套筒式烟囱CAD 系统的开发

范高杰， 王子茹

（大连理工大学土木水利学院，辽宁 大连 116024）

烟囱属于特种结构的一种，是工业建筑尤其是火电厂建筑中的重要构筑物，结构形式与作用、荷载独特，与一般建筑结构有许多不同之处，如需考虑温度影响，在内力分析时还需考虑附加弯矩等，其设计工作量大。采用传统的设计方法费时、繁琐。随着计算机技术在设计界的应用，烟囱的计算机辅助设计也得到了开展。文献[1]是以《烟囱设计规范》GBJ51—83 为计算依据，以DELPHI5 为开发工具实现单筒式钢筋混凝土烟囱的计算机辅助设计；文献[2]是PKPM 系列软件中的一个模块，采用Visual C++ 和Visual Fortran 混合编程，以自主产权的CFG 图形支撑库为基础，实现了对单筒式钢筋混凝土烟囱上部结构和地基基础的计算和施工图的自动生成。文献[3]主要针对单筒式钢筋混凝土烟囱的计算机辅助设计，并提出对于套筒式烟囱计算时，需要将内筒的荷载按照相关规定计算好以后，以附加荷载的形式输入。从已有的资料看，目前国内在烟囱CAD 的研发上，主要是以单筒烟囱设计为主要研究开发对象。随着环保要求的提高，目前新建的电厂均需脱硫或考虑脱硫条件。电厂脱硫后，对烟囱的腐蚀将会加剧。为防腐蚀需要，烟囱内外筒结构分开的套筒式和多管式烟囱已在电厂广泛采用[4]。因此，研究套筒式烟囱的计算机辅助设计势在必行。本文以Visual C++6.0 为编程语言，以AutoCAD 为图形支撑平台开发，以《烟囱设计规范》(GB50051―2002)为计算依据，对套筒式烟囱的CAD 系统的开发作了研究，实现了套筒式烟囱设计从结构分析、配筋计算到施工图绘制的一体化。

1 套筒式烟囱CAD 系统

1.1 系统总体设计

系统包括3 个模块，即前处理模块、计算模块和后处理模块。其中前处理模块实现模型的建立和即时预览。计算模块实现对套筒式烟囱的计算。后处理模块实现施工图的自动绘制和计算书的自动生成。套筒式烟囱CAD 系统总体设计结构如图1 所示。

图1 套筒式烟囱CAD 系统的总体结构图

1.2 系统主要模块功能及实现

1.2.1 前处理模块

此模块用于实现套筒式烟囱计算模型的建立及即时预览。

计算模型是通过往AutoCAD 数据库的块表记录中写入实体的方式来建立。 用CAcUiTabMainDialog 类来构造标签式对话框的主对话框，用CAcUiTabChildDialog 类来构造每个标签子对话框。首先，是在对话框中输入参数，系统会对所输入的数据进行数据合法性检查，然后根据参数建立相应的实体，并将建立的实体写入图块，实现计算模型的建立。其中，三维模型的建立主要通过两种方式：① 创建一系列的常规三维实体，然后对这些实体进行布尔运算(AcDb：：kBoolUnite（并集）、AcDb：：kBoolIntersect（交集）和AcDb：：kBoolSubtract（差集）三种类型)实现三维模型的建立；② 建立多段线，形成面域，通过对面域的拉伸、旋转生成自定义形状的三维实体。以下的程序说明斜撑式支承平台中的钢筋混凝土承重环梁三维实体的主要构建过程：

环梁创建效果如图2 所示。

图2 斜撑式支撑平台环梁效果图

对计算模型的即时预览由CPreview 类来实现，该类是从AcGsView 中派生。把建立的图块加载在对话框的CStatic 控件区域，实现对计算模型的放大、缩小、旋转、拖动等预览操作。

1.2.2 计算模块

采用了面向对象的编程思想，将一系列的计算（烟囱自重计算、温度计算、风荷载计算、地震荷载计算、附加弯矩计算等）都通过类的封装来实现，将计算过程中的重要系数、参数设计为类的成员变量，将计算过程中涉及到的主要的函数设为虚函数，这样继承与多态性还可以大大提高程序的可重用性，对不同形式的烟囱采用不同的派生子类，使得软件的后续开发和维护都更为方便，同时对数据的安全性也有了良好的保障。系统运行过程中，每一个子模块的计算都通过标签式对话框将每一步计算的结果在对话库中的表格中体现出来，因此在计算过程中，设计人员可以人工干预计算结果，系统会对所用户输入的数据重新进行验算。

