軟件二次開發在鋼結構工程施工驗算中的應用

汪義正 馮 鋒 潘斯勇 隋炳強

中冶（上海）鋼結構科技有限公司 上海 201908

鋼結構工程項目的施工過程中存在大量的吊裝、胎架支撐、汽車吊走樓板等施工過程驗算，計算過程復雜，并且根據項目施工方案的調整或變動需要反復驗算，消耗大量時間。為了提高施工過程分析驗算的計算效率，結合Excel VBA及相關規范和標準，設計一套針對施工驗算的計算工具。通過和傳統手動建模計算分析相比，程序的驗算速度明顯加快，工作效率明顯提升，為項目施工降低了時間成本，將煩瑣的計算過程程序化、自動化。

1 項目施工驗算

1.1 施工驗算的類型

不同的工程項目，施工方案也會有所不同，對應的施工驗算也不盡相同。目前，工程中常常涉及的施工驗算包括吊裝驗算、胎架設計驗算、胎架卸載驗算、混凝土樓板走吊車驗算、滑移驗算、提升驗算、施工全過程分析等（圖1）。

圖1 施工驗算類型示意

1.2 施工驗算重、難點

1.2.1 軟件功能強大，但是前期數據處理煩瑣

雖然現在各大類有限元分析軟件功能強大，例如Midas、SAP、PKPM、盈建科等，但是結合鋼結構項目現場施工情況，在進行軟件分析驗算前期，大量的最不利工況分析、最不利荷載取值等數據需要提前準備，并隨施工方案的調整變動，導致各項數據均會產生較大變動，如果利用傳統手算法，則工作量巨大，工作效率也會大大降低。

1.2.2 胎架風荷載計算

現場施工胎架作為項目施工的主要臨時措施，胎架的設計對安全起著決定作用，影響胎架結構穩定的因素主要為上部支撐荷載和風荷載兩部分，上部支撐荷載由項目施工方案決定，而軟件模擬分析過程中風荷載的加載則需要通過手動計算出每個節點的荷載的方式分別加載。計算過程復雜，可變因素較多。

1.2.3 汽車吊、履帶吊支反力計算

在鋼結構項目吊裝施工作業中，根據吊裝構件的大小及吊裝高度，需要汽車吊或履帶吊兩種吊車在底層混凝土樓面對上部結構進行吊裝。為了確保吊車對下部結構不造成破壞，需要根據施工工況提取吊車支腿反力[1]或對履帶吊行走分析[2]，驗算下部混凝土結構的承載力是否滿足要求。

1.2.4 混凝土樓板承載力驗算

提取吊車最不利荷載工況后，在軟件中加載分析計算，得到樓層梁板的最不利內力和變形，根據圖紙配筋計算出樓層梁板設計強度，通過兩者的對比判定混凝土結構的強度是否滿足要求。

其中，樓層梁板的內力在軟件中分析計算，計算過程自動化；樓層梁板的設計強度則需要根據結構圖配筋圖反算，計算過程復雜，效率緩慢。

1.3 實際工程中施工驗算的現狀

目前在鋼結構施工領域，現場施工驗算分析在算法上相對成熟，針對不同的施工工況、現場條件，都已經形成一套成熟的計算方法，但是由于計算過程考慮因素過多，現場施工方案不確定性大，往往導致某一個因素的變化或者施工方案的調整，就需要對施工過程重新驗算分析，消耗大量的時間和精力，計算分析過程的速度遠遠跟不上現場施工方案變動的速度，導致項目施工的時間成本和人力成本增加。

2 輔助插件的開發

基于鋼結構項目施工過程分析驗算過于煩瑣的問題，利用VB語言開發出一個輔助計算插件，將大大提升施工過程計算的效率，同時提高數據的準確性，為項目施工的順利進行提供前期保障。

2.1 開發語言

VB是Visual Basic的簡寫，是可視化的編程語言，是一種簡單、高效地開發應用軟件的工具，可用于開發Windows環境下的各類應用程序。

Microsoft Excel軟件是微軟公司Office套件的成員，不僅具有強大的數據計算和分析功能，也為用戶提供了完善的二次開發功能，利用Excel軟件的內嵌VBA（Visual Basic Application）和VBA的編程功能可以大大擴展Excel的應用領域[3]。本次插件的開發就是以VB語言為基礎，在Excel VBA功能的基礎上開發而成。

目前全球玉米供需平衡已經趨緊，美國玉米價格與去年的水平一致。盡管今年玉米產量創下歷史新高，但美國玉米庫存與使用量之比仍為2013年以來最低。在過去的三年中，中國玉米的庫存下降近50%，低于10年以來的平均水平。由于美國與中國的貿易爭端，大豆價格受到產量和持續不確定性的壓力。

