－簡介自動化結構設計的方法－
☆ 曾長智
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一、自動化結構設計之必須性 近年來結構設計規範隨著耐震觀念之提倡已有許多重大變革。其中包括結構工程師所需考量之荷重組合組數大幅增加、結構系統振動週期之計算、與結構互制土壤彈簧之模擬、配筋時之諸多特別考量計算等等…；在在均增加了結構設計與輸入介面的工作量。即使結構商用軟體發展迅速提供了許多超強功能，卻很難同時滿足各類結構體之特殊要求；加上近年來相關之結構設計規範經常更動進版，結構商用軟體卻很難跟進進版或具備符合本國規範之內容，使得結構設計偶爾還是得自立救濟一番。尤其大型結構工程設計更須同時動員許多結構工程師方能通力完成，結構模型之一致性與正確性便很難達到。在諸多要求限制下亦突顯自動化結構設計之必須性。綜觀國內幾間頗具規模的顧問公司均早已著手研發自動化結構設計方法，並陸續運用到建築、橋樑、地下結構物、及許多土木結構體的結構設計上。設計工程師不僅不再受結構商用軟體適用規範之限制，更能有效率的自動完成符合業主要求格式之計算書、設計圖圖檔繪製與數量計算。如此不僅節省工程師之設計作業時間，資淺工程師亦能在資深工程師的略微指導下獨力完成設計，而不用擔心結構模型之一致性與正確性。換言之，自動化結構設計方法之運用已成功地提升了公司的競爭力。也突顯了自動化結構設計之必須性。二、自動化結構設計之概念 結構工程師進行結構設計時往往耗費大部分時間在前置作業與後續作業。所謂前置作業應包括建立模型(含實際結構體之簡化工作、土壤承載力計算、穩定液化潛能分析與結構互制之土壤支承彈簧係數計算)與計算結構模型所需承受的各種外來或內在荷重資料等項目。後續作業則應包括彌補商業軟體未涵蓋之設計規範的設計細則補充設計計算、更符合業主要求之控制應力圖形與報告、屬於符合各顧問公司的制式結構設計計算書(含設計者簽名、顧問公司商標、特殊頁碼要求等)、繪製設計圖、數量計算書等項目。而所謂的前置作業與後續作業也往往是一般性結構設計商用軟體無法提供並滿足結構工程師迅速、正確設計之要求的盲點。自動化結構設計之概念便是運用撰寫介面程式自動完成前置作業與後續作業的方法，達成設計者節省設計時間與減少出錯機率的目的。所謂介面程式便是運用適切的程式語言撰寫出主控端視窗，經由易學、易懂、易用的親切主控端視窗操作，完成前置作業、執行結構設計商用軟體、與後續作業。一般主控端視窗之設計往往融入圖像按鈕、對話方塊、圖形示意等親切引導輸入方式；甚至可以加入影像、聲音提醒設計者更能達到易學、易懂、易用的目的。一套成功的自動化結構設計方法不僅可為設計者帶來莫大方便，更可當作訓練資淺工程師的強大訓練工具；並能有效地提升顧問公司的整體競爭力。三、自動化結構設計之流程 欲完成易學、易懂、易用的主控端視窗，目前一般均選用較易上手撰寫的Visual Basic程式語言，由於該程式語言結合繪圖及Windows程式設計，並可輕易與Windows之物件及轉換程式串連，為良好之串接不同程式軟體之程式語言，故引用該程式語言可獲得最大效果。首先藉由VB建立主儲存資料庫，再利用存取主資料庫之資料分別完成前置作業與後續作業。前置作業可採用既有之小程式(如為Fortran程式語言撰寫可再以Visual Fortran程式之編譯器編譯後再行處理)或試算工作表完成。一般為滿足計算書之美觀要求均會採用試算表完成該項作業，使用試算表時便可大量使用巨集指令VBA語言完成擷取結構設計商用軟體分析設計輸出資料，於試算工作表中補充計算或繪製應力、應變圖形再將擷取資料及主資料庫資料合併彙整出結構設計與數量計算書。至於設計圖也可藉由主資料庫之基本資料及一些標準圖塊檔案，建立繪圖軟體所提供之共用平台－DXF語言檔案，再於繪圖軟體中匯入該DXF語言檔案即可瞬間產生所有設計圖。經由以上簡述方法便可達成自動化結構設計之任務，以下檢附概略流程以供參考。 四、自動化結構設計之應用 結構設計中往往包括一些諸如樑柱系統空間安排、構件尺寸決定、特殊施工法之配合設計、配筋施工性考量之配筋方式…等須藉由設計者之專業知識研判，方能勝任的工作。若能於自動化結構設計之前身，便先建立完整的專家系統，則必能大幅提升設計成果之水準。目前許多知名顧問公司均已完成前述概念之雛型，且涵蓋橋樑設計、建築設計、地下結構體(管涵、車站、隧道…)、土工結構體、水工結構體…等多項結構設計。例如橋樑設計只需輸入公路橋或鐵路橋、使用橋樑工法、橋樑跨距與橋型配置、基礎型式、橋樑及橋墩、基礎之尺寸、各類構件斷面尺寸、各類材料性質、預力橋之鋼腱特性…等等簡易輸入資料，即可伴隨親切的圖形與對話方塊介面輕輕鬆鬆完成橋樑設計工作；得到一份包含結構設計計算書、數量計算書、設計圖的完整設計成果。其實目前國內許多重大工程諸如捷運工程、高鐵工程均採取設計、施工BOT之統包方式進行；在工期緊迫限制下，若無自動化結構設計之幫助是很難完成的。五、提昇整體台灣土木人之設計能力 台灣本島因地理位置關係對耐震之課題投入相當多之關注，故近年來耐震觀念已漸趨成熟並運用在設計規範上，加上土木專業人士不斷地引進新的土木觀念與新材料、新工法；所以設計規範已成常態地逐年修改變更。設計規範經常性的變革帶給土木人更多的省思與挑戰，不過繁複的設計過程與檢核工作，讓許多土木人有心卻無力。相信自動化結構設計方法之推廣不僅可簡化結構設計之工作，更能加速完成土木人自我訓練與成長。能有更多的時間多關心結構施工實務與結構設計的落差進而提昇整體台灣土木人之設計能力。■ |