此模块包含了4 个子模块，在此阐述各个子模块计算时关键计算方法如下：

（1） 砖砌排烟筒计算模块

套筒式烟囱之砖内筒设置于各层平台上，其地震效应类似于楼层上放置一个设备。根据《石油化工钢制设备抗震设计规范》中关于“楼层上设备地震作用计算”的有关规定进行计算[4-5]。

对于烟囱其风荷载效应包含两部分，即顺风向荷载和横风向荷载。对于顺风向荷载，同样也包含两部分，即平均风静荷载和脉动风引起的动荷载。由于钢筋混凝土外筒的存在，平均风静荷载不直接作用在砖内筒上，因此可不考虑这部分荷载对内筒的影响。对于风荷载中的动力部分,应考虑振动效应对内筒的影响[4]。

一般砖烟囱由于高度较小、截面较大，并且设计时控制其截面偏心距不大于截面核心距，因此《烟囱设计规范》(GB50051―2002)没有考虑附加弯矩影响。但对于套筒式钢筋混凝土烟囱，由于烟囱较高，烟囱变形大，并且每节砖内筒的高度都在25m 左右，平台之间的层间位移较大，因此，有必要考虑砖内筒的附加弯矩。

（2） 斜撑式支撑平台计算模块

斜撑式支撑平台是由钢筋混凝土承重环梁、钢支柱、平台钢梁、平台剪力撑和平台钢格栅板组成。

此模块实现的计算主要有：

1） 平台钢梁计算；

2） 钢筋混凝土承重环梁计算，主要包括环梁荷重计算、环梁承载能力极限状态计算、环梁正常使用极限状态计算；

3） 钢支柱计算，主要包括钢支柱长度和柱顶荷载计算、钢支柱强度验算、钢支柱稳定验算。

计算方法详见参考文献[6]，不再赘述。 （3） 钢筋混凝土承重外筒计算模块

在考虑了各层斜撑式支撑平台、内烟道和内烟道处钢筋混凝土承重外筒与砖砌排烟筒间夹层平台传来的附加荷载后，烟囱钢筋混凝土承重外筒的计算和单筒式钢筋混凝土烟囱的计算完全相同。仅仅是将烟气温度由原来的烟气最高温度改为内外筒间夹层温度，烟囱筒身保温隔热层和内衬砖砌体厚度按照0mm 考虑即可。承重外筒计算时，平台活荷载根据不同计算目的按照规范中的计算原则分别加以计算[6]。

斜柱下端处外筒受的附加环向拉力计算

外筒局部抗压强度验算

外筒抗冲切强度验算

1.2.3 后处理模块

此模块包含两个部分：计算书与文件存取、施工图纸的自动生成。

（1） 计算书与文件存取

工程文件的存取和计算书的生成通过序列化技术来实现。系统生成txt 格式计算书。

（2） 施工图纸的自动生成

一套完整的烟囱施工图纸通常包含复杂的工程信息量。为了实现动态生成图纸，需要将复杂图形分块和参数化，再对块进行拼装。AutoCAD 数据库中的带属性定义的块表记录和带属性的块引用能满足解决此类问题的要求。为此，在图纸的自动生成过程中，大量运用了AutoCAD 数据库中的图块技术。在此以钢筋混凝土外筒竖向配筋块为例说明图纸动态生成主要技术，图3 中除了标注部分的文字之外的所有文字都为属性对象。主要实现过程如下：

创建块参照与前一函数创建的块表记录相关联，并添加到模型空间；

图3 钢筋混凝土外筒（一节）竖向配筋图块

创建块表记录遍历器，遍历指定块表记录中的实体

2 工程实例

2.1 设计资料

采用《烟囱工程手册》套筒式烟囱计算算例，烟囱高240m，烟囱顶部出口内直径D0=7m，设计基本风压W0=0.35kN/m2，抗震设防烈度7 度，场地类别为Ⅱ类，地面粗糙程度为B 类。排烟筒内烟气温度Tg1=145℃，钢筋混凝土承重外筒与砖砌排烟筒间夹层温度Tg2=41.5℃+10 =51.5℃ ℃（夏季工况）和Tg2=10℃（冬季工况），夏季极端最高温度 Ta=41.5℃，冬季极端最低温度Ta=-3.7℃。套筒式烟囱筒身有钢筋混凝土承重外筒、砖砌排烟筒（含耐酸砂浆封闭层和保温隔热层）、斜撑式支撑平台、积灰平台、内烟道和其他附属设施组成。斜撑式支撑平台是由钢筋混凝土承重环梁、钢支柱、平台钢梁、平台剪力撑和平台钢格栅板组成，支撑平台沿筒身高度25m 间距设置，共9 层，标高分别为30.0m、55.0m、80.0m、105.0m、130.0m、155.0m、180.0m、205.0m和230.0m。

