерные системы) должен быть достаточно представи тельным.
Физическая и геометрическая нелинейность - эта характери стика ПК также очень важна, т.к. компьютерное моделирование реальных строительных объектов должно быть максимально при ближено к действительной работе материалов (трещинообразование и ползучесть бетона, кирпичной кладки существенное измене ние геометрии под нагрузкой для высотных зданий и конструкций типа вантовых покрытий, мембран и т.п.).
Конструирующие системы - железобетон и металл - для проектирования строительных конструкций очень важно, чтобы ПК автоматизировал не только статический и динамический расчет, но и ряд операций, связанных с проектированием железобетонных и металлических конструкций (подбор и проверка сечений, выдача рабочих чертежей и т.п.).
Суперэлементы - реализация суперэлементного подхода в на стоящее время имеет большое значение в расчетах сложных конст рукций (например, каркасов высотных зданий, большепролетных покрытий, структурных конструкций и т.п.); получается большераз мерная конечноэлементная модель, с которой самые мощные вычис лительные средства не всегда могут оперативно работать. Метод суперэлементов позволяет вести расчет сложной конструкции путем деления ее на отдельные части (подструктуры) и объединения или «сращивания» их в общий ансамбль как ряд суперэлементов.
Монтаж - наличие этой процедуры в настоящее время вызыва ет большой интерес у специалистов, т.к. процесс возведения сложно го сооружения связан с многостадийным изменением конструктив ных схем. Причем каждая стадия возведения может быть опреде ляющей для того или иного конструктивного элемента.
Безусловно, набор сравнительных характеристик ПК недоста точно полон, и поэтому далее рассмотрим некоторые программные комплексы, традиционно используемые во многих проектных орга низациях для расчета сгроительных сооружений, подробнее.
1. В ы ч и сл и т ел ь н ы й к ом п л ек с Л и р а -W in d ow s
ПК «ЛИРА-Windows» - многофункциональный программный конечно-элементный комплекс для расчета, исследования и проек тирования строительных конструкций различного назначения: вы сотных зданий, покрытий и перекрытий больших пролетов, под порных стен, фундаментных массивов, каркасных конструкций промышленных цехов, отдельных элементов (колонн, ригелей, ферм, панелей) и других.
Вычислительный комплекс обеспечивает исследование широ кого класса конструкций: пространственные стержневые системы, произвольные пластинчатые и оболочечные системы, мембраны, массивные тела, комбинированные системы - рамно-связевые кон струкции высотных зданий, плиты на грунтовом основании, ребри стые пластинчатые системы, многослойные конструкции.
Расчет выполняется на статические и динамические нагрузки. Статические нагрузки моделируют силовые воздействия от сосре доточенных или распределенных сил и моментов, температурного нагрева и перемещений отдельных областей конструкции. Динами ческие нагрузки моделируют воздействия от землетрясения, пуль сирующего потока ветра, вибрационные воздействия от технологи ческого оборудования, ударные воздействия.
Исследуемые объекты могут иметь произвольные криволи нейные очертания, локальные ослабления в виде различной формы отверстий и полостей, различные условия опирания.
Jlwpb-Windows - модульная система, состоящая из подсистем или модулей, приведенных в табл. 11.2.
Расчетный процессор реализует современные усовершенство ванные методы решения систем уравнений с учетом их ленточной структуры {метод Гаусса, фронтальный метод, обеспечивающий параллельную обработку системы уравнений, т.е. вычисление ос новных неизвестных не порознь, а группами и др.). Если большая размерность матрицы приводит к ее плохой обусловленности и не возможности достичь удовлетворительной точности решения сис тем уравнений, то для снятия этой проблемы предоставляется воз можность применить суперэлементное моделирование.
