Обзор существующих программных комплексов для расчета строительных конструкций

Информационные технологии играют важную роль в жизни современного общества. Научно-технический прогресс не оставил без внимания и одну из отраслей жизнедеятельности человека. Строительная сфера также не осталась в стороне. Она развивается в соответствии с рынком и ей не чужды изменения. Информационные технологии в строительстве применяются практически в любой области, начиная от организации работы на стройке, до перепроверки сметы и плана строительства [5]. Широкое применение в мире находят автоматизированные системы проектирования. Автоматизация повышает качество работ, снижает материальные затраты, сокращает сроки проектирования, увеличивает производительность труда инженерно-технических работников. Системы автоматизированного проектирования дают возможность на основе новейших достижений фундаментальных наук совершенствовать методологию этого процесса, стимулировать развитие математической теории проектирования сложных систем и объектов [6].

Существует множество программ, позволяющих выполнить расчеты и визуализировать их результаты. Практически не осталось ограничений по расчету сооружений любой сложности - в статике и динамике, в упругой и неупругой стадиях работы, с учетом последовательности и технологии возведения, включая изменение конструктивной схемы и появление новых нагрузок при реконструкции.

В настоящее время для проведения расчетов строительных сооружений широко используются различные программные комплексы, реализующие метод конечных элементов, позволяющие с полным соответствием реальным геометрическим размерам и физико-механическим свойствам моделируемого объекта оценить его напряженно-деформированное состояние и спрогнозировать его поведение. Среди них можно отметь такие сопровождающие строительное проектирование программные продукты, как: Мономах, ANSYS, SCAD, Лира-СОФТ, Autodesk Robot Structural Analysis Professional, МОНОМАХ, APM Civil Engineering, ПК STARK ES.

- Autodesk Robot Structural Analysis Professional - программный комплекс, предназначенный для проведения расчетов строительных конструкций зданий и сооружений на прочность, устойчивость и динамические воздействия [7].

- ПК ЛИРА - универсальный программный комплекс для проектирования и расчета прочности и устойчивости строительных и машиностроительных конструкций [8].

- ПК МОНОМАХ - универсальный программный комплекс, позволяющий решать большой класс задач расчета и проектирования железобетонных, каменных и армокаменных конструкций [9].

- SCAD Office - это система, которая базируется на методе конечных элементов (МКЭ) и предназначена для расчета напряженно-деформированного состояния (НДС), устойчивости, определения частот и форм собственных колебаний, анализа температурных воздействий, решения задач статики и динамики в линейной или нелинейной постановке, а также широкого класса строительных, машиностроительных и других задач [10].

- ПК STARK ES - программный комплекс для расчета конструкций зданий и сооружений на прочность, устойчивость и колебания на основе метода конечных элементов [11].

- APM Civil Engineering система проектирования и анализа металлических, железобетонных и деревянных строительных конструкций [12].

- ANSYS - самая распространенная в мире, многофункциональная система конечно-элементных расчетов [13]. Является довольно популярной у специалистов в области компьютерного инжиниринга и КЭ решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных пространственных задач механики деформируемого твёрдого тела и механики конструкций (включая нестационарные геометрически и физически нелинейные задачи контактного взаимодействия элементов конструкций), задач механики жидкости и газа, теплопередачи и теплообмена, электродинамики, акустики, а также механики связанных полей.

В данной дипломной работе были использованы ПК SCAD и ПК Мономах, т. к. они наиболее доступны, широко распространены, соответствуют СНиП и ГОСТ. Так же эти ПК внедрены и широко используется в учебном процессе.

ПК SCAD Office

Комплекс SCAD — интегрированная система прочностного анализа и проектирования конструкций на основе метода конечных элементов [10]. Он включает в себя высокопроизводительный процессор, позволяющий решать задачи большой размерности (сотни тысяч степеней свободы) в линейной и геометрически нелинейной постановке, модули анализа устойчивости, формирования расчетных сочетаний усилий, проверки напряженного состояния элементов конструкций по различным теориям прочности, определения усилий взаимодействия фрагмента с остальной конструкцией, вычисления усилий и перемещений от комбинаций загружений, построения амплитудно-частотных характеристик, модули подбора арматуры в элементах железобетонных конструкций, а также проверки и подбора металлических конструкций. Система предусматривает, кроме статических расчетов, рассмотрение различных видов динамических воздействий — таких как сейсмика, пульсация ветровой нагрузки, гармонические колебания, импульс, удар. В SCAD реализована развитая библиотека конечных элементов для моделирования стержневых, пластинчатых, твердотельных и комбинированных конструкций, так же реализован режим вариации моделей для совместного анализа нескольких вариантов расчетной схемы.

