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摘要：本文根据大跨度P.C.变截面连续箱梁和连续刚构的技术特点和设计实践，结合计算机辅助设计技术，分析了大跨度P.C.变截面连续箱梁（刚构）设计绘图CAD软件的需求；基于软件的易用性、健壮性和可扩展性，阐述了软件研发技术要点和模块架构设计，实现该类桥梁的三维可视化智能设计。
关键字：变截面连续箱梁；变截面连续刚构；桥梁软件；CAD；辅助设计
中图分类号：S611文献标识码： A
The Research of Large-span P.C. Continuous Box Girder and Continuous Steel Frame with Variable Cross Section Design and Drawing System
Abstract：Based on the technical characteristic and design practice of long-span P.C. variable cross-section continuous box bridge and continuous rigid frame bridge, Combined with the technology of Computer-aided design, the design and drawing CAD software requirements of long-span P.C. variable cross-section continuous box bridge and continuous rigid frame bridge is analyzed in this paper; Based on the software usability, robustness and expandability, R&D technical points and the modular architecture design of the software is described in the paper. The software enables three-dimensional visualization intelligent design of all kinds of bridge.
Key words: Continuous Box Girder with Variable Cross Section; Continuous Steel Frame with Variable Cross Section; Bridge software; CAD; Aided Design
1.引 言
预应力混凝土（P.C.）变截面连续箱梁和连续刚构是公路中常见的桥型，相对于等截面现浇箱梁和装配式桥梁而言跨越能力较强，相对于斜拉桥和悬索桥而言建设费用较低，所采用的主材-混凝土相对于钢材而言便于就地取材且造价较低，因此在桥梁建设中得到了广泛使用，尤其在山区高速公路上更是跨越沟壑和河流的首选大跨度桥梁方案，该类桥梁常用跨径范围是50m～165m，最大跨径已经超过300m。
我国公路建设由东部平原微丘地区向西部山区延伸，受复杂地形条件限制，一条高速公路中可能存在一座甚至是多座大跨度的变截面连续箱梁或连续刚构桥，并成为整个线路中的重点工程及控制性工程。一方面，该类桥梁设计方案可能经多次反复，对设计周期影响较大，采用传统手工绘图时，其设计进度及设计质量均难以保障；与此同时，现有桥梁设计软件主要集中在结构计算领域，仅有的几款桥梁绘图软件也局限于预制或现浇规则桥梁的设计绘图，其参数化、智能化功能明显不足，极少涉及大跨度变截面连续箱梁或连续刚构等非规则桥梁的设计绘图。
随着建筑工艺的不断提高，设计和施工经验的逐步积累，大跨度P.C.变截面连续箱梁和连续刚构桥型己日渐成熟。鉴于此类桥梁需求的不断扩大和现有桥梁绘图软件的明显不足，迫切需要对大跨度P.C.变截面连续箱梁（刚构）设计绘图CAD软件展开研究，以实现该类桥梁的可视化智能设计，提高设计质量、加快设计进度、降低设计成本。
2.需求分析
需求分析是软件工程中的一个关键过程，优秀的软件产品是建立在优秀的需求基础之上的，只有确定了软件需求后才能够分析和寻求系统的解决方法。根据国内外大跨度P.C.变截面连续箱梁和连续刚构的技术特点和设计实践，综合评估软件的应用范围和研发成本，我们可以从功能需求和非功能需求两个方面对软件展开需求分析。
2.1.功能需求
在大跨度P.C.变截面连续箱梁和连续刚构桥梁设计过程中，总体布置和结构构造是设计工作的第一步，也是关键环节。
1）项目管理
软件主要功能是完成大跨度P.C.变截面连续箱梁和连续刚构的上部结构设计绘图，不涉及桥梁下部结构，宜采用一联桥为一个项目的方式进行项目管理。
