Размещено на http: //www. allbest. ru/

ФГБОУ ВО «Самарский государственный университет путей сообщения», филиал СамГУПС в г. Саратове, Россия, Саратов

Системы автоматизированного проектирования в строительстве мостов

Васюхин Герман Витальевич

Аннотация

В транспортном строительстве в последнее время наблюдается рост нагрузок, что повышает требования к проектированию сооружений. В статье рассмотрены основные системы автоматизированного проектирования, применяемые как в гражданском, так и в транспортном строительстве. Освещены их достоинства, недостатки, дается краткая справка о программных комплексах, произведено сравнение. Рассмотрены основные проблемы, которые возникают при проектировании. Сделаны выводы о целесообразности применения той или иной программы.

Ключевые слова: системы автоматизированного проектирования, метод конечных элементов, расчет, строительство, AutoCAD, SCAD, ПК «Лира», Midas Civil, Ansys.

Annotatіon

COMPUTER-AIDED DESIGN SYSTEMS IN BRIDGE CONSTRUCTION

Vasyuhin Herman Vitalyevich

Samara State Transport University, Saratov branch, Russia, Saratov

In transport construction in recent years there has been an increase in loads, which increases the requirements for the design of structures. The article describes the main computer-aided design systems used in both civil and transport construction. Their advantages and disadvantages are highlighted, a brief reference about the software systems is given, and a comparison is made. The main problems that arise in the design are considered. Conclusions about the feasibility of using a particular program.

Keywords: computer-aided design, finite element method, calculation, construction, AutoCAD, SCAD, PC "Lira", Midas Civil, Ansys.

В современном мире наблюдается тенденция огромного роста нагрузок на строительные конструкции. В гражданском строительстве это связано с увеличением этажности зданий, с их технологичностью, а также строительством в экстремальных условиях. В транспортном строительстве также наблюдается рост нагрузок в связи с увеличением количества транспорта, со стремлением возводить большие по габаритам сооружения, с экстремальностью условий [1-2] и воздействием агрессивных сред [3-6]. В связи с этим повышаются требования к проектным работам. Уже недостаточно тех ручных расчетов, которые производились раньше. Типовые проекты прошлых лет не удовлетворяют современным требованиям, т.к. большинство новых и планируемых сооружений являются уникальными в своем роде.

Существует ряд программных комплексов, которые в работе проектировщика играют ключевую роль. В первую очередь, это, конечно, универсальная программа инженерной графики - AutoCAD. Ни одна организация, ни одно промышленное предприятие, ни один строительный ВУЗ не может обойтись без этого комплекса. Все чертежи, вся рабочая, проектная документация выполняются в этой программе. На данный момент в своей сфере она лидирует.

Что касается расчетов, то здесь существует целый ряд программ и программных комплексов, основанных на МКЭ - математическом методе конечных элементов. От самых простеньких бесплатных программ, выполняющих небольшие расчеты балок на двух опорах и построения эпюр, до сложных в освоении и дорогих программных комплексов, с помощью которых рассчитываются грандиозные сооружения (такие, как, например, олимпийские объекты). Везде имеются свои достоинства и недостатки, о которых будет сказано ниже [7].

AutoCAD - разработка компании Autodesk - самая распространенная САПР (система автоматизированного проектирования), функционирующая в среде MS Windows. AutoCAD - это традиционные, проверенные временем инструменты инженерной графики, трехмерного моделирования и визуализации, постоянно дополняемые новыми возможностями. Платформа AutoCAD обеспечивает впечатляющее повышение производительности труда в любой области деятельности, связанной с точным графическим представлением результатов, - от астрономических наблюдений до раскроя одежды. Функционал AutoCAD дополняют более 5000 специализированных программ-приложений для самых разнообразных отраслей.

AutoCAD - это рабочий инструмент повседневного использования на каждом рабочем месте проектировщика. Сотни миллионов специалистов во всем мире ежедневно создают в AutoCAD электронные документы или используют AutoCAD в качестве платформы для более специализированных приложений и настроек.

Основу продукта составляет совершенная система создания различных двумерных графических объектов-примитивов и управления такими объектами: линиями, размерами, текстами, штриховками и т.д. В AutoCAD также имеются развитые возможности создания и управления трехмерными объектами: элементарными формами, поверхностями различных типов и т.д.

Все объекты существуют в едином виртуальном трехмерном пространстве с координатами X, Y, Z.

Проектировщик-пользователь самостоятельно выбирает вид, проекцию, характер представления созданных объектов. Важным достоинством AutoCAD является наличие множества способов и инструментов решения одной и той же задачи. Это придает программе необходимую гибкость.

Все пользователи AutoCAD приступают к работе, опираясь на собственные навыки выполнения чертежей. Инструменты черчения AutoCAD - самые точные, удобные и совершенные среди инструментария всех САПР: их совершенствование продолжается уже несколько десятков лет [8].

