汪义正 冯 锋 潘斯勇 隋炳强

中冶（上海）钢结构科技有限公司 上海 201908

钢结构工程项目的施工过程中存在大量的吊装、胎架支撑、汽车吊走楼板等施工过程验算，计算过程复杂，并且根据项目施工方案的调整或变动需要反复验算，消耗大量时间。为了提高施工过程分析验算的计算效率，结合Excel VBA及相关规范和标准，设计一套针对施工验算的计算工具。通过和传统手动建模计算分析相比，程序的验算速度明显加快，工作效率明显提升，为项目施工降低了时间成本，将烦琐的计算过程程序化、自动化。

1 项目施工验算

1.1 施工验算的类型

不同的工程项目，施工方案也会有所不同，对应的施工验算也不尽相同。目前，工程中常常涉及的施工验算包括吊装验算、胎架设计验算、胎架卸载验算、混凝土楼板走吊车验算、滑移验算、提升验算、施工全过程分析等（图1）。

图1 施工验算类型示意

1.2 施工验算重、难点

1.2.1 软件功能强大，但是前期数据处理烦琐

虽然现在各大类有限元分析软件功能强大，例如Midas、SAP、PKPM、盈建科等，但是结合钢结构项目现场施工情况，在进行软件分析验算前期，大量的最不利工况分析、最不利荷载取值等数据需要提前准备，并随施工方案的调整变动，导致各项数据均会产生较大变动，如果利用传统手算法，则工作量巨大，工作效率也会大大降低。

1.2.2 胎架风荷载计算

现场施工胎架作为项目施工的主要临时措施，胎架的设计对安全起着决定作用，影响胎架结构稳定的因素主要为上部支撑荷载和风荷载两部分，上部支撑荷载由项目施工方案决定，而软件模拟分析过程中风荷载的加载则需要通过手动计算出每个节点的荷载的方式分别加载。计算过程复杂，可变因素较多。

1.2.3 汽车吊、履带吊支反力计算

在钢结构项目吊装施工作业中，根据吊装构件的大小及吊装高度，需要汽车吊或履带吊两种吊车在底层混凝土楼面对上部结构进行吊装。为了确保吊车对下部结构不造成破坏，需要根据施工工况提取吊车支腿反力[1]或对履带吊行走分析[2]，验算下部混凝土结构的承载力是否满足要求。

1.2.4 混凝土楼板承载力验算

提取吊车最不利荷载工况后，在软件中加载分析计算，得到楼层梁板的最不利内力和变形，根据图纸配筋计算出楼层梁板设计强度，通过两者的对比判定混凝土结构的强度是否满足要求。

其中，楼层梁板的内力在软件中分析计算，计算过程自动化；楼层梁板的设计强度则需要根据结构图配筋图反算，计算过程复杂，效率缓慢。

1.3 实际工程中施工验算的现状

目前在钢结构施工领域，现场施工验算分析在算法上相对成熟，针对不同的施工工况、现场条件，都已经形成一套成熟的计算方法，但是由于计算过程考虑因素过多，现场施工方案不确定性大，往往导致某一个因素的变化或者施工方案的调整，就需要对施工过程重新验算分析，消耗大量的时间和精力，计算分析过程的速度远远跟不上现场施工方案变动的速度，导致项目施工的时间成本和人力成本增加。

2 辅助插件的开发

基于钢结构项目施工过程分析验算过于烦琐的问题，利用VB语言开发出一个辅助计算插件，将大大提升施工过程计算的效率，同时提高数据的准确性，为项目施工的顺利进行提供前期保障。

2.1 开发语言

VB是Visual Basic的简写，是可视化的编程语言，是一种简单、高效地开发应用软件的工具，可用于开发Windows环境下的各类应用程序。

Microsoft Excel软件是微软公司Office套件的成员，不仅具有强大的数据计算和分析功能，也为用户提供了完善的二次开发功能，利用Excel软件的内嵌VBA（Visual Basic Application）和VBA的编程功能可以大大扩展Excel的应用领域[3]。本次插件的开发就是以VB语言为基础，在Excel VBA功能的基础上开发而成。

目前全球玉米供需平衡已经趋紧，美国玉米价格与去年的水平一致。尽管今年玉米产量创下历史新高，但美国玉米库存与使用量之比仍为2013年以来最低。在过去的三年中，中国玉米的库存下降近50%，低于10年以来的平均水平。由于美国与中国的贸易争端，大豆价格受到产量和持续不确定性的压力。