2）桥跨布置
软件约定支持桥型为变截面连续箱梁和变截面连续刚构，作为连续结构，要求桥梁孔数至少两孔，考虑结构受力合理，要求两边孔跨径相同，所有中孔跨径相同。
3）施工方法
本类桥梁的施工方法包括悬臂浇筑、悬臂拼装、满堂支架现浇等多种，软件按使用最多的两种进行考虑，即悬臂浇筑和满堂支架现浇。
4）平面布置
桥梁的平面布置取决于路线的方向、及河流或被交线路的夹角，并受桥位地质、地形的制约，通常有正交、斜交两种布置方式。作为大跨度桥梁，变截面连续箱梁（刚构）一般为正交等宽。
5）桥梁截面
箱形截面具有良好的抗弯和抗扭性能，是连续梁桥或连续刚构的首先形式，软件约定为单箱单室或单箱多室箱梁。在细部构造方面，结合国内外设计实际情况，要求边腹板支持直腹板和斜腹板；横坡支持平坡、單向坡和双向坡三种情况；箱梁悬臂及箱室内倒角支持一次和二次。
6）梁高曲线
变截面梁的梁高变化曲线一般采用圆弧线、抛物线、折线等，部分桥梁在设计时会在跨中设置一段等高段，软件对梁高变化曲线约定为y=axn+b，并允许以跨中为中心设置等高梁段。同时，结合桥梁设计需求，箱梁底板高度采用抛物线过渡，箱梁腹板厚度采用折线过渡。
7）零号块构造
综合考虑连续箱梁和连续刚构的零号块结构，软件支持下图所示四种构造形式，第一种为空心截面形式，第二种为实心截面形式，第三种为双室截面形式，第四种为单室加强截面形式。
图1：零号块结构图
2.2.非功能需求
作为一个优秀的桥梁设计软件，除满足功能需求和确保成果正确外，还需要综合考虑软件易用性、健壮性、可扩展性和可移植性。
1）易用性
易用性是用户对软件的易使用性、质量、效率以及效果的感觉，是交互的适应性、功能性和有效性的集中体现。桥梁设计绘图软件除采用模块化的界面输入方式外，还应结合设计实践和用户习惯，采用可视化输入技术来提高软件易用性，包括用户输入前以动态示意图方式智能提示参数意义、用户输入后以三维效果图方式动态显示桥梁模型等。
2）健壮性
健壮性是指软件在异常输入情况下能够正常运行的能力，包括容错能力和恢复能力。大跨度P.C.变截面连续箱梁和连续刚构因结构复杂，设计过程中所涉参数众多，并相互影响相互制约，软件必须具备强大的容错能力和恢复能力，可对用户输入参数进行匹配检查，发现错误时能精准定位并智能提示修正。
3）可扩展性
可扩展性是软件设计的原则之一，它以添加新功能或修改完善现有功能来考虑软件的未来成长，桥梁设计绘图软件除实现其预定功能规划外，还应具备规范扩展性和功能扩展性，前者可以使软件同时符合多国技术标准（规范），走向国际市场；后者可以使软件具备功能扩展，扩大应用范围。
4）可移植性
可移植性是软件质量之一，良好的可移植性可以提高软件的生命周期，为有效提高软件的应用范围和使用期限，桥梁设计绘图软件除支持主流的AutoCAD平台外，还应考虑优秀的国产CAD，例如中望CAD、浩辰CAD等。
3.系统设计
系统设计是把需求转化为软件系统的最重要的环节，在根本上决定了软件系统的质量，除功能外，软件的正确性、易用性、健壮性、可扩展性、可移植性等质量因素也是本阶段的重点设计指标。系统设计分为概要设计和详细设计两个阶段，前者是设计软件的功能模块，层次结构，调用关系等；后者是把每个模块的功能描述转变为精确的、结构化的过程描述。限于篇幅，本文只阐述软件的概要设计部分。
3.1.开发工具
依据软件需求，结合现有计算机辅助设计技术，大跨度P.C.变截面连续箱梁（刚构）设计绘图CAD软件研发过程中所涉开发工具包括：
1）软件采用Microsoft Visual C++开发，Microsoft Visual C++是Microsoft公司推出的Win32环境开发程序，面向对象的可视化集成编程系统，具有程序框架自动生成、类管理灵活方便、界面设计集成交互等优点。
2）界面交互功能采用MFC，MFC（Microsoft Foundation Classes）是微软公司提供的基础类库，以C++类的形式封装了Windows的API，并包含一个应用程序框架和大量控件组件封装类。
3）和Excel的表格交互功能采用COM，COM（Component Object Model）即组件对象模型，作为可动态互变组件的规范，提供了二进制标准，是一种跨应用和语言共享二进制代码的方法。
4）设计绘图功能采用ObjectARX，ObjectARX是AutoDesk公司针对AutoCAD平台上的二次开发而推出的一个开发软件包，它提供了以C++为基础的面向对象的开发环境及应用程序接口，能真正快速的访问AutoCAD图形数据库。同时，采用ObjectZRX和ObjectGRX接口，使软件可同时支持ZWCAD（中望）和GstarCAD（浩辰）。