Midas Civil - программный комплекс, предназначенный для расчета и проектирования мостов и транспортных сооружений. На сегодняшний день является одним из лидеров среди программных комплексов, специализирующихся на расчете мостов.

Программный комплекс позволяет решать ряд задач методом конечных элементов.

Отличительные особенности Midas Civil:

Ш Развитый графический интерфейс пользователя. Возможность просматривать пространственную модель с использованием окна визуализации.

Ш Функция DRAG&DROP позволяет быстро назначать или менять свойства для групп элементов, граничных условий, нагрузок и пр.

Ш Различные способы отображения модели.

Ш Обширная библиотека материалов, сформированная в соответствии с различными стандартами (Eurocode, ASTM, CSA, JTJ и пр.). Возможность задания ортотропных материалов.

Ш Учет характеристик материала, меняющихся во времени: ползучесть, усадка, нарастание прочности бетона, в том числе в соответствии с различными стандартами - CEB+FIP, ACI, PCA, AASHTO, European и пр.

Ш Многочисленные встроенные типы сечений.

Ш Различные шаблоны.

Ш Построение линий и поверхностей влияния от подвижных нагрузок.

Ш Расчет с учетом монтажа.

Ш Расчет с учетом геометрической нелинейности и т.д. [8]

ЛИРА-САПР - программный комплекс, предназначенный для численного исследования прочности и устойчивости конструкций, а также их автоматизированного проектирования.

Основные функции, включенные в ПК ЛИРА-САПР:

Ш развитая интуитивная графическая среда пользователя;

Ш набор многофункциональных процессоров;

Ш развитая библиотека конечных элементов;

Ш расчет на ветровые нагрузки с учетом пульсации и сейсмические воздействия по нормативам стран СНГ, Европы, Африки, Азии и США;

Ш расчет на различные виды динамических воздействий (сейсмика, ветер с учетом пульсации, вибрационные нагрузки, импульс, удар, ответ-спектр);

Ш конструирующие системы железобетонных и стальных элементов в соответствии с нормативами стран СНГ, Европы и США;

Ш возможность редактирования баз стальных сортаментов;

Ш связь с другими графическими и документирующими системами (AutoCAD, ArchiCAD, MS Word и др.) на основе DXF и MDB файлов;

Ш развитая система помощи, удобная система документирования;

Ш возможность изменения языка (русский/английский) интерфейса и/или документирования на любом этапе работы;

Ш различные системы единиц измерения и их комбинации [8].

ANSYS -- универсальная программная система конечно-элементного анализа, существующая и развивающаяся на протяжении последних 30 лет. Является довольно популярной у специалистов в сфере автоматизированных инженерных расчётов (CAE, Computer-Aided Engineering) и КЭ решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных пространственных задач механики деформируемого твёрдого тела и механики конструкций (включая нестационарные геометрически и физически нелинейные задачи контактного взаимодействия элементов конструкций), задач механики жидкости и газа, теплопередачи и теплообмена, электродинамики, акустики, а также механики связанных полей [8].

SCAD - Единая графическая среда синтеза расчетной схемы и анализа результатов обеспечивает неограниченные возможности моделирования расчетных схем от самых простых до самых сложных конструкций, удовлетворяя потребностям опытных профессионалов и оставаясь при этом доступной для начинающих. Высокопроизводительный процессор позволяет решать задачи большой размерности (сотни тысяч степеней свободы при статических и динамических воздействиях).

SCAD включает развитую библиотеку конечных элементов для моделирования стержневых, пластинчатых, твердотельных и комбинированных конструкций, модули анализа устойчивости, формирования расчетных сочетаний усилий, проверки напряженного состояния элементов конструкций по различным теориям прочности, определения усилий взаимодействия фрагмента с остальной конструкцией, вычисления усилий и перемещений от комбинаций загружений. В состав комплекса включены программы подбора арматуры в элементах железобетонных конструкций и проверки сечений элементов металлоконструкций.

Система постоянно развивается, совершенствуются интерфейс пользователя и вычислительные возможности, включаются новые проектирующие компоненты [8].

Достоинства и недостатки рассмотренных программных комплексов. Autocad имеет намного больше плюсов, чем минусов. Программа в себя включает полноценный комплект инструментов, предназначенных для высококачественного трехмерного моделирования. Более того, Autocad дает возможность получить грамотную визуализацию необходимых моделей с помощью системы рендеринга под названием Mental Ray. Не лишним будет отметить, что в Autocad реализовано грамотное управление 3-мерной печатью (распечатка возможна на 3d-принтере) и четкая поддержка облаков точек (дает возможность работать с итогами сканирования в формате 3D). Но в тоже время обязательно следует учесть и минусы последней версии Autocad, к которым нужно отнести отсутствие трехмерной параметризации. Этот факт не дает возможности Autocad тесно конкурировать с различными машиностроительными системами автоматизированного проектирования, например, Solidworks, Inventor и так далее, но в области строительства пока что не мешает оставаться лидирующим продуктом.

