Venlo型温室结构设计软件的开发与应用

程亮+邓碧鹰+林峰

【摘要】目前市场上的温室结构设计软件存在无法按三维模型计算、施工图难以满足工程要求等不足，基于AutoCAD平台开发了用于Venlo型温室结构设计软件GreenHouse。GreenHouse操作方便、计算准确、功能齐全。软件分为前处理、核心计算和后处理三大模块，快速建模可提升建模效率，三维模型计算可提高内力分析的准确性，详细计算书和施工图的输出方便工程师应用，并以工程实例说明了软件的功能和应用情况。

着中国农业的不断发展，温室结构的应用也越来越广。Venlo型温室因其安装简便、透光率高、密封性好等特点，在中国得到了较为广泛的应用[1]。目前，对温室结构设计软件的需求日益强烈。国内科研院所也先后开发了温室结构设计软件[2-3]，但仍存在不足，如不能按三维模型进行计算、无法考虑空间作用、施工图难以满足设计需要等。针对这一现状，本文开发了一款针对Venlo型温室的结构设计软件GreenHouse。该软件能够进行Venlo型温室结构的设计与三维模型计算，具有建模快捷、构件种类丰富、能生成详细施工图等优点。

软件功能特色

GreenHouse软件具有集成化的交互界面（图1），模型的建立、计算以及结果的显示都在同一个界面下进行。软件基于AutoCAD平台，可以直接使用CAD功能进行视图平移、缩放、模型旋转等操作。软件主要分为前处理、核心计算和后处理3大模块。前处理模块包括快速建模、构件编辑和荷载编辑，核心计算和后处理模块分别用来进行结构分析和计算结果的输出（图2）。

前处理模块

快速建模是GreenHouse软件前处理模块中至关重要的一步，它可以完成标准形式温室模型的轴网、构件及荷载信息的快速定义。对话框分为“拼接模块定义”“轴网定义”“总信息”3部分，依次设置完成后即可生成温室模型，实现步骤：①定义桁架及拼接模块的形式；②通过拼接模块的排列，定义X向轴线的立面形式；③定义X向轴线的间距（即Y向轴网尺寸）形成模型的轴网；④生成屋面构件，包括水槽、屋脊、屋顶条；⑤删除温室X向轴线最外侧立面桁架并在水槽下方布置立柱，在Y向轴线最外侧立面增加轴线间的抗风柱，布置墙梁构件，形成整体模型；⑥总体定义温室的荷载。

快速建模可显著提高建模效率。通过3个简单的对话框就可以确定模型的大部分结构设计信息，再通过对部分构件和荷载的编辑及荷载组合定义即可建立完整温室结构模型。GreenHouse软件的快速建模功能支持建立高低跨模型、变跨度模型以及带托架的模型，还支持铝合金材料的定义以及某些特殊钢材的定义。快速建模过程中，能够定义构件的材料、截面、屋顶条和墙梁的布置形式。温室结构的一些构件（如水槽、屋脊）常采用异型截面，软件能够通过直接获取CAD图形来定义异型截面并进行承载力验算，使得软件计算结果更加全面可靠。软件将桁架作为整体进行定义和编辑，大大提高了构件截面设置的效率。软件还对构件的连接方式进行了默认定义，如屋顶条两端为铰接、桁架中腹杆两端铰接、小立柱顶部为铰接等，用户可在快速建模之后通过“修改连接方式”功能对构件两端的连接方式进行修改。在属性编辑中，还可修改构件的材料、截面、方位角、计算长度系数以及柱的支座标高。

荷载定义关系到温室结构设计的安全性[4]。GreenHouse软件的“荷载定义”功能包括节点荷载、构件荷载和屋面荷载的定义，以及风荷载体型系数和荷载工况组合的定义。在节点荷载定义中，用户可以在模型的节点上施加集中力或集中弯矩。在构件荷载定义中，可以在柱、支撑、桁架上弦杆、桁架下弦杆上施加集中荷载或分布荷载。总体的屋面荷载和风荷载体型系数在“快速建模”中已经进行了设置，“荷载编辑”下的2项功能能够进行局部的调整。荷载工况包括永久荷载、屋面活荷载、作物荷载、运动设备荷载、施工检修荷载、雪荷载及4個方向的风荷载，其中作物荷载以构件荷载的形式施加在桁架下弦杆上。各工况的组合定义支持按GB/T 51183-2016《农业温室结构荷载规范》及GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》的组合生成，也可进行手动修改。

国内现行的GB/T 18622-2002《温室结构设计荷载》中的大部分内容，是引用自GBJ 9-1987《建筑结构荷载规范》，部分内容已不适用于当前温室结构的设计。GB/T 51183-2016《农业温室结构荷载规范》的规定更详尽明确，目前已有很多工程师将其作为温室结构的设计依据，GreenHouse软件在荷载组合上给出的多种选择可以更好地满足工程师的需要。

结构计算模块

结构分析模块的主要功能是对前处理模块中建立的模型进行结构计算，主要结构计算模块包括荷载导算、有限元计算、构件验算（图3）。

在GreenHouse软件中，构件分为立柱、屋顶条、屋脊、水槽、支撑和墙梁，均为杆单元。而桁架在前处理模块中虽然是一个整体，但转化为有限元模型时，依然将桁架各杆件作为独立单元分析，类型为杆单元。所以在温室结构中，有限元分析模型的实质为杆系有限元模型。GreenHouse软件对建立好的有限元模型进行求解即可求得单元的变形和内力。目前对于温室结构的研究常采用平面结构的方法，将温室空间整体结构简化为由柱梁（忽略桁架的横向轴向变形）组成的平面排架结构[5]，国内温室结构设计软件也均采用简化后的平面模型进行设计计算。但这种简化使得结构空间作用的效果无法体现，计算结果偏于保守。GreenHouse软件在进行内力计算时是按三维模型进行计算，这种计算方式会考虑不同榀框架之间的相互作用，尤其在结构竖向荷载分布不均匀[6]或纵向存在支撑时[7]，其作用效果会非常明显。软件内力计算结果的正确性也通过与SAP2000三维模型进行内力对比得到了验证。

后处理模块

后处理模块的主要功能是对结构计算模块中计算所得的数据结果进行显示，方便用户快捷查看计算结果（图4）。