|
Таблица 11.2 |
Подсистемы (модули) ПК «Лира-Wnidows» |
|
Модуль |
Нжжячеяве |
ЛИР-ВИЗОР |
Единая графическая среда пшшзователя, где выполня- |
|
ется весь цикл задания исходам* данных: формирование |
|
конечно-элементной и супср-зишсмешной моделей рас |
|
считываемых объектов,, описание физико-механических |
|
свойств материалов, налжаемых связей* нагрузок и воз |
|
действий, а также взаимосвязей между нагрузками |
|
с целью определения их наиболее опасных сочетаний; |
|
автоматическая генерация к/э сетки и расчет напряжен |
|
но-деформированного состояния. |
ЛИР-АРМ |
Подсистема конструирования ж/б конструкций (подбор |
|
площадей сечений арматуры элементов колонн, балок, |
|
плит и оболочек по первому и второму предельным |
|
состояниям в соответствии со СНиПом). По результатам |
|
расчета формируются рабочие чертежи в формате DXF. |
ЛИР-СТК |
Конструирующая система, работающая в двух режи- |
|
мах - подбора сечении элементов стальных конструкции |
|
(фермы, колонны и балки) и проверки заданных сечений |
|
в соответствии с положениями СНиПа. |
СЕЧЕНИЕ |
Модуль, позволяющий сформировать сечения произ |
|
вольной конфигурации, вычислить их осевые, изгибные, |
|
крутильные и сдвиговые характеристики |
УСТОЙЧИ |
Модуль проверки общей устойчивости рассчитываемого |
ВОСТЬ |
сооружения с определением коэффшщента запаса и фор |
|
мы потери устойчивости. |
ЛИТЕРА |
Модуль, реализующий вычисление главных и эквива |
|
лентных напряжений по различным теориям прочности. |
ФРАГМЕНТ |
Модуль, позволяющий определить силы воздействия |
|
одного фрагмента рассчитываемого сооружения на дру |
|
гой как нагрузку. В частности, могут быть определены |
|
нагрузки, передаваемые наземной частью расчетной схе |
|
мы на фундаменты. |
СОРТА |
Модуль, информационно стланный с ЛИР-СТК и позво- |
МЕНТ |
ляющий производить проектирование прокатных и сталь |
|
ных профилей. |
ДОКУМЕН |
Формирует отчет по результатам работы с комплексом. |
ТАТОР |
При этом вся информация может быть представлена как |
|
в табличном, так и в графическом виде. |
ПК «ЛИРА» поддерживает информационную связь с другими широко распространенными CAD-CAE системами, такими как AutoCAD, ArchiCAD, HyperSteel, Allplan, МОНОМАХ и другими.
ПК «ЛИРА» непрерывно развивается. Происходит адаптация к новым операционным системам, техническим платформам и тре бованиям информационных систем. Совершенствуются конструи рующие системы комплекса и обновляется применяемая норматив ная база.
2, Проектно-вычислительный комплекс Structure CAD для Windows (SCAD Office)
Вычислительный комплекс SCAD - универсальная вычисли тельная система, предназначенная для прочностного анализа строи тельных конструкций различного назначения на статические и ди намические воздействия, а также для выполнения ряда функций проектирования элементов конструкций. Это система нового поко ления, разработанная инженерами для инженеров и реализованная коллективом опытных программистов (г. Киев), представляет собой дальнейшее развитие программы ЛИРА, реализована как интегри рованная система прочностного анализа и проектирования строи тельных конструкций на основе метода конечных элементов. В ос нову комплекса положена система функциональных модулей, свя занных между собой единой информационной средой. Это дает возможность сформировать для каждого пользователя такую кон фигурацию SCAD, которая максимально отвечает его потребностям по классу решаемых задач.
SCAD включает развитую библиотеку конечных элементов для моделирования стержневых, пластинчатых, твердотельных и комби нированных конструкций, модули анализа устойчивости, формирова ния расчетных сочетаний усилий, проверю! напряженного состояния элементов конструкций по различным теориям прочности, определе ния усилий взаимодействия фрагмента с остальной конструкцией, вычисления усилий и перемещений от комбинаций загружений.
В настоящее время SCAD Office - это набор программ (табл. 11.3), которые могут как обмениваться информацией, так
и работать независимо. Система постоянно развивается, совершенст вуются интерфейс пользователя и вычислительные возможности, включаются новые проектирующие компоненты.
|
Таблица 11.3 |
|
Основные компоненты SCAD Office: |
М одуль |
Н азначение |
Structure CAD |
Расчетная система конечно-элементного анализа конст |
(SCAD) |
рукций, предназначенная для прочностного анализа стати |
|
ческого и динамического воздействия на строительные |
|
конструкции различного назначения и для решения задач |
|
проектирования зданий и сооружений достаточно слож |
|
ной структуры. |
|
Вспом огательны е программы |
Конструктор |
Программа предназначена для формирования произволь |
сечений |
ных составных сечений из стальных прокатных профилей |
|
и листов, а также расчета их геометрических характерис |
|
тик, необходимых для выполнения расчета конструкций. |
КОН СУЛ |
Программа предназначена для формирования произ |
|
вольных сечений, а также расчета их геометрических |
|
характеристик, исходя из теории сплошных стержней. |
ТО Н У С |
Программа предназначена для формирования сечений, |
|
а также расчета их геометрических характеристик, |
|
исходя из теории тонкостенных стержней. |
СЕЗАМ |
Программа предназначена для поиска сечения типа ко |
|
робка, двутавр или швеллер, наиболее близко аппро |
|
ксимирующего заданное произвольное сечение по гео |
|
метрическим характеристикам с учетом упруго-пласти |
|
ческой стадии работы, проверки устойчивости плоской |
|
формы изгиба, выпучивания из силовой плоскости |
|
и других проверок. |
КРОСС |
Программа предназначена для определения коэффици |
|
ентов постели при расчете фундаментных конструкций |
|
на упругом основании на основе моделирования работы |
|
многослойного грунтового массива по данным инже |
|
нерно-геологических изысканий. |
ВеСТ |
Назначение программыопределение нагрузок и воздей |
|
ствий на строительные конструкции в соответствии с реко |
|
мендациями СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия». |