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系统概要设计文档 结 01 班 孙启力 2010010119 1 Reinforce Concrete Lifecycle Analysis(Rc-La)系统概要设计文档 撰写人：孙启力 2010010119 单 位：清华大学土木工程系结 01 目目 录录 1.引言.2 1.1 编写目的.2 1.2 背景.2 1.2.1 项目名称.2 1.2.2 任务提出.2 1.3 定义.2 1.4 参考资料.2 2.总体设计.3 2.1 需求规定.3 2.1.1 系统功能.3 2.1.2 系统性能.5 2.2 运行环境.5 2.2.1 设备（对主机）要求.5 2.2.2 支持软件要求.5 2.2.3 接口.6 2.3 基本设计概念和处理流程.6 2.3.1 原则和方法.6 2.3.2 系统工作典型流程.6 2.4 结构.7 2.5 功能需求与系统模块的关系.7 2.6 人工处理过程.7 3.用户界面设计.7 3.1 主界面设计.7 3.2 对话框设计.8 3.2.1 建筑设计模块.8 3.2.2 结构设计模块.9 3.2.3 施工分析模块.11 3.2.4 正常使用模块.11 4.程序结构设计.12 5.数据结构设计.12 6.数据库设计.12 7.出错处理设计.13 系统概要设计文档 结 01 班 孙启力 2010010119 2 1.引言 1.1 编写目的 本文档的编写目的是为 Rc-La 结构设计系统项目的开发提供：（1）软件总体要求，作为用户和软件开发人员之间了解的基础；（2）功能、性能、接口和可靠性的要求，作为软件人员进行设计和编码的基础；（3）验收标准，作为用户确认测试的依据。预期读者是委托方、开发方与用户。1.2 背景 1.2.1 项目名称 Reinforce Concrete Lifecycle Analysis(Rc-La)：钢筋混凝土框架结构全生命周期结构设计系统 1.2.2 任务提出 在当今中国，土建事业蓬勃发展，庞大的需求和快速的节奏给不论是施工单位、业主还是设计单位提出了更高的要求。尤其是对于结构设计人员，工程复杂，运算庞大，使用辅助软件进行结构设计成为了硬性需求。但现实中，结构设计师从建筑师拿到的方案并不能直接作为结构设计的模型，此时又需要重新建立模型，这无疑增加了重复工作，平白耗费精力。另一方面一旦项目的实施过程中遇到了问题，就要出变更，做相应补救措施等进行问题的解决，对于结构设计人员甚至要重新建模计算。究其原因，是在设计时，各专业设计师之间的沟通不到位，而出现各种专业之间的碰撞。目前工程中一般的沟通媒介为文档或图纸，它们只能实现平面对平面、立面对立面地进行协同设计，但现实中的物体是存在于一个三维空间中的，不同专业关心和处理的对象，如建筑、结构、设备等构件在建筑空间中是发生作用和关系的。它们之间是否有矛盾、是否碰撞，单靠二维图检查往往很难发现。另一方面，目前少有既能集成建筑结构设计与施工管理，又可基于建筑全生命周期的结构计算平台，这无疑是一块极富市场前景的空白。可喜的是，BIM 技术目前在全球范围内蓬勃发展；BIM 技术以全生命周期信息共享理念与模式、面向对象技术、多维模型、开放式数据标准、参数化技术等为核心内容，具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性等优势。故对可实现建筑信息从设计到结构设计到施工快速有效传递、为建筑全生命周期提供设计计算服务软件的开发迫在眉睫。