5）可视化功能采用OpenGL技术，OpenGL（Open Graphics Library）是美国SGI公司开发的一个功能强大的硬件无关图形软件应用程序接口API，在三维图形的绘制和操作、纹理映射以及光照模型设置方面都具有很强的二次开发功能，因此它已经成为一个性能卓越的三维图形工业标准，广泛用于基础CAD平台和应用软件开发。
3.2.模块划分
为提高模块的通用性和可扩展性，将软件功能模块整体划分为基础部分和应用部分两类，基础部分适用于所有桥梁的设计绘图，应用部分适用于本软件的设计绘图。
1）基础部分
基础部分为通用模块，是软件的基础组件，由数学模块、视图模块、绘图模块、界面模块、系统模块、专业模块及分析模块组成，数学模块定义点、直线、圆等基础数学对象，提供几何、矩阵等基本数学运算功能；视图模块提供二维示意图和三维效果图功能，基于OpenGL技术和数学模块支持；绘图模块提供AutoCAD等多个图形平台的绘图功能，基于ObjectARX等技术和数学模块支持；界面模块提供软件通用的界面控件和组件，基于MFC技术；系统模块提供操作系统或办公软件的交互功能，也提供基础的文件读写功能，基于MFC和COM等技术和数学模块支持；专业模块提供桥梁专业计算分析和行业技术标准（规范）功能，基于数学模块支持；分析模块提供绘图过程中钢束几何分析和钢筋智能布置等功能，基于数学模块支持。
2）应用部分
应用部分为专有模块，是软件的核心组件，由对象模块、界面模块和绘图模块三部分组成，其中对象模块为应用部分的基础模块。
对象模块提供变截面箱梁（刚构）中的所有基础对象，包括工程项目信息、一般构造、预筋构造、普通钢筋及附属构造等，其中预筋构造和普通钢筋还细分为单个对象；界面模块主要提供用户交互功能，采用可视化技术辅助用户输入原始数据，并具备数据检查和自动修正功能；绘图模块提供变截面箱梁（剛构）的图纸绘制功能，即软件成果输出，并具备钢筋碰撞检查和布置优化功能。
图2：软件模块结构设计图
4.总结
大跨度P.C.变截面连续箱梁（刚构）设计绘图CAD软件大研发对我国山区高速公路建设有重要意义，可有效提高该类桥梁的设计质量，加快设计进度、降低设计成本。本文系统分析了软件的需求，阐述了研发技术要点，并从软件的可扩展性和可移植性出发，对软件模块进行了合理划分。
参考文献
[1] 徐岳 王亚君 万振江. 预应力混凝土连续梁桥设计[M]. 北京:人民交通出版社,2000
[2] 杨安 葛胜锦 潘长平等. 基于中望CAD平台的二次开发技术. 交通科技[J]. 2010.4(7)
[3] 彭卫兵 周康 潘国帅. 桥梁CAD设计软件研究进展与展望.浙江工业大学学报[J]. 2009.5(10)
[4] 黄羚 刘明生 任伟新. 基于工程图形对象的桥梁软件开发方法. 公路交通科技[J]. 2005.1(1)
[5] 王伟华 杨永平 王海蛟. 悬浇变截面预应力混凝土连续刚构桥设计的几点体会. 黑龙江交通科技[J]. 2005
关键字：变截面连续箱梁；变截面连续刚构；桥梁软件；CAD；辅助设计
中图分类号：S611文献标识码： A
The Research of Large-span P.C. Continuous Box Girder and Continuous Steel Frame with Variable Cross Section Design and Drawing System
Abstract：Based on the technical characteristic and design practice of long-span P.C. variable cross-section continuous box bridge and continuous rigid frame bridge, Combined with the technology of Computer-aided design, the design and drawing CAD software requirements of long-span P.C. variable cross-section continuous box bridge and continuous rigid frame bridge is analyzed in this paper; Based on the software usability, robustness and expandability, R&D technical points and the modular architecture design of the software is described in the paper. The software enables three-dimensional visualization intelligent design of all kinds of bridge.
