預力混凝土橋梁自動化設計繪圖 全整式平台系統之開發與應用 蘇進國 / 台灣世曦工程顧問公司正工程師張勝騰土木技師 / 台灣世曦工程顧問公司正工程師戚樹人 / 台灣世曦工程顧問公司正工程師蔣啟恆土木技師 / 台灣世曦工程顧問公司經理黃炳勳結構技師 / 台灣世曦工程顧問公司協理宋裕祺 / 國立台北科技大學土木工程系教授 關鍵詞 : 預力混凝土橋梁 視窗化平台 Visual C#.NET 摘要 預力混凝土橋梁係為國內既有橋梁型式中比例最高者, 設計過程須考量跨徑配置 斷面尺寸 載重組合 施工限制 鋼腱配置與施拉順序等, 亦須反覆檢核縱向與橫向分析結果, 相關工程設計圖說 結構計算書及數量計算等製作過程複雜且繁瑣, 若得快速串聯結構分析軟體與工程繪圖軟體, 並自動評估材料量體多寡且轉成報告供參, 將有效加速設計作業流程並提高工作效率 有鑑於此, 本文擬以預力混凝土箱型梁橋之基本設計理論與施工工法為基礎, 藉由 Visual C#.NET 程式及 AutoCAD 二次開發技術, 研發自動化輔助設計與繪圖等之全整式平台系統, 所提成果冀能提供國內橋梁設計實務之參考 一 前言 預力混凝土使用高強度材料, 具有可減少構件斷面 增大橋梁跨度等優點, 在大跨度橋梁或特殊型式橋梁工程中廣泛被使用, 但預力混凝土受潛變 乾縮及預力鋼腱鬆弛影響, 無論施工期間或完工後撓度仍不斷變化, 而導致應力重新得到分配, 亦造成構件最大應力可能發生於各個階段 置此, 為能得各階段變化必須進行施工階段時間相依分析, 目前橋梁分析軟體如 SAP2000 R14 MIDAS CIVIL 及 RM BRIDGE 皆具備施工階段分析功能, 可模擬任 意齡期構件產生 任意時刻荷重施加及缷載 邊界條件改變等狀況, 亦能完成如混凝土強度隨時間變化 乾縮 潛變及二次效應等之時間相依分析影響, 並得與完工階段橋梁進行相關載重組合分析, 提供設計階段重要參考依據 其中,RM BRIDGE 為綜合性的結構工程 設計及分析系統, 適合應用於大型 複雜的橋梁, 該系統能夠處理階段式施工, 解決施工順序以及依規範需求之設計載重等進行分析設計, 功能卓越, 但其建模方式需由使用者填入數量龐大文字格式, 且無法即時預覽模型, 常造成使 70 技師期刊 73
預力混凝土橋梁自動化設計繪圖全整式平台系統之開發與應用 用者不便及模型檢核困難 另一方面,MIDAS CIVIL 則具有階段性施工分析功能, 為快速 便利建立模型之視窗化結構分析軟體, 同時提供便利的文字檔匯入功能 (MCT Command Shell), 可事先建立結構資訊之文字, 再以匯入的方式進行分析模型的建立 載重加載, 分析成果亦提供了視覺化的展現, 有助於使用者快速檢視, 然而 MIDAS CIVIL 雖然提供功能性強大的前後處理模組, 但仍有部份功能缺乏或未能滿足使用者需求, 諸如 :(1) 未能提供國內公路橋梁耐震設計規範規定之地震力設計反應譜 ; (2) 無法依公路橋梁設計規範規所定之撓曲強度與剪力強度進行檢核 ;(3) 不支援撓曲與剪力強度檢核結果匯出 (Wrod 格式 ) 等 預力混凝土橋梁為國內主要採用之橋梁型式, 依施工方式可分為 : 逐跨架設工法 懸臂工法 支撐先進工法 節塊推進工法 場鑄節塊懸臂工法及預鑄節塊吊裝工法等, 於工程設計階段必須依據不同施工方式, 同時考量預力混凝土潛變 乾縮等因素, 方能進行施工階段分析 此外, 為能將設計成果真實呈現與反應到工程現地, 精確的工程設計圖繪製係數工程師於結構分析及設計完成後之另一項重要工作, 然而預力混凝土橋梁之工程設計圖大致包含箱梁斷面標準圖 梁斷面配筋圖 預力鋼腱配置圖 橋梁平立面圖等 有鑑於以往工程圖說的繪製過程多藉由人工方式, 經由設計工程師與繪圖員之溝通, 再以 AutoCAD 程式進行繪製作業, 所耗費工時甚鉅, 為了能提升工作效率, 開發一套繪製工程圖的輔助軟體實屬必要 二 系統開發工具與技術 Visual C#.NET 為專門針對在.NET Framework 上開發應用程式的新程式語言, 