摘要：

针对当前装配式混凝土结构发展迅速而相应的设计软件严重缺乏的现状，研发装配式混凝土构件设计软件PCMSD。该软件具有叠合梁端结合面、预制柱底施工缝、桁架钢筋混凝土叠合楼板、预制外挂墙板、叠合梁与预制柱节点、主次梁牛担板连接节点和主次梁缺口连接节点等设计功能。PCMSD在紧扣国家结构设计标准的基础上，结合工程实际，针对设计人员在装配式结构设计中急需解决的问题提供相应的解决方案。通过采用OpenXML标准和C++托管技术实现Word计算书的输出，其中包含构件设计的详细过程、公式和数据代入过程，便于设计人员检查校核。

关键词：

装配式混凝土； C++托管技术； OpenXML标准； 设计软件

中图分类号： TP311.5； TU399

文献标志码： B

Design software for precast concrete members

ZHENG Yinrui

（Shanghai Tonglei Civil Engineering Technology Co.， Ltd.， Shanghai 200433， China）

Abstract：

As to the problem that the precast concrete structure is growing in high speed but the design software is starved， an assembled concrete component design software named PCMSD is developed. Many design functions can be completed in the software， including interface of composite beam， construction join of precast concrete column bottom， truss reinforced concrete composite floor， precast concrete external wall， joint of composite beam and precast concrete column， joint of primary and secondary beam with shear steel plate， and joint of primary and secondary beam with gap. Based on the national structure design standard， combing with the engineering practice， PCMSD provides corresponding solutions to the design engineer on the urgent problems in precast concrete structural design. Using the OpenXML standard and C++ hosting technology， the outputting calculation report in Word is realized. The report contains detailed design process， formula using， and data substitution process， which is easy to be checked by the designers.

Key words：

precast concrete； C++ hosting technology； OpenXML standard； design software

收稿日期： 2017-11-24

修回日期： 2017-12-17

作者簡介：

郑愔睿（1983—），女，上海人，工程师，博士，研究方向为结构优化与软件设计，（E-mail）caitong1117@126.com

0 引 言

19世纪初，混凝土结构进入中国。在100余年的发展历程中，现浇混凝土因为施工技术成熟、结构整体性好，所以始终在民用和公用建筑中占主导地位。[1]近年来，随着建筑设计理论、施工理论、计算机仿真技术的发展[2-3]，以及对环境保护的进一步重视，建筑业进入发展转型期[4]。2014年，上海颁布《上海市绿色建筑发展三年行动计划（2014—2016）》，明确要求各区县政府在本区域供地面积总量中落实装配式建筑的建筑面积比例为：2014年不少于25%；2015年不少于50%；2016年外环线以内符合条件的新建民用建筑原则上全部采用装配式建筑。装配式建筑比例进一步提高。2016年，上海市住房和城乡建设管理委员会发布《关于本市装配式建筑单体预制率和装配率计算细则（试行）的通知》，要求符合条件的新建民用、工业建筑应全部按装配式建筑要求实施，建筑单体预制率不应低于40%或单体装配率不低于60%。这些政策给装配式混凝土（precast concrete，PC）建筑产业的发展提供良好的环境。[4]

目前，PC构件生产已实现产业化、标准化。相比现浇结构，预制构件的质量可得到更有效控制，并且在施工现场只需对构件进行安装和少量的浇筑工作，可减少现场施工的强度和人员的配备，降低施工成本，提高安全生产率。从环境保护方面考虑，预制构件标准化生产的特点可提高材料利用率，减少浪费，而且施工现场的建筑垃圾、扬尘大大减少，更符合环境保护要求。[5]

目前，结构设计软件仅有PKPM和YJK开始研制PC结构设计模块，均处于起步阶段，特别是在构件设计和节点验算方面，提供的形式少，且没有详细的计算过程，难以令设计人员信服。因此，本文设计开发一款针对PC构件设计的软件PCMSD。该软件既提供规范推荐的构件和节点设计方法，也加入一些在行业中已经较常见的节点形式和设计验算方法。