Key words: Continuous Box Girder with Variable Cross Section; Continuous Steel Frame with Variable Cross Section; Bridge software; CAD; Aided Design
1.引 言
预应力混凝土（P.C.）变截面连续箱梁和连续刚构是公路中常见的桥型，相对于等截面现浇箱梁和装配式桥梁而言跨越能力较强，相对于斜拉桥和悬索桥而言建设费用较低，所采用的主材-混凝土相对于钢材而言便于就地取材且造价较低，因此在桥梁建设中得到了广泛使用，尤其在山区高速公路上更是跨越沟壑和河流的首选大跨度桥梁方案，该类桥梁常用跨径范围是50m～165m，最大跨径已经超过300m。
我国公路建设由东部平原微丘地区向西部山区延伸，受复杂地形条件限制，一条高速公路中可能存在一座甚至是多座大跨度的变截面连续箱梁或连续刚构桥，并成为整个线路中的重点工程及控制性工程。一方面，该类桥梁设计方案可能经多次反复，对设计周期影响较大，采用传统手工绘图时，其设计进度及设计质量均难以保障；与此同时，现有桥梁设计软件主要集中在结构计算领域，仅有的几款桥梁绘图软件也局限于预制或现浇规则桥梁的设计绘图，其参数化、智能化功能明显不足，极少涉及大跨度变截面连续箱梁或连续刚构等非规则桥梁的设计绘图。
随着建筑工艺的不断提高，设计和施工经验的逐步积累，大跨度P.C.变截面连续箱梁和连续刚构桥型己日渐成熟。鉴于此类桥梁需求的不断扩大和现有桥梁绘图软件的明显不足，迫切需要对大跨度P.C.变截面连续箱梁（刚构）设计绘图CAD软件展开研究，以实现该类桥梁的可视化智能设计，提高设计质量、加快设计进度、降低设计成本。
2.需求分析
需求分析是软件工程中的一个关键过程，优秀的软件产品是建立在优秀的需求基础之上的，只有确定了软件需求后才能够分析和寻求系统的解决方法。根据国内外大跨度P.C.变截面连续箱梁和连续刚构的技术特点和设计实践，综合评估软件的应用范围和研发成本，我们可以从功能需求和非功能需求两个方面对软件展开需求分析。
2.1.功能需求
在大跨度P.C.变截面连续箱梁和连续刚构桥梁设计过程中，总体布置和结构构造是设计工作的第一步，也是关键环节。
1）项目管理
软件主要功能是完成大跨度P.C.变截面连续箱梁和连续刚构的上部结构设计绘图，不涉及桥梁下部结构，宜采用一联桥为一个项目的方式进行项目管理。
2）桥跨布置
软件约定支持桥型为变截面连续箱梁和变截面连续刚构，作为连续结构，要求桥梁孔数至少两孔，考虑结构受力合理，要求两边孔跨径相同，所有中孔跨径相同。
3）施工方法
本类桥梁的施工方法包括悬臂浇筑、悬臂拼装、满堂支架现浇等多种，软件按使用最多的两种进行考虑，即悬臂浇筑和满堂支架现浇。
4）平面布置
桥梁的平面布置取决于路线的方向、及河流或被交线路的夹角，并受桥位地质、地形的制约，通常有正交、斜交两种布置方式。作为大跨度桥梁，变截面连续箱梁（刚构）一般为正交等宽。
5）桥梁截面
箱形截面具有良好的抗弯和抗扭性能，是连续梁桥或连续刚构的首先形式，软件约定为单箱单室或单箱多室箱梁。在细部构造方面，结合国内外设计实际情况，要求边腹板支持直腹板和斜腹板；横坡支持平坡、單向坡和双向坡三种情况；箱梁悬臂及箱室内倒角支持一次和二次。
6）梁高曲线