1.3 定义（1）Reinforce Concrete Lifecycle Analysis(Rc-La)：钢筋混凝土框架结构全生命周期结构设计系统 （2）Building Information Modeling（BIM）：建筑信息模型 （3）DLL：动态链接库（4）Database Task Group（DBTG），数据库任务组（5）Industry Foundation Classes（IFC）,开放的建筑产品数据表达与交换的国际标准 1.4 参考资料 （1）计算机软件工程规范（2）软件开发基础教程 程国英-钱小平编著 系统概要设计文档 结 01 班 孙启力 2010010119 3 2.总体设计 2.1 需求规定 2.1.1 系统功能 本系统要求实现四个功能：建筑设计、结构设计、施工分析及正常使用分析（一）（一）功能一：功能一：建筑设计建筑设计 此模块含有功能如下（1）打开已有模型文件 用户输入：单击导入按钮，选择建筑模型文件，点击确定 系统处理：将信息添加到数据库，调用 Autocad 绘图功能呈现模型形象。系统输出：可转化成为结构设计数据文件。（2）自定义族库模型 用户输入：单击自定义，选择族文件类型，点击确定 系统处理：调用相应数据库，执行编辑功能，将模型信息按照标准化集成在一起。系统输出：新的族库文件。（3）加载构件族库模型，属性修改 用户输入：单击导入按钮，选择包含的族库模型，点击确定 系统处理：打开属性对话框，设置模型参数，调用 AutoCAD 绘图程序，并将添加的族库建筑和结构信息加入数据库。系统输出：保存后形成建筑信息文件，并成为结构设计数据文件。（4）建筑设计图细化 用户输入：非结构部分且难以族库化的构件点线面数据 系统处理：调用 AutoCAD 普通的三维建模工具 系统输出：保存后添加到建筑信息文件（5）生成结构模型文件 用户输入：单击“生成构建模型文件”命令 系统处理：根据转换标准将建筑信息文件转换成结构设计数据文件（包含 SATWE、TAT支持形式）系统输出：保存后添加到结构设计数据文件（二）（二）功能二：功能二：结构设计结构设计 此模块含有功能如下 （1）加载族库模型，属性修改 用户输入：单击导入按钮，选择族库模型，点击确定 系统处理：打开属性对话框，设置模型参数，调用 AutoCAD 绘图程序，并将信息加入数据库。系统输出：保存后形成建筑信息文件，并成为结构设计数据文件。（2）自定义族库模型 用户输入：单击自定义，选择族文件类型，点击确定 系统处理：调用相应数据库，执行编辑功能，将模型信息按照标准化集成在一起。系统概要设计文档 结 01 班 孙启力 2010010119 4 系统输出：新的族库文件 （3）打开已有模型文件 用户输入：单击导入按钮，选择结构设计文件（支持 SATWE 输出文件），点击确定 系统处理：将信息添加到数据库，调用 Autocad 绘图功能呈现模型形象 系统输出：成为结构设计数据文件。（4）定义荷载工况 用户输入：荷载模式、荷载工况、荷载组合、节点梁单元板单元墙单元荷载定义、地震荷载时程文件输入 系统处理：荷载信息添加到数据库 系统输出：荷载示意图（5）结构计算 用户输入：选择弹性或塑性分析，开始运算 系统处理：调用内置的结构计算程序，生成内力信息 系统输出：结构内力信息（6）显示 用户输入：选择整体或某构件内力位移应力应变 系统处理：查询对应的内力信息数据库 系统输出：生成相应的云图或表格（7）设计功能 用户输入：选择依据规范，给出相应的构造需求 系统处理：调用内置的结构设计程序，迭代产生最优的截面形式和配筋 系统输出：经优化的结构数据文件（三）（三）功能三：功能三：施工分析施工分析 比模块包含以下功能：（1）施工信息文件导入：用户输入：单击导入按钮，选择施工顺序及工况文件，点击确定 系统处理：将信息添加到数据库，调用 Autocad 绘图功能呈现模型形象 系统输出：添加到为结构设计数据文件。（2）添加施工信息：用户输入：工程施工顺序，施加施工工况 系统处理：将信息添加到数据库，调用 Autocad 绘图功能呈现模型形象 系统输出：添加到为结构设计数据文件。