1 软件功能介绍

PCMSD不仅包含目前PC结构常用的桁架钢筋混凝土叠合楼板（见图1a））、预制外挂墙板（见图1b）），还包括叠合梁端结合面（见图1c））、预制柱底施工缝（见图1d））、梁柱节点域（见图1e））、叠合主次梁铰接节点（见图1f）和1g））。用户只需输入必要的参数，即可由软件完成设计工作，软件提供详细的计算书，便于设计人员校核。

a）桁架钢筋混凝土叠合楼板

b）预制外挂墙板

c）叠合梁端结合面

d）预制柱底施工缝

e）梁柱节点域

f）叠合主次梁牛担板连接节点

g）叠合主次梁缺口连接节点

图 1 PCMSD可设计节点与构件

PCMSD在设计叠合梁端结合面[6-9]、预制柱底施工缝[6]、梁柱节点域[7]时，结合《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）、《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ 1—2014）、《预制装配整体式钢筋混凝土结构技术规范》（SJG 18—2009）等相关设计标准中的设计方法，并根据《装配式混凝土结构连接节点构造》（G 310-1～2）进行构件的构造设计。对于钢筋混凝土叠合楼板、外挂墙板和次梁铰接节点，PCMSD引入行业中较成熟的设计方法[2，10]。

2 软件界面设计

PCMSD的操作界面简单，导向性强，主界面见图2。打开主界面即可选择相应的构件或节点进行设计。

图 2 PCMSD主界面

所有的子界面均分为3部分：左侧部分为数据输入区；右侧上方为示意图；右侧下方为结果显示区。叠合主次梁牛担板连接节点子界面见图3，对于节点部位连接多个构件的情况，分别用标签页分开。

图 3 PCMSD子界面

构件中的关键部件输入另外设计专门的对话框，见图4。

图 4 牛担板信息设置

3 软件架构设计

3.1 部件的组成

由于施工工艺的需要，PC构件的组件与构造措施比现浇混凝土构件要复杂得多，见表1。

表 1 PC构件组件及其构造措施

根据PC构件的设计流程和施工工艺，以及构件的组件和构造措施，PCMSD数据主要由3部分组成。第1部分是组件类（见图5）。CUnitPart类为PC构件组件和构造措施的基类，其中包括纯虚函数Check（）。

图 5 PC数据组件类

PC构件需要用到的部件和构造措施均从CUnitPart派生，并且重载Check（）函数，实现所有部件的自我设计或验算。

第2部分是构件类（见图6）。CPCUnit是PC构件基类，其中包括CUnitPart链表数组和虚函数Check（）。叠合梁、预制柱、叠合板、外挂墙板均从CPCUnit派生，并且重载Check（）函数。在重载函数时，先调用基类的Check（）完成构件所包含的部件以及构造措施的设计或验算，再进行构件整体设计。

图 6 PC数据构件类

第3部分是节点类。CPCNode是节点基类，其中包括CPCUnit链表数组和虚函数Check（），其类关系图和设计过程与构件类相似。

PCMSD数据组成关系见图7。

图 7 PCMSD数据结构

所有的部件、构件和节点负责对自身进行设计或验算，验算的中间数据保存在自身类中，结论返回到上一层类中，即部件验算结论返回给构件。若是节点设计，则构件验算结论返回给节点，最终将总结论输出到界面上。所有的中间数据通过计算书的形式详细输出。

3.2 OpenXML技术应用

PCMSD的计算书采用OpenXML标准。OpenXML是针对文字处理文档、演示文稿和电子表格的国际化开放标准，可免费供多个应用程序在多个平台上实现。MS OFFICE自2007版以来增加基于OpenXML标准的公式编辑器，故PCMSD可以在Word中书写可编辑的公式。

目前，一般采用C#中的OpenXML库实现在Word中添加文字、公式和表格的功能，但PCMSD的主程序采用C++语言编写，所以为实现Word计算书输出，采用托管项目将C#的功能转换为C++功能，见图8。

图 8 C++实现OpenXML应用

4 软件应用

4.1 PC叠合梁端设计

在工厂生产时，PC叠合梁已完成预制混凝土部分的钢筋设置，在施工现场只进行叠合层混凝土浇筑。为保证预制区与叠合区协同工作，有时会在预制区预留凹槽；为保证叠合梁与预制柱连接处拥有良好的整体性，在梁端部設置键槽增加节点区的抗剪能力。为此，对于叠合梁，用户可以详细输入端部键槽和凹槽数据，见图9。