变截面梁的梁高变化曲线一般采用圆弧线、抛物线、折线等，部分桥梁在设计时会在跨中设置一段等高段，软件对梁高变化曲线约定为y=axn+b，并允许以跨中为中心设置等高梁段。同时，结合桥梁设计需求，箱梁底板高度采用抛物线过渡，箱梁腹板厚度采用折线过渡。
7）零号块构造
综合考虑连续箱梁和连续刚构的零号块结构，软件支持下图所示四种构造形式，第一种为空心截面形式，第二种为实心截面形式，第三种为双室截面形式，第四种为单室加强截面形式。
图1：零号块结构图
2.2.非功能需求
作为一个优秀的桥梁设计软件，除满足功能需求和确保成果正确外，还需要综合考虑软件易用性、健壮性、可扩展性和可移植性。
1）易用性
易用性是用户对软件的易使用性、质量、效率以及效果的感觉，是交互的适应性、功能性和有效性的集中体现。桥梁设计绘图软件除采用模块化的界面输入方式外，还应结合设计实践和用户习惯，采用可视化输入技术来提高软件易用性，包括用户输入前以动态示意图方式智能提示参数意义、用户输入后以三维效果图方式动态显示桥梁模型等。
2）健壮性
健壮性是指软件在异常输入情况下能够正常运行的能力，包括容错能力和恢复能力。大跨度P.C.变截面连续箱梁和连续刚构因结构复杂，设计过程中所涉参数众多，并相互影响相互制约，软件必须具备强大的容错能力和恢复能力，可对用户输入参数进行匹配检查，发现错误时能精准定位并智能提示修正。
3）可扩展性
可扩展性是软件设计的原则之一，它以添加新功能或修改完善现有功能来考虑软件的未来成长，桥梁设计绘图软件除实现其预定功能规划外，还应具备规范扩展性和功能扩展性，前者可以使软件同时符合多国技术标准（规范），走向国际市场；后者可以使软件具备功能扩展，扩大应用范围。
4）可移植性
可移植性是软件质量之一，良好的可移植性可以提高软件的生命周期，为有效提高软件的应用范围和使用期限，桥梁设计绘图软件除支持主流的AutoCAD平台外，还应考虑优秀的国产CAD，例如中望CAD、浩辰CAD等。
3.系统设计
系统设计是把需求转化为软件系统的最重要的环节，在根本上决定了软件系统的质量，除功能外，软件的正确性、易用性、健壮性、可扩展性、可移植性等质量因素也是本阶段的重点设计指标。系统设计分为概要设计和详细设计两个阶段，前者是设计软件的功能模块，层次结构，调用关系等；后者是把每个模块的功能描述转变为精确的、结构化的过程描述。限于篇幅，本文只阐述软件的概要设计部分。
3.1.开发工具
依据软件需求，结合现有计算机辅助设计技术，大跨度P.C.变截面连续箱梁（刚构）设计绘图CAD软件研发过程中所涉开发工具包括：
1）软件采用Microsoft Visual C++开发，Microsoft Visual C++是Microsoft公司推出的Win32环境开发程序，面向对象的可视化集成编程系统，具有程序框架自动生成、类管理灵活方便、界面设计集成交互等优点。
2）界面交互功能采用MFC，MFC（Microsoft Foundation Classes）是微软公司提供的基础类库，以C++类的形式封装了Windows的API，并包含一个应用程序框架和大量控件组件封装类。
3）和Excel的表格交互功能采用COM，COM（Component Object Model）即组件对象模型，作为可动态互变组件的规范，提供了二进制标准，是一种跨应用和语言共享二进制代码的方法。