其語法類似 C++ 並近似 Java 語言, 因此具有容易使用且彈性較大的特點, 而其不僅向功能支援物件導, 程式語法執行效率亦比 Visual Basic.NET 快, 相關功能包括組件 (Assembly) 垃圾收集 (Garbage Collection) 例外管 理員 (Exception Manager) 執行諸支援 (Thread Support) COM 元件整合 (COM Interoperation), 偵錯引擎 (Debug Engine) 等 而圖形視覺化展示為人類共通語言, 視覺 化圖形之表現易較文字說明清楚 本程式所開 發圖形視覺化係, 利用 Visual C#.NET 中 GDI+ (Graphics Device Interface) 繪圖類別庫未完成, 可令 GDI+ 程式設計者直接於螢幕清楚表達圖形 視覺化, 並具有許多的繪圖物件類別, 可輕易 進行形狀 線條 文字 影像的圖形處理如下 : a. 平面圖型 : 主要包含直線 曲線 矩形 多邊形 橢圓等基本繪圖功能 b. 圖檔處理 : 可由外部輸入圖片或影像檔, 直接載入表單或圖片方塊中 c. 字型表現 : 支援多種文字字型 字體大 小改變與字型顯示種類, 可依照開發人 員版面設計需求, 搭配使用 三 預力混凝土橋梁輔助設計理論 3.1 撓曲強度檢核預力混凝土構材在規定載重下, 拉力緣受 外加載重作用下拉力逐漸增加, 一旦拉應力超 出混凝土本身所能抵抗之容許值, 則梁即會產 生裂縫, 若載重持續增加則裂縫擴大造成斷面 之中性軸逐漸向上移, 最終將產生鋼腱拉斷或 受壓側混凝土壓碎而引起梁的撓曲破壞, 因此 預力混凝土受撓構材之設計除了滿足容許應力 外, 同時應使設計斷面之撓曲強度 ( 極限彎矩 強度 )ψm n 大於乘因數彎矩 M u 3.2 剪力強度檢核預力混凝土構材在規定載重下, 斷面除了 滿足撓曲強度外, 依規範規定同時也需滿足剪 力強度要求,ψV n V u 3.3 橫向分析本程式以國內 公路橋梁設計規範 及 Adolf Pucher 教授所研究之影響面理論, 為橫向 技師期刊 73 71
結構設計中的 API 技術應用 專輯 分析模組開發之依據 分析過程主要係依規範之規定, 先分別計算靜載重與動載重, 搭配影響面理論計算車輪分佈對於橋面造成之載重, 得出斷面每公尺所承受之彎矩荷載來進行配筋設計 此章節將前述所採用之規範與基本理論, 並建立符合規範精神之橫向分析設計流程 四 自動化設計系統界面及操作介紹 本研究所開發之 預力混凝土橋梁自動化設計系統 係以 C# 程式所構成, 主視窗是由下拉式選擇模組中的選單及所組成, 選單概分為 分析及設計 與 AutoCAD 繪圖 等二大項, 分析及設計 選單係屬前處理之輔助設計系統, AutoCAD 繪圖 選單為後處理之輔助繪圖系統, 使用者可根據不同需求選擇執行程式, 如圖 1 所示 4.1 輔助設計系統以 Midas Civil 套裝軟體作為本研究之分析 軟體 Midas Civil 分析軟體功能強大 建模模 組多樣化 可即時預覽模型建置, 將分析結果 視覺化呈現等, 有助於使用者檢視結果, 該軟 體雖然功能強大, 但仍有部分功能欠缺, 未能 完全滿足使用者需求 有鑒於此, 輔助設計系 統已完成以下功能 : ( 一 ) 將台灣世曦工程顧問股份有限公司 (CECI) 所慣用之 3STF 文字輸入檔轉 換 Midas Civil 之輸入檔 ( 二 ) 提供國內 公路橋梁耐震設計規範 規定之設計反應譜, 方便耐震分析之 用 ( 三 ) 依國內 公路橋梁設計規範 規定 之撓曲與剪力強度之規定進行應力檢 核 ( 四 ) 撓曲與剪力強度檢核後之輸出報告書 等 ( 五 ) 依國內 公路橋梁設計規範 規定與 Adolf Pucher 教授所研究之影響面理 論, 進行橫向分析與輸出報告書 a. 全橋與縱向分析系統視窗介面簡介 : 本系統視窗介面分為 設計反應譜視窗 撓曲強度檢核視窗 及 剪力強度視窗 等 三者, 提供使用者進行整體結構之動力分析和 局部構件的強度檢核等功能, 亦提供將分析成 果自動匯出結集成結構計算書之功能 b. 