（3）分析计算：用户输入：补充施工阶段工况 系统处理：调用内置的结构设计程序，迭代法及有限元法计算各阶段内力 系统输出：经优化的结构数据文件（4）结果显示 用户输入：选择“显示危险位置”命令 系统处理：查询分析计算产生的结构数据文件及内置施工指导手册 系统概要设计文档 结 01 班 孙启力 2010010119 5 系统输出：图示或表格显示危险位置，并给出建议（5）建筑设计图细化 用户输入：非结构部分且难以族库化的构件点线面数据 系统处理：调用 AutoCAD 普通的三维建模工具 系统输出：保存后添加到建筑信息文件（6）生成施工图 用户输入：选择“生成施工图”命令 系统处理：调用 AutoCAD 文件格式编码转化功能 系统输出：图形显示或输出施工图文件（四）（四）功能四功能四：正常使用正常使用分析分析 （1）输入变形信息 用户输入：工程误差、设计变更、沉降变形 系统处理：修改结构设计模型 系统输出：实际工程的结构设计数据文件（2）分析计算 用户输入：选择“使用阶段分析”系统处理：调用内置的结构设计程序，迭代法及有限元法计算内力裂缝 系统输出：结构数据文件（3）显示输出 用户输入：选择“显示输出”命令 系统处理：查询分析计算产生的结构数据文件及内置指导手册 系统输出：文档或表格输出变形信息、裂缝信息，并提供提供结构加固建议 2.1.2 系统性能 该系统对软硬件提出的性能要求主要是运算的速度，因为有限元分析需要进行大量的计算，而对于工程结构来讲更加复杂，所以要求系统快速准确的进行结构计算，这对设备的CPU 运算速度提出了要求。另一方面，精度也是较为重要的控制因素，因为涉及后续配筋设计的计算以及云图内力图的绘制，对运算数据的精度提出较高要求。因为系统是建立于 AutoCAD 的二次开发，所以可靠性需要保证，防止 AutoCAD 崩溃。2.2 运行环境 2.2.1 设备（对主机）要求 CPU：双核处理器，主频在 1GHz+内存：至少 512M。硬盘空间：1G 显卡需求：显存 512M+声卡需求：无 2.2.2 支持软件要求 操作系统：Windows XP,Windows 7,Windows 8 开发语言：C+系统概要设计文档 结 01 班 孙启力 2010010119 6 支撑软件：Autodesk AutoCAD，PKPM 2.2.3 接口（1）用户接口：正常操作：支持对话框或导入已有文件的方式输入模型信息 中断处理：运算时可强制停止 改错方式：点选对应族库化杆件单元，直接修改参数（2）硬件接口 鼠标接口、绘图仪接口（3）软件接口 1）库函数 VS（包含 MFC）库函数 ObjectARX 库函数 2）数据库 Rc-La 系统基于 AutoCAD 已有的数据库完善数据库，包含建筑全生命周期各种信息，并且各阶段间数据有关联。2.3 基本设计概念和处理流程 2.3.1 原则和方法 程序设计原则：模块化设计 程序设计方法：面向对象方法（BIM 核心技术）2.3.2 系统工作典型流程 建筑模型建立结构模型建立加载族库模型修改属性添加非结构构件荷载工况施加建立几何框架设置材料属性定义截面属性内力计算配筋设计选定规范选定设计方案选择工况及组合选择分析方案施工阶段验算输出施工图输入实用信息文件输入结构数据文件输出结果添加施工信息分析显示正常使用计算使用荷载更新变形沉降输入输入施工工程文件输出变形裂缝 系统概要设计文档 结 01 班 孙启力 2010010119 7 2.4 结构 建筑设计模块建筑设计模块结构设计模块结构设计模块施工分析模块施工分析模块正常使用模块正常使用模块 2.5 功能需求与系统模块的关系 建筑设计 模块 结构设计 模块 施工分析 模块 正常使用 模块 AutoCAD 自带绘图命令 功能需求一 功能需求二 功能需求三 功能需求四 细部设计 2.6 人工处理过程 在整个建模和荷载工况定义过程中，皆需要人工处理。