Графические средства формирования расчетных схем включают набор параметрических прототипов конструкций, позволяют автоматически сгенерировать сетку конечных элементов на плоскости, задать описания физико-механических свойств материалов, условий опирания и примыкания, а также нагрузок. Предусмотрена возможность сборки расчетных моделей из различных схем, а также широкий выбор средств графического контроля всех характеристик схемы. Результаты расчета могут экспортироваться в редактор MS Word или электронные таблицы MS Excel, a также выводятся в виде деформированной схемы и схемы прогибов, цветовой и цифровой индикации значений перемещений в узлах, а также изополей и изолиний перемещений для пластинчатых и объемных элементов.

В состав системы входят программы четырех основных видов:

- вычислительный комплекс Structure CAD (ВК SCAD), который является универсальной расчетной системой конечно-элементного анализа конструкций и ориентирован на решение задач проектирования зданий и сооружений достаточно сложной структуры;

- вспомогательные программы, предназначенные для «обслуживания» ВК SCAD и обеспечивающие: формирование и расчет геометрических характеристик различного вида сечений стержневых элементов (Конструктор сечений, КОНСУЛ, ТОНУС, СЕЗАМ), определение нагрузок и воздействий на проектируемое сооружение ВЕСТ, вычисление коэффициентов постели, необходимых при расчете конструкций на упругом основании КРОСС; используемый для формирования укрупненных моделей и при импорте данных из архитектурных систем препроцессор ФОРУМ;

- проектно-аналитические программы КРИСТАЛЛ, АРБАТ, ДЕКОР и КАМИН, которые предназначены для решения частных задач проверки и расчета элементов стальных, железобетонных, деревянных, каменных и армокаменных конструкций в соответствии с требованиями нормативных документов (СНиП);

- проектно-конструкторские программы КОМЕТА и МОНОЛИТ, предназначенные для разработки конструкторской документации на стадии детальной проработки проектного решения.

Вычислительный комплекс SCAD включает развитые средства подготовки данных, расчета, анализа результатов и не имеет ограничений на размеры и форму проектируемых сооружений. Тем не менее, для инженера-проектировщика во многих случаях важными являются «простые» задачи, решение которых занимает заметную часть времени. К таким задачам можно отнести проверку сечений элементарных балок, сбор нагрузок на элементы конструкций, определение геометрических характеристик составных сечений. Для решения этих задач и были разработаны дополнительные программы-сателлиты. Вместе с вычислительным комплексом они составляют систему SCAD Office. При разработке программ-сателлитов предусматривается общность в представлении данных, способах управления, используемых формах проверки нормативных требований и показе результатов таких проверок, документировании работы. При этом любая из программ, входящих в систему SCAD Office, может использоваться в автономном режиме.

ПК МОНОМАХ

ПК МОНОМАХ представляет собой универсальный программный комплекс, позволяющий решать большой класс задач расчета и проектирования железобетонных, каменных и армокаменных конструкций [9]. Этапы проектирования и расчета конструкций, выполняемые с использованием различных программных продуктов, в ПК МОНОМАХ объединены в рамках общего комплексного подхода. Этот подход обеспечивает значительное упрощение работы и увеличение скорости проектирования.

Область применения ПК МОНОМАХ весьма разнообразна — это расчет и проектирование монолитных железобетонных зданий, сборных зданий рамной и рамно-связевой конфигурации, кирпичных зданий, высотных зданий и т.д. ПК МОНОМАХ успешно применяется при расчете сооружений со сложным планом, переменной конфигурацией по высоте, большим количеством нерегулярных включений и многими другими особенностями.

От пользователя не требуется глубоких знаний метода конечных элементов (МКЭ) и специфических знаний по работе со сложными расчетными комплексами, поскольку при создании расчетной модели сооружения ему приходится работать со знакомыми объектами: осями, балками, перекрытиями, колоннами, этажами и т.д.

ПК МОНОМАХ имеет экспертную систему, которая на всех этапах автоматизированного проектирования дает пользователю подсказки относительно обоснования принятых конструктивных решений, таких как выбор размеров сечения несущих конструкций, расстановка диафрагм жесткости, обеспечение тех или иных требований нормативных документов.

ПК МОНОМАХ изначально ориентирован на инженеров строительной отрасли, предоставляя интуитивно понятный интерфейс и эффективные расчетные предпосылки. Тем самым создан инструмент, позволяющий принимать быстрое и надежное решение при проектировании и расчете железобетонных и каменных конструкций.