橫向分析 : 以國內 公路橋梁設計規範 Adolf Pucher 教授所研究之影響面理論, 為此模組開 發之依據 依照國內規範分別計算靜載重與動 態載重, 搭配影響面理論計算車輪分佈對於橋 面造成之載重, 得出斷面每公尺所承受之彎矩 荷載, 進行配筋設計 圖 1 預力混凝土橋梁自動化設計系統主視窗 4.2 輔助繪圖系統介紹之 Visual C# 程式語言做為程式開發平 台, 利用 Midas Civil 分析模型, 輸出相關資料 72 技師期刊 73
預力混凝土橋梁自動化設計繪圖全整式平台系統之開發與應用 做輔助設計 繪圖系統輸入檔, 結合 AutoCAD 二次開發技術, 連結 AutoCAD 控制指令繪圖, 自動化繪製 AutoCAD 圖檔之呈現 輔助繪圖系統已完成以下功能 : ( 一 ) 提供簡易直觀之預力鋼腱施力斷面配置繪圖模組 ( 包含等斷面模型與變斷面模型 ) ( 二 ) 結構立面 平面繪圖模組 ( 三 ) 箱型梁標準斷面繪圖模組 ( 四 ) 標準斷面鋼筋配置模組 ( 五 ) 將 AutoCAD 之預力鋼腱實際座標圖轉換成分析模型資料以利分析 ( 六 ) 分析模型以 3D 型式繪製於 AutoCAD a. 預力鋼腱輔助繪圖模組 ( 逐跨架設工法 ) b. 結構立面 平面繪圖模組界面模組結構立面 平面繪圖模組之界面如圖 4 所示, 包含參數設定輸入及兩區塊, 操作界面之相關功能 參數設定輸入圖 4 結構立面 平面繪圖模組視窗 c. 箱型梁標準斷面繪圖模組模組視窗如圖 5 所示, 本操作界面各部之相關功能 模型選擇 參數設定輸入 圖 2 預力鋼腱配置模組界面圖 預力鋼腱配置模組之界面如圖 2 所示, 包含參數設定輸入區及區兩區塊, 系 統開發過程中經使用者建議, 本模組提供兩種 模式讓使用者依據需求進行預力鋼腱配置圖繪 製, 模式 ( 一 ) 先進行 預力鋼腱施力配置 相關資訊定義後, 再進入鋼腱斷面配置界面進 行鋼腱位置座標編輯 ; 模式 ( 二 ) 使用者僅針 對鋼腱斷面配置進行操作, 如圖 3 所示 模式 ( 一 ) 預力鋼腱配置模組 模式 ( 二 ) 預力鋼腱施力配置 預力鋼腱斷面配置 預力鋼腱斷面配置 圖 3 鋼腱配置模組 繪圖 圖 5 箱型梁標準斷面繪圖模組視窗 d. 預力鋼腱輔助繪圖模組 ( 懸臂工法 ) 預力鋼腱配置模組之界面如圖 6 所示, 包 含參數設定輸入區及區兩區塊, 本模 組提供使用者依據需求進行預力鋼腱配置圖繪 製 模式選擇及資訊路徑輸入 圖 6 箱型梁標準斷面繪圖模組視窗 技師期刊 73 73
結構設計中的 API 技術應用 專輯 當使用者輸入相關檔案路徑 ( 模型資訊 MCT 檔與鋼腱座標 Tendon Coordinate 檔 ) 後, 點擊執行區 NEXT 按鈕, 程式將連結至預力鋼腱斷面配置模組 該模組包含兩個父子關係視窗, 父視窗名稱為 Properties, 使用 menustrip 及 tabcontrol 作為界面整理, 功能主要為編輯斷面編號 預覽鋼腱形式 匯出 (.xls,.mct) 匯入 鋼腱位置調整與錨錠位置設定, 如圖 7 所示 對應子視窗名稱為 Design, 則是針對該斷功能表 面編號之預力鋼腱配置進行定義, 預力鋼腱模組界面由斷面編號顯示區與所組成 使用者點擊 Properties 界面之 Add 或 Modify 按鈕時, 程式將連結至名稱為 Design 視窗, 如圖 8 所示, 本視窗包含資訊區 替換斷面路徑點選區 鋼腱位置即時顯示區 鋼腱座標輸入區 說明區與 資訊區替換斷面路徑點選區 鋼腱位置即時顯示區 說明區 鋼腱座標輸入區 圖 8 定義預力鋼腱配置編輯視窗 斷面編號顯示區 程式處理進度欄 圖 7 斷面配置定義視窗界面 e. 鋼筋配置繪圖模組鋼筋配置模組之界面如圖 9 所示, 包含參數設定輸入區 斷面及鋼筋資訊輸入區及鋼筋編號示意圖三區塊, 本模組主要提供使用者計算並繪製 鋼筋表 與鋼筋配置斷面圖 : 圖 9 鋼筋配置界面 74 技師期刊 73