2.2 开发流程

辅助插件的开发主要利用Microsoft Excel软件表格功能和内嵌的VBA模块，实现过程大致如下：

1）将施工验算需要用到的规范中的各项数据集成在指定的表格中。

2）设计独立的窗体界面并在界面中设计需要实现计算功能的按钮。

3）分别将不同验算内容的算法，写进相应的功能按钮之中。

4）通过和用户交互获取计算参数，程序根据用户输入和算法自动计算。

5）通过窗口界面将计算结果反馈给用户。

2.3 插件界面设计

为方便用户使用，插件采用独立窗体式设计，插件首页分别对应4个计算功能按钮，分别为胎架节点风荷载，履带吊作业反力计算，汽车吊吊装作业时反力计算，吊车上楼板时混凝土结构承载力验算。每个按钮设计独立的用户交互窗体界面，如图2所示。

图2 插件界面示意

2.4 插件功能

2.4.1 胎架节点风荷载

图3 胎架节点风荷载计算示意

2.4.2 履带吊作业反力计算

“履带吊作业反力计算”包含数据输入和数据输出两大模块，在用户输入端输入履带吊的基本参数以及吊装工况，输出端输出最大压应力及履带实际受压长度（图4）。

图4 履带吊作业反力计算示意

2.4.3 汽车吊吊装作业时反力计算

“汽车吊吊装作业时反力计算”包含数据输入和数据输出两大模块，在用户输入端输入履带吊的基本参数以及吊装工况，输出端输出x方向和y方向的偏心弯矩及汽车吊4个支腿的最大反力（图5）。

2.4.4 吊车上楼板时混凝土结构承载力验算

“吊车上楼板时混凝土结构承载力验算”由混凝土梁验算、详细结构-梁、混凝土板验算和详细结构-板4个部分组成，混凝土梁验算和混凝土板验算有独立的输入、输出显示，输入端数据包括混凝土结构的相关参数、吊车的验算工况和混凝土结构的内力值，输出端通过计算得出混凝土结构强度设计值，再和结构实际受到的内力值比较，判定混凝土结构是否满足承载力要求，并且在窗口反馈给用户。详细结构-梁（板）窗口为用户反馈验算过程中的各项详细系数，以便校核验算（图6）。

图6 吊车上楼板时混凝土结构承载力验算示意

2.5 插件的运用与传统手算对比

与传统手算相比，利用应用软件的辅助插件完成计算，在计算效率、计算结果的准确性以及适用性等方面均存在较大优势。

计算效率：采用传统手算的方法完成一次胎架节点风荷载计算、吊车作业反力计算和吊车上楼板时混凝土结构承载力计算总用时约5 h；采用辅助插件计算总用时约20 min，时间效率提高15倍。

计算准确性：采用传统手算的方法对计算人员的要求较高，各种烦琐的系数计算过程复杂，对整体结果的影响大，手算过程中容易出错；插件中通过对各种系数和算法的集成，简化了烦琐的计算过程，保证了相关计算结果的准确性。

适用性：传统手算的方法要求计算人员对力学知识的掌握和各项规范的熟练使用有较高要求，一般由设计人员完成该类型的工作；辅助插件的使用不仅适用于设计人员，也适用于施工现场的技术人员、项目总工等，不仅减轻了设计工作人员烦琐的计算过程，也提高了现场施工计算的效率，节省了时间成本。

3 结语

在互联网发达的当今社会，计算机技术已经渗入到各行各业，计算机技术的应用也将各行业工作人员从烦琐的重复性工作中解放出来，革新了传统的工作方式，大大提高了工作效率，促进了社会的发展和进步。作为建筑工程类行业的从业人员，无论是结构设计，还是力学分析、工程算量等，都离不开烦琐和大量的数据分析。为了提高工作效率，掌握并应用一定的计算机技术是必不可少的，这些计算机技术能对我们的数据分析处理提供巨大的帮助。

钢结构施工验算辅助插件的运用，与传统手算过程相比，大幅提升了计算的速度，简化了复杂的手算过程，并且保证了结果的准确性。在实际工程应用中，还可以结合不同的施工方案，快速验证出方案的可行性，并提供多方案的对比，为寻求最优方案提供数据参考，在提升验算速度效率的同时，降低项目施工措施成本。