ПК МОНОМАХ может быть использован на разных этапах проектирования. На стадии принятия проектных решений за короткое время можно получить результаты расчетов вариантов конструктивных схем с различной расстановкой колонн, диафрагм, свай, с разной толщиной плит и пр., а также определить расход материалов и стоимость конструкций здания. Применение ПК МОНОМАХ на стадии рабочего проектирования позволяет создать расчетную схему, выдать результаты расчетов и эскизы рабочих чертежей в единой среде, что позволяет существенно сократить сроки выполнения работ.

Есть возможность расчета сооружений совместно с грунтовым основанием на базе создаваемой 3D-модели грунтового массива по имеющимся инженерно-геологическим данным. ПК МОНОМАХ предоставляет пользователю возможность задания фундаментов как на естественном, так и на свайном основании, причем с различными вариантами описания жесткостных характеристик свай.

Выполняется расчет на ветровые и сейсмические нагрузки с автоматическим сбором нагрузок и с учетом требований различных нормативных документов (нормы всех стран СНГ и некоторых европейских стран).

В ПК МОНОМАХ реализован широкий спектр возможностей по межпрограммной передаче данных:

- импорт из комплекса AutoCAD набора плоских планов этажей в формате DXF. В результате импорта в ПК МОНОМАХ автоматически генерируется пространственная многоэтажная расчетная схема с заданными параметрами сечений конструктивных элементов;

- импорт из цифровой модели объекта (ЦМО используется в интегрированной технологической линии проектирования КАЛИПСО). Эта линия проектирования объединяет большое количество различных архитектурных программ (ArchiCAD, AutoCAD и др.);

- экспорт расчетной схемы в программный комплекс «Лира» с возможностью автоматической генерации сетки конечных элементов (КЭ), экспорта жесткостных параметров КЭ, нагрузок и т.д.;

- экспорт нагрузок на фундамент и напластования грунтов в ФОК ПК и в программу ФУНДАМЕНТ для дальнейшего расчета и проектирования столбчатых фундаментов.

Все чертежи, сформированные в ПК МОНОМАХ, могут быть сохранены в формате DXF и экспортированы в любые программы, поддерживающие этот формат.

В состав ПК МОНОМАХ входят следующие программы: КОМПОНОВКА, БАЛКА, КОЛОННА, ФУНДАМЕНТ, ПОДПОРНАЯ СТЕНА, ПЛИТА, РАЗРЕЗ (СТЕНА), КИРПИЧ и ГРУНТ. Данные программы связаны информативно, но в то же время могут работать в автономном режиме. Рассмотрим основные возможности этих программ.

Программа КОМПОНОВКА — это основной модуль ПК МОНОМАХ. Он позволяет в короткий срок сформировать схему здания, выполнить статический и динамический расчеты, определить расход материалов, оценить стоимость конструкций и экспортировать данные для конструирующих программ (ПЛИТА, БАЛКА и т.д.). В программе КОМПОНОВКА осуществляется формирование модели здания, при котором производятся следующие операции:

- расстановка осей, колонн, балок, стен, перегородок, плит перекрытия и фундаментных плит произвольной конфигурации, а также свай;

- задание отверстий в стенах (с возможностью формирования собственной базы отверстий), плитах перекрытия, фундаментных плитах;

- сбор нагрузок на колонны, балки, стены, фундаменты и фундаментные плиты;

- расчет здания на горизонтальные нагрузки, вызванные ветровыми, сейсмическими воздействиями и боковым давлением грунта;

- подбор и проверка сечений конструктивных элементов;

- определение перемещений и усилий, частот и периодов колебаний методом конечных элементов;

- учет реальных инженерно-геологических условий площадки строительства при импорте модели грунта, созданной в программе ГРУНТ;

- формирование и экспорт данных для конструирующих программ.

Программа КОМПОНОВКА является удобным инструментом как при рабочем проектировании, так и при необходимости быстрой оценки жизнеспособности конструктивных решений.

Программа БАЛКА позволяет спроектировать монолитную одно- или многопролетную неразрезную балку с переменной высотой сечения по пролетам. Сечение балки может быть прямоугольным, при этом учитывается наличие полки; нагрузка — равномерно распределенная по пролету, по части пролета, сосредоточенные вертикальные силы и моменты. Схема балки, сечение, нагрузки, сведения о материалах и требования конструирования задаются или корректируются в интерактивном режиме. Программа выполняет статический расчет балки с построением огибающих эпюр перемещений и усилий, определяет расчетную площадь арматуры, выполняет построение эпюры материалов, конструирование балки с выведением чертежа.