4）设计绘图功能采用ObjectARX，ObjectARX是AutoDesk公司针对AutoCAD平台上的二次开发而推出的一个开发软件包，它提供了以C++为基础的面向对象的开发环境及应用程序接口，能真正快速的访问AutoCAD图形数据库。同时，采用ObjectZRX和ObjectGRX接口，使软件可同时支持ZWCAD（中望）和GstarCAD（浩辰）。
5）可视化功能采用OpenGL技术，OpenGL（Open Graphics Library）是美国SGI公司开发的一个功能强大的硬件无关图形软件应用程序接口API，在三维图形的绘制和操作、纹理映射以及光照模型设置方面都具有很强的二次开发功能，因此它已经成为一个性能卓越的三维图形工业标准，广泛用于基础CAD平台和应用软件开发。
3.2.模块划分
为提高模块的通用性和可扩展性，将软件功能模块整体划分为基础部分和应用部分两类，基础部分适用于所有桥梁的设计绘图，应用部分适用于本软件的设计绘图。
1）基础部分
基础部分为通用模块，是软件的基础组件，由数学模块、视图模块、绘图模块、界面模块、系统模块、专业模块及分析模块组成，数学模块定义点、直线、圆等基础数学对象，提供几何、矩阵等基本数学运算功能；视图模块提供二维示意图和三维效果图功能，基于OpenGL技术和数学模块支持；绘图模块提供AutoCAD等多个图形平台的绘图功能，基于ObjectARX等技术和数学模块支持；界面模块提供软件通用的界面控件和组件，基于MFC技术；系统模块提供操作系统或办公软件的交互功能，也提供基础的文件读写功能，基于MFC和COM等技术和数学模块支持；专业模块提供桥梁专业计算分析和行业技术标准（规范）功能，基于数学模块支持；分析模块提供绘图过程中钢束几何分析和钢筋智能布置等功能，基于数学模块支持。
2）应用部分
应用部分为专有模块，是软件的核心组件，由对象模块、界面模块和绘图模块三部分组成，其中对象模块为应用部分的基础模块。
对象模块提供变截面箱梁（刚构）中的所有基础对象，包括工程项目信息、一般构造、预筋构造、普通钢筋及附属构造等，其中预筋构造和普通钢筋还细分为单个对象；界面模块主要提供用户交互功能，采用可视化技术辅助用户输入原始数据，并具备数据检查和自动修正功能；绘图模块提供变截面箱梁（剛构）的图纸绘制功能，即软件成果输出，并具备钢筋碰撞检查和布置优化功能。
图2：软件模块结构设计图
4.总结
大跨度P.C.变截面连续箱梁（刚构）设计绘图CAD软件大研发对我国山区高速公路建设有重要意义，可有效提高该类桥梁的设计质量，加快设计进度、降低设计成本。本文系统分析了软件的需求，阐述了研发技术要点，并从软件的可扩展性和可移植性出发，对软件模块进行了合理划分。
参考文献
[1] 徐岳 王亚君 万振江. 预应力混凝土连续梁桥设计[M]. 北京:人民交通出版社,2000
[2] 杨安 葛胜锦 潘长平等. 基于中望CAD平台的二次开发技术. 交通科技[J]. 2010.4(7)
[3] 彭卫兵 周康 潘国帅. 桥梁CAD设计软件研究进展与展望.浙江工业大学学报[J]. 2009.5(10)
[4] 黄羚 刘明生 任伟新. 基于工程图形对象的桥梁软件开发方法. 公路交通科技[J]. 2005.1(1)
[5] 王伟华 杨永平 王海蛟. 悬浇变截面预应力混凝土连续刚构桥设计的几点体会. 黑龙江交通科技[J]. 2005