預力混凝土橋梁自動化設計繪圖全整式平台系統之開發與應用 圖 10 鋼筋表資料計算 (1) 參數設定輸入區程式執行首先在此區域選擇施工工法, 匯入橋梁斷面資料, 當使用者輸入相關檔案路徑後, 可依需求選擇替代外部圖塊建立之箱型斷面圖 (2) 斷面及鋼筋資訊輸入區此區域分成 鋼筋配置 與 鋼筋表 標籤頁, 使用者分別輸入鋼筋編號 鋼筋直徑 間距與根數進行鋼筋配置, 在點選鋼筋表, 確認各鋼筋編號之相關資訊, 進行鋼筋表計算, 經過鋼筋表相關資訊確認, 即可將各編號鋼筋之總數及長度計算出來, 最後程式還可經由鋼筋表計算結果, 彙整各編號之鋼筋所需之總數 總長及總重計算出來, 如圖 10 所示 (3) 鋼筋編號示意圖此區域可提供使用者在進行鋼筋配置時, 能對於橋梁斷面正確位置進行鋼筋數量與耗數配置, 將橋梁斷面之鋼筋視覺化, 能減少參數輸入錯誤之機會 鋼筋編號配置完成後, 按壓 Drawing 按鈕, 程式自動連結 AutoCAD 繪圖程式, 進行繪製鋼筋配置圖, 如圖 11 所示 f. 箱梁鋼腱 3D 展示模組本程式與 AutoCAD 進行連結, 先開啟 AutoCAD 2010 程式, 輸入快捷鍵 netload 選擇箱梁鋼腱 3D 展示模組後再輸入 n3d, 程 圖 11 標準斷面鋼筋表 技師期刊 73 75
結構設計中的 API 技術應用 專輯 式會自動跳出模組界面, 如圖 12 所示, 使用者輸入相關檔案路徑 (*.MCT *MCS *XLS) 後點選 START, 程式自動進行箱梁鋼腱 3D 展示, 如圖 13 所示 圖 12 箱梁鋼腱 3D 展示模組視窗圖 13 AutoCAD 2010 箱梁鋼腱 3D 展示 五 結論 預力混凝土具有許多優點, 如抗壓強度高 耐久性佳 取材方便等, 至今橋梁工程仍廣泛使用, 但預力混凝土設計時須考慮材料與時間相依的特性, 如混凝土彈性收縮 乾縮 潛變及鋼腱鬆弛等效應, 對於工程師而言不易計算 隨著電腦科技的進步, 目前市面上常見之結構分析軟體均具備功能強大的預力混凝土模組, 惟其所提供之功能並未能完全符合國內規範或使用者需求, 有鑑於此, 本研究擬以 C# 程式語言開發橋梁結構 輔助設計系統 及 輔助繪圖系統 協助專業工程師進行設計與自動化繪圖之功能, 冀能提升工程師工作上效率有所助益, 茲提出下列幾點結論 : 一. 本研究擬以 C# 程式語言與 MIDAS/ CIVIL 連結, 提供使用者進行反應譜分析, 建立自動化反應譜產生模組, 使用者僅須在使用介面點選相關資訊, 即可匯出符合耐震規範的設計反應譜, 減少人為查尋 計算等工作, 降低錯誤發生的機率 二. 依公路橋梁設計規範規定, 預力混凝土橋梁設計須進行斷面應力檢核, 以及斷面之撓曲強度及剪力強度檢核, 使用輔助設計系統軟體時該軟體可自動依規範規定進行設計及檢核, 經由建構符合部分橋梁設計規範規定之撓曲強度及剪力強度檢核模組的建立, 操作時以 MIDAS/CIVIL 輸出模型 鋼腱 桿件內力及桿件應力等作為輸入資料, 該模組即可自動進行檢核, 且透過圖 表格的呈現方式, 使用者快速查看斷面檢核相關訊息及檢核結果 三. 設計反應譜模組 撓曲強度及剪力強度三模組, 分析完畢後可依使用者需求, 匯整反應譜計算相關參數及斷面強度計算之參數 圖 表與檢核結果, 自動轉換成 WORD 檔, 可供彙整結構計算書時使用, 可節省工程師整理計算書的時間 四. 本研究自動化系統利用工程師於橋梁結構分析時已建立好模型所提供之模型相關資訊, 如斷面尺寸 鋼腱座標等, 再結合視窗界面的操作, 擬以 C# 程式語言與 AutoCAD 連接, 使用者僅需輸入繪圖所必須而模型資訊缺少的相關參數, 即可進行自動化繪圖, 達到分析 設計 繪圖自動化之目的, 更能節省繁瑣的繪圖時間, 加速作業流程提高工作效率 五. 透過鋼筋配置繪圖模組, 使用者只需輸入鋼筋編號 鋼筋直徑 間距與根數, 即可經由程式彙整出各種鋼筋所 76 技師期刊 73