3.用户界面设计 3.1 主界面设计 本系统依然保留 AutoCAD 的默认界面和设计风格，考虑到 CAD 原界面中的工具栏和菜单已经比较饱和，因此尽可能采用简洁的下拉菜单式设计，然后利用弹出对话框进行交互式操作。加载自定义 cui 文件 Rc-La.cuix。选择 AutoCAD 经典工作空间。建筑设计模块：结构设计模块：系统概要设计文档 结 01 班 孙启力 2010010119 8 施工分析模块：正常使用模块：3.2 对话框设计 3.2.1 建筑设计模块 打开已有模型文件：加载构件族库模型：系统概要设计文档 结 01 班 孙启力 2010010119 9 生成结构模型文件：3.2.2 结构设计模块“打开已有模型”与加载族库模型同 3.2.1 定义荷载工况：系统概要设计文档 结 01 班 孙启力 2010010119 10 结构计算：显示：系统概要设计文档 结 01 班 孙启力 2010010119 11 设计：3.2.3 施工分析模块“添加施工信息”对话框同“打开”对话框“分析计算”对话框同“运算”对话框“结果显示”对话框同“显示”对话框“施工图输出”对话框同“输出”对话框 3.2.4 正常使用模块 输入变形信息：系统概要设计文档 结 01 班 孙启力 2010010119 12 “分析计算”对话框同运算对话框 显示输出：4.程序结构设计 本系统采用模块化的设计方法，把软件设计成相对独立、功能单一的若干模块，如 2.4中所述四大模块，每个模块可以单独地开发、测试，最后组装成完整的程序。它们各自完成一个子功能，使系统逻辑清晰、层次分明，同时也便于测试和维护。同时本系统采用面向对象的设计方法，引入类似 revit 的族类，让对象和类对应现实中的事物，比如梁单元、板单元等。而将其各种属性作为其成员变量进行存储，提高系统的开发效率质量的同时，可以实现信息封装的安全性，并具有易扩展的能力。5.数据结构设计 因为本系统是基于 AutoCAD 平台开发的，故对各操作的存储结构同 AutoCAD，采用支持 Undo 的类似站和队列的数据结构。而对于基本元件由于本系统采用面向对象的程序设计方法，利用族库定义不同的元件，每个元件都包含几何属性材料属性和变形裂缝特性等全生命周期信息，故构件之间的关系可以用有向图的方式存储。6.数据库设计 因为系统服务于全生命周期，故数据库需包含任意构件的全周期信息。本系统采用网状系统概要设计文档 结 01 班 孙启力 2010010119 13 数据库系统中典型的 DBTG 处理以记录类型为结点的网状数据模型，系主记录类型记录建筑、结构设计中的对象，比如梁、板、柱等。系类型。成员记录类型记录包括对象的几何材料属性，变形内力数据，施工和正常使用信息。DBTG 的优势是可以处理模糊数据，因为面向全周期的软件势必包含大量不完全性和不确定性，进行模糊运算。同时本系统用户来自工程的各个阶段，各模块需共享数据库，故数据库要求通过内部接口与其他模块连接，通过外部接口支持数据导入；具备齐全的数据存取查询功能。采用 IFD编码规则，解决信息交换时信息的语义问题，依照 IFC 开放式数据标准格式提供信息。7.出错处理设计 在系统设计 debug 的过程中采用包含 assert 宏，捕获不可控制异常。同时在测试阶段汇总常见的错误及其处理方法，形成帮助文档，供使用者参考。用一览表的方式说明可能的出错和故障情况出现时，系统输出信息、形式和含义。系统发布前期，开展用户反馈计划，获取最新的系统运行状况，出现问题最快时间发布补丁，或更新系统，开发更新版本 对于出错时的处理，采用组织维护团队，通过 Email 与用户联系，随时出面解决系统问题。