图 9 叠合梁端数据输入

根据设计经验，键槽的数量越多越有利于抗剪，故软件提供优选键槽个数和尺寸的功能。在键槽的尺寸、深度、间距和边距都满足《装配式混凝土结构连接节点构造》（G 310-1～2）的基础上，给出键槽数量最多的布置方式。

验算完成后，点击主界面上的“打印报告”按钮，即可得到计算书，见图10。

4.2 桁架钢筋混凝土叠合楼板设计

桁架钢筋混凝土叠合楼板的设计过程相当繁琐复杂，PCMSD可给出详细计算书，见图11。由桁架钢筋混凝土叠合楼板Word计算书的文档结构可知，桁架钢筋混凝土叠合楼板的设计过程分为施工阶段和使用阶段2部分。

（1）施工阶段：桁架钢筋强度和稳定验算，带钢筋桁架预制板的裂缝验算，带钢筋桁架预制板的挠度验算；

（2）使用阶段：叠合面受剪承载力验算，叠合面受弯承载力验算，纵向受拉钢筋应力验算，叠合板裂缝验算。

图 10 叠合梁端验算计算书

5 结束语

PCMSD采用C++完成PC构件和节点设计的核心代码，其数据结构根据PC构件的特点进

行抽象，分为节点-构件-部件3个层次，每个层次完成自身的设计或验算。通过部件或构件的不同组合，可以快速生成新的节点形式，使PCMSD具有较高的可扩展性，能够方便增加新的构件和节点形式。

PCMSD中包含目前国家标准中推荐的绝大多

数装配式混凝土构件和节点设计方法。但是，随着装配式混凝土结构的快速发展，新技术必然会先于

国家标准出现，为此，PCMSD在研发过程中还加入一些当前实际工程中较认可的构件和节点形式的设计方法。

图 11 桁架钢筋混凝土叠合楼板计算书

PCMSD使用OpenXML标准，通过C#语言和C++托管技术，实现Word计算书输出。计算书中包含完整的计算过程，所有计算过程都列出公式，并进行数据代入，便于设计人员进行检查校核。

为提高PC结构的施工效率，大型设计院均开始研究装配式结构集成系统，将结构设计、装潢设计、施工工艺作为整体进行统筹。所以，未来PC设计软件也必须在建模阶段可完成构件拆分、钢筋排布、施工过程定义等详细输入过程，并进一步成为装配式结构集成系统的有机组成部分。

参考文献：

[1] 徐有邻， 刘刚. 我国混凝土结构基本理论及规范发展的回顾[J]. 建筑结构， 2011， 41（11）： 8-11.

[2] 刘浩， 冯超. 混凝土浇筑过程中温度场和应力场仿真分析[J]. 计算机辅助工程， 2013， 22（S1）： 474-479. DOI： 10.3969/j.issn.1006-0871.2013.z1.111.

[3] 赵鸣， 张方超， 张国峰. 建筑施工模板计算机辅助设计系统[J]. 计算机辅助工程， 2007， 16（3）： 52-56. DOI： 10.3969/j.issn.1006-0871.2007.03.013.

[4] 卢家森. 装配整体式混凝土框架实用设计方法[M]. 长沙： 湖南大学出版社， 2016： 1-2.

[5] 蒋勤俭. 国内外装配式混凝土建筑发展综述[J]. 建筑技术， 2010， 41（12）： 1074-1077. DOI： 10.3969/j.issn.1000-4726.2010.12.001.

[6] 裝配式混凝土结构技术规程： JGJ 1—2014[S]. 北京： 中国建筑工业出版社， 2014.

[7] 混凝土结构设计规范： GB 50010—2010[S].

[8] 深圳市住房和建设局. 预制装配整体式钢筋混凝土结构技术规范： SJG 18—2009[S].

[9] 装配式混凝土结构连接节点构造： G 310-1～2[S]. 北京： 中国计划出版社， 2015.

[10] 钢结构设计规范： GB 50017—2003[S].