預力混凝土橋梁自動化設計繪圖全整式平台系統之開發與應用 需之總數 總長及總重, 並按照箱梁標準斷面鋼筋表進行繪製鋼筋配置圖, 大大減少繁瑣之計算時間, 增加作業流程提高工作效率 六. 本程式連接 AutoCAD 進行箱梁鋼腱 3D 展示, 輸入相關檔案路徑後, 程式會自動進行箱梁鋼腱 3D 展示, 給專業工程師能更清楚橋梁斷面內之構建, 對橋梁鋼腱配置上有相當大的幫助 參考文獻 [1] 宏瞻資訊譯,AutoCAD2000 Active 與 VBA 開發人員手冊, 第三波資訊股份有限公司, 1999 年 6 月 [2] 宏瞻資訊譯,AutoCAD2000 Active 與 VBA 參考手冊, 第三波資訊股份有限公司,1999 年 6 月 [3] 肖澤云, 基於 Visual C# 的 AutoCAD 開發及其在工程中的應用, 三峽大學,2010 年 4 月 [4] 張帆 鄭立楷 盧擇臨 王成煌,AutoCAD VBA 二次開發教程, 清華大學出版社, 2006 年 [5] 張晉希,Visual Basic 與 AutoCAD 二次開發, 清華大學出版社,2002 年 1 月 [6] 趙文新 陳凤岐,AutoCAD 2002 完全使用手冊, 北京希望電子出版社,2001 年 9 月 [7] 陳惟彬,ADO.NET 3.X 資料庫程式設計參考手冊, 文魁資訊股份有限公司,2008 年 6 月 [8] J. Sutphin, AutoCAD 2006 VBA - A Programmer's Reference, New York: Springer-Verlag, 2005. [9] S. Timoshenko, and S. Woinowsky-Krieger, Theory of plates and shells, New York: McGraw Hill, 1959. [10] A. Pucher, Influence Surface of Elastic Plates, New York: Spring-Verlag, 1973. [11] T. Kawai, Influence Surfaces of Orthotropic Plates, Ph.D. Thesis, Lehigh University, Bethlehem, PA, U. S. A., 1957. [12] F. Sawko and J. H. Mills, Design of cantilever slabs for spine beam bridges", Proceedings at the Cardiff Conference on Developments in bridge design and construction, Crosby Lockwood and Son Ltd, London, England, 1971. [13] 中華顧問工程司, 階段式施工法三維剛架分析使用手冊 (3STF),1992 年 1 月 [14] 蔡益超 宋裕祺 王俊穎, 預力混凝土橋梁分析及設計輔助分析系統之建置, 宋裕祺研究室, 國立台北科技大學土木與防災研究所, 台北,2011 年 [15] 粘晉銘, 預力混凝土橋梁自動化設計繪圖系統 (AutoDes_PC) 之開發, 碩士論文, 國立台北科技大學, 台北,2012 年 7 月 [16] 賴育暘, 預力混凝土橋梁自動化分析與設計全整式平台之建構, 碩士論文, 國立台北科技大學, 台北,2014 年 7 月 [17] 宏瞻資訊譯,AutoCAD2000 Visual Lisp 開發人員手冊, 第三波資訊股份有限公司, 1995 年 5 月 [18] 曾洪飛 張帆 盧擇臨,AutoCAD VBA & VB.NET 開發 - 基礎與實例教程, 中國電力出版社,2008 年 2 月 [19] 李瑞清,AutoCAD 與 AutoLISP 應用於公路線形設計模式, 碩士論文, 國立成功大學土木工程研究所, 台南,1990 年 技師期刊 73 77