2.2 開發流程

輔助插件的開發主要利用Microsoft Excel軟件表格功能和內嵌的VBA模塊，實現過程大致如下：

1）將施工驗算需要用到的規范中的各項數據集成在指定的表格中。

2）設計獨立的窗體界面并在界面中設計需要實現計算功能的按鈕。

3）分別將不同驗算內容的算法，寫進相應的功能按鈕之中。

4）通過和用戶交互獲取計算參數，程序根據用戶輸入和算法自動計算。

5）通過窗口界面將計算結果反饋給用戶。

2.3 插件界面設計

為方便用戶使用，插件采用獨立窗體式設計，插件首頁分別對應4個計算功能按鈕，分別為胎架節點風荷載，履帶吊作業反力計算，汽車吊吊裝作業時反力計算，吊車上樓板時混凝土結構承載力驗算。每個按鈕設計獨立的用戶交互窗體界面，如圖2所示。

圖2 插件界面示意

2.4 插件功能

2.4.1 胎架節點風荷載

圖3 胎架節點風荷載計算示意

2.4.2 履帶吊作業反力計算

“履帶吊作業反力計算”包含數據輸入和數據輸出兩大模塊，在用戶輸入端輸入履帶吊的基本參數以及吊裝工況，輸出端輸出最大壓應力及履帶實際受壓長度（圖4）。

圖4 履帶吊作業反力計算示意

2.4.3 汽車吊吊裝作業時反力計算

“汽車吊吊裝作業時反力計算”包含數據輸入和數據輸出兩大模塊，在用戶輸入端輸入履帶吊的基本參數以及吊裝工況，輸出端輸出x方向和y方向的偏心彎矩及汽車吊4個支腿的最大反力（圖5）。

2.4.4 吊車上樓板時混凝土結構承載力驗算

“吊車上樓板時混凝土結構承載力驗算”由混凝土梁驗算、詳細結構-梁、混凝土板驗算和詳細結構-板4個部分組成，混凝土梁驗算和混凝土板驗算有獨立的輸入、輸出顯示，輸入端數據包括混凝土結構的相關參數、吊車的驗算工況和混凝土結構的內力值，輸出端通過計算得出混凝土結構強度設計值，再和結構實際受到的內力值比較，判定混凝土結構是否滿足承載力要求，并且在窗口反饋給用戶。詳細結構-梁（板）窗口為用戶反饋驗算過程中的各項詳細系數，以便校核驗算（圖6）。

圖6 吊車上樓板時混凝土結構承載力驗算示意

2.5 插件的運用與傳統手算對比

與傳統手算相比，利用應用軟件的輔助插件完成計算，在計算效率、計算結果的準確性以及適用性等方面均存在較大優勢。

計算效率：采用傳統手算的方法完成一次胎架節點風荷載計算、吊車作業反力計算和吊車上樓板時混凝土結構承載力計算總用時約5 h；采用輔助插件計算總用時約20 min，時間效率提高15倍。

計算準確性：采用傳統手算的方法對計算人員的要求較高，各種煩瑣的系數計算過程復雜，對整體結果的影響大，手算過程中容易出錯；插件中通過對各種系數和算法的集成，簡化了煩瑣的計算過程，保證了相關計算結果的準確性。

適用性：傳統手算的方法要求計算人員對力學知識的掌握和各項規范的熟練使用有較高要求，一般由設計人員完成該類型的工作；輔助插件的使用不僅適用于設計人員，也適用于施工現場的技術人員、項目總工等，不僅減輕了設計工作人員煩瑣的計算過程，也提高了現場施工計算的效率，節省了時間成本。

3 結語

在互聯網發達的當今社會，計算機技術已經滲入到各行各業，計算機技術的應用也將各行業工作人員從煩瑣的重復性工作中解放出來，革新了傳統的工作方式，大大提高了工作效率，促進了社會的發展和進步。作為建筑工程類行業的從業人員，無論是結構設計，還是力學分析、工程算量等，都離不開煩瑣和大量的數據分析。為了提高工作效率，掌握并應用一定的計算機技術是必不可少的，這些計算機技術能對我們的數據分析處理提供巨大的幫助。

鋼結構施工驗算輔助插件的運用，與傳統手算過程相比，大幅提升了計算的速度，簡化了復雜的手算過程，并且保證了結果的準確性。在實際工程應用中，還可以結合不同的施工方案，快速驗證出方案的可行性，并提供多方案的對比，為尋求最優方案提供數據參考，在提升驗算速度效率的同時，降低項目施工措施成本。