2.2 计算机辅助设计

2.2.1 启动程序

套筒式烟囱CAD 系统本质为一.arx 动态链接库，启动AutoCAD 后选择“工具”-＞“加载应用程序”，选择chimney.arx，运行程序，套筒式烟囱CAD 系统运行界面如图4 所示。

图4 套筒式烟囱CAD 系统菜单和工具栏

2.2.2 建立模型、预览

在总体信息中输入烟囱总高、顶部内直径、温度信息、地震、风荷载信息；在材料信息中输入材料的重力密度、导热系数；外筒分节信息中输入外筒参数，如分层高度、筒壁厚度、坡度、混凝土强度等级等；在砖内筒分节信息中输入平台总数、各个平台高度、各分节砖烟囱砌体厚度、封闭层、保温层厚度、筒壁坡度等；支撑平台、洞口信息中输入各平台钢梁长度、钢支柱长度、选用规格、钢筋混凝土环梁宽度、高度、角度、重心半径、各个分节洞口宽度、高度等。通过前处理模块实现计算模型的建立及预览如图5 所示。

2.2.3 计 算

前处理完成之后点击“计算”会实现对烟囱的计算，通过“砖内筒-支撑平台-外筒”顺序显示计算结果，各个模块显示其中涉及到的计算，如自重计算、风荷载、动力特征、地震荷载、温度计算、附加弯矩等的详细计算信息，通过计算模块实现对烟囱动力特征的计算数据如图6 所示。

2.2.4 生成施工图

点击“钢筋混凝土外筒计算”对话框（见图6）中“施工图”按钮，实现施工图的自动绘制，结果如图7（筒身布置图）、图8（0m─80m 烟囱竖向配筋图）、图9（断面图）所示。

图5 烟囱建模、预览

图6 烟囱计算

图7 筒身布置图

图8 0m─80m 烟囱竖向配筋图

图9 断面图

3 结 束 语

基于ObjectARX 的套筒式烟囱CAD 系统的开发，根据烟囱最新规范，将烟囱设计的前处理、结构分析和后处理集为一体，解决了从内筒到外筒到支撑平台的自动导荷计算的问题，并考虑了砖内筒置于平台上时的特殊计算，最终实现了砖砌排烟筒内筒式套筒烟囱的上部结构从计算模型建立到配筋计算到施工图纸的自动绘制。实例表明，该系统具有界面友好、操作简单、计算准确可靠、绘图迅速等特点。该系统的研制为套筒形式的烟囱设计提供了一种较为快捷、方便的设计方法，拓展了烟囱CAD 的应用范围，为提高我国烟囱设计的自动化水平做出了有益探索。

[1] 黄志群. 钢盘砼烟囱的计算机辅助设计系统的研究[D]. 西安： 西安建筑科技大学, 2001.

[2] 张亚飞. 钢筋混凝土烟囱的CAD 开发[D]. 大连： 大连理工大学, 2003.

[3] 张玉峰, 龚节福, 田树桐, 等. 新一代钢筋混凝土烟囱CAD 软件的研制[J]. 武汉大学学报(工学版), 2007, 40(增刊)： 455-458.

[4] 蔡洪良, 牛春良. 套筒式砖内筒钢筋混凝土烟囱内筒及平台受力分析[J]. 特种结构, 2004, 21(3)： 51-59.

[5] SH 3048―1999, 石油化工钢制设备抗震设计规范[S].

[6] 牛春良. 烟囱工程手册[M]. 北京： 中国计划出版社, 2004. 362-374.

[7] GB 50051―2002, 烟囱设计规范[S].

[8] 邵俊昌, 李旭东. AutoCAD ObjectARX2000 开发技术指南[M]. 北京： 电子工业出版社, 2002. 99-104.

[9] 王子茹, 任清波. 基于VC++的DXF 数据文件的接口[J]. 厦门理工学院学报, 2007, 15(1)： 26-30.