Проведя некоторые исследования и прочитав мнения людей и основываясь на собственном опыте, а также на опыте коллег, можно прийти к выводу, что большинство мостостроителей выбирают программу MIDAS CIVIL. Эта программа обладает большим спектром функций и возможностей для расчёта конструкций мостовых сооружений, чем и заслужила своё признание в кругу специалистов. Однако, эта программа не идеальна. К первому и довольно- таки ощутимому минусу можно отнести отсутствие русского языка в программе. Также программа не может учитывать влияние импульса ветра на конструкцию, температурные нагрузки, пучения грунтов. Но разработчики программы обещают в дальнейших версиях исправить все недочёты и сделать программу более полной и совершенной.

Программы для расчёта зданий и общеинженерных сооружений. Здесь было представлено три программы: SCAD, Ansys и ПК «Лира». Выбрать из них лучшую не так-то просто, поскольку все они обладают каким-то преимуществом над другими программами, и всё-таки выбор ближе всего в пользу ПК «Лира». Преимущество «Лиры» заключается в быстроте работы и в более удобном интерфейсе, что даёт ей большой плюс для тех, кто первый раз садится за работу в этой программе. В защиту Scad можно сказать, что программа может выполнить за вас большой объём вычислительной работы. К тому же программы Scad и Лира являются отечественными, имеют в своих базах данных российские сортаменты и поэтому наиболее активно используются в проектной деятельности и для расчетов общеинженерных и также транспортных сооружений.

Как уже было сказано выше: без современных графических и расчетных программных комплексов (другими словами САПР - системы автоматизированного проектирования) нынешнее строительство было бы просто невозможным. В целом вышерассмотренные программы имеют один общий недостаток: дороговизна. Крупные организации могут себе позволить приобретать данные программы, в то время как малые предприятия подобной «роскоши» себе позволить не могут. Данное обстоятельство несколько притормаживает проектную деятельность и несет в себе такие недостатки, как вынужденное использование проектировщиками нелегальных копий программ, либо демоверсий, что может исказить результат расчетов. Также учебные и научные заведения подчас не могут приобрести нужное количество данных программ, что также отрицательно сказывается на воспитании будущих специалистов [9, 10].

Другой недостаток относится к расчетным комплексам: все они основаны на методе конечных элементов. Данный метод очень популярен, но он не является единственным в вопросах расчета конструкций. Также многие ученые критикуют его. Использование других методов в основе программ позволило бы производить проверку расчетов, а также иметь более полное представление в каком-то конкретном вопросе [10].

Еще один недостаток: адаптация к российским нормам. Заложенные сортаменты подчас не подходят к отечественному строительству, имеются расхождения, которые впоследствии могут сказаться на расчете.

Анализируя все эти вопросы, можно прийти к выводу, что большое изобилие программ и их возможностей не является конечным результатом, и вопрос, связанный с САПР остается до сих пор открытым и актуальным на сегодняшний день.

автоматизированный строительство программный

Список литературы

1. Раткин В.В., Черных В.К., Тарасов А.А. Разрушительное действие хлоридсодержащей среды на примере обследования железобетонного моста в Новгородской области // Техническое регулирование в транспортном строительстве. - 2015. - № 1 (9); URL: trts.esrae.ru/15-62

2. Черных В.К., Нестерова Д.Н. Особенности мониторинга мостовых сооружений // Техническое регулирование в транспортном строительстве. - 2015. - № 1 (9); URL: trts.esrae.ru/15-63

3. Раткин В.В., Черных В.К. Хлоридная коррозия и ее влияние на свойства бетона // Сборник материалов XVII Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства, строительной индустрии и промышленности». Тула: издательство ТулГУ, 2016- С.150-151.

4. Тарасов А.А., Черных В.К., Раткин В.В. Разрушения железобетонных мостов под действием хлоридов // Сборник материалов XVII Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства, строительной индустрии и промышленности». Тула: издательство ТулГУ, 2016- С.185-187.

5. Черных В.К. Оценка долговечности металлических конструкций транспортных сооружений в условиях воздействия агрессивных эксплуатационных сред // Материалы Международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем - 2018». Волгоград, 2018- С.297-298.

6. Черных В.К. Коррозионные повреждения металлических конструкций транспортных сооружений // Материалы XII Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс в дорожной отрасли юга России». Волгоград: издательство ВолгГТУ, 2018- С.87-91.

7. Дягилев Н.А., Черных В.К., Раткин В.В. Сравнение программных комплексов для расчета зданий и сооружений // Сборник материалов XVII Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства, строительной индустрии и промышленности». Тула: издательство ТулГУ, 2016- С.50-51.

8. Овчинников И.Г. Овчинников И.И., Кононович В.И. Оценка достоверности численных расчетов при проектировании: доверять или не доверять компьютерам? // Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 200-й годовщине победы России в Отечественной войне 1812 года «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе». Том 3. Модернизация в сфере эксплуатации, строительства и реконструкции объектов транспортной инфраструктуры. - Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2012. - С. 377-388.

Размещено на Allbest.ru