Программа КОЛОННА дает возможность спроектировать монолитную колонну с различной формой сечения: прямоугольной, тавровой, крестовой, уголковой, кольцевой и др. Схема формируется в режиме импорта и в автономном режиме. Колонна может быть подвержена действию сжимающей силы и моментов в двух плоскостях (косое внецентренное сжатие). Форма и размеры сечения, нагрузки, материалы задаются в интерактивном режиме. Для пилонов учитываются особенности расположения арматуры по длинным сторонам. Программа выполняет расчет по первому и второму предельному состоянию (расчет по раскрытию трещин), определяет расчетную площадь арматуры, выполняет конструирование колонны и выводит чертеж.

Программа ФУНДАМЕНТ позволяет спроектировать монолитный столбчатый фундамент под колонны и короткие участки стен для заданных инженерно-геологических условий. Схема формируется в режиме импорта и в автономном режиме. Программа выполняет расчет основания и фундамента, определяет необходимую площадь сечения арматуры и производит конструирование фундамента. Впрограмме учитывается просадочность грунтов. Есть возможность импорта в программу данных по арматурным выпускам. Выполняется чертеж спроектированного фундамента.

Программа ПОДПОРНАЯ СТЕНА проектирует монолитную уголковую подпорную стену и выполняет проверку массивной подпорной стены для заданных инженерно-геологических условий. Схема формируется в автономном режиме. В программе можно задавать нагрузки как на лицевую панель подпорной стены, так и на грунт засыпки, в том числе подвижные нагрузки (АК, НК-80, НГ-60 и др.). Программа выполняет расчет устойчивости основания, расчет и конструирование подпорной стены. Выполняется чертеж, и выводится расход материалов на погонный метр спроектированной подпорной стены.

В программе ПЛИТА проектируются монолитная железобетонная плита перекрытия и фундаментная плита. Фундаментная плита рассматривается на естественном основании или на свайном поле произвольного очертания. Учитывается переменная толщина плиты и наличие отверстий. Сведения о грунтовом основании задаются или импортируются из программы ГРУНТ. После статического расчета программа выполняет построение полей перемещений и усилий, определяет расчетную площадь арматуры. Производится расчет на продавливание. Осуществляется конструирование плиты. По результатам конструирования выполняется чертеж с автоматической генерацией спецификации плиты и ведомости расхода стали. При необходимости производится экспорт расчетной схемы плиты в программный комплекс «Лира».

Программа РАЗРЕЗ (СТЕНА) позволяет спроектировать монолитную железобетонную стену произвольного контура совместно с примыкающими рамными конструкциями. Учитывается наличие отверстий и участков стены разной толщины. Программа выполняет статический расчет плоской схемы разреза с построением эпюр усилий, изополей перемещений и напряжений. Определяется расчетная площадь арматуры для стеновых элементов и выполняется конструирование для указанных зон. По результатам делается чертеж. При необходимости выполняется экспорт расчетной схемы разреза в программный комплекс «Лира».

Программа КИРПИЧ выполняет расчет армирования стен кирпичных зданий. Используя в комплексе программы КИРПИЧ, КОМПОНОВКА и ГРУНТ, пользователь получает мощнейший инструмент для работы с каменными и армокаменными конструкциями. При вычислении усилий в программе КОМПОНОВКА учитывается совместная пространственная работа несущих кирпичных и железобетонных элементов здания (поясов, железобетонных сердечников, фундаментной плиты, диафрагм, колонн, пилонов), а также эксцентриситетное приложение нагрузок от плит перекрытий и балок. В процессе расчета производится определение необходимого количества сеток и подбор стержней вертикального армирования. Возможен вариантный расчет на основе указания пользователем различных вариантов расчетных участков стен. Выполняется чертеж с раскладкой сеток по сечению стен.

Программа ГРУНТ формирует пространственную модель грунтового основания по заданным инженерно-геологическим условиям площадки строительства. Для описания площадки строительства задается база характеристик слоев грунта, указывается расположение и отметки устья скважин, слои грунта, составляющие ту или иную скважину. Для произвольных штампов нагрузок от проектируемых или существующих зданий определяется поле осадок; по нескольким методикам выполняется расчет и определение жесткости упругого основания на сжатие и на сдвиг (так называемых коэффициентов постели), а для свайного основания — характеристик каждой сваи (несущая способность и осадки). Модель грунтового основания экспортируется в программы КОМПОНОВКА и ПЛИТА, где используется при расчете отдельных фундаментов и фундаментных плит.