Excel和AutoCAD的在工程设计计算中应用1
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Excel 和AutoCAD 在方案设计计算中应用
程志勇 张泽辉 艾立明
【摘 要】针对设计《整立吊车方案》的计算需要，将Excel 和AutoCAD 运用于施工方案的设计中，使用这些工具做计算模拟工作，使施工方案设计工作量大大减少，施工计算的准确性也随之提高，这种应用同样可以适用于其它技术方案计算系统模型。
【关键词】Excel AutoCAD 施工方案 应用
在500kV 合南＃2线路工程组塔中，我公司首次采用吊车整体起立施工方案。
由于吊车整立铁塔计算量大，工艺复杂，为了提高工效，我们选用Excel 和AutoCAD 作为工程计算和模拟工具，形成一整套方便精确的运算体系模型。
Excel 由于其具有计算程序的功能，具备计算模型建立的条件。
在本次方案设计中，首先利用函数菜单的功能对各塔型的重心进行计算求解，列出表格，从中不但能得到总体塔重数据，各段的其它数据也一清二楚。
1 利用Excel 计算塔重心
计算塔重心用电子表格格式如表1。
表1 计算重心用电子表格
备注：其中阴影部分为公式。
1.1铁塔塔段的平面形状大体分为矩形、正三角形、倒三角形、正梯形、倒梯形。
梯形重心高度H 的计算公式为：
2
12123a a a a h H ++⨯
=
（1）
其中1a 为梯形短边尺寸，m ；2a 为梯形短边尺寸，m ；h 为梯形的高度，m 。
1.2 铁塔重心高度的计算
以变截面铁塔为例，铁塔重心高度计算时，假定每段的重量集中于塔面形心，其形心对支点的高度为每段塔的重心高度。
形心计算公式为：
G
M
H ∑=
0 （2）
式中：n G G 087.9=，++=∑2211H G H G M ···+m m H G 。
G 为铁塔总重力，kg ；n
G 为铁塔总质量，kg ；0H 为塔重心至支点的距离（简称重心高度），m ；∑M 为各分段重力对支点的力矩总和。
2利用AutoCAD 进行模拟
对于整立铁塔受力分析计算，应用了AutoCAD 技术。
AutoCAD 是被普遍应用的工程辅助制图软件，利用其能够1：1处理图形，容易测量各种数据及模拟各种布置状态。
首先绘制铁
塔的3D 单线图，从中了解铁塔组装完毕后的结构，根据铁塔结构及重心数据合理选择吊点。
2.1 3D 铁塔模拟图形制作 2.1.1块的制作
先绘制好铁塔的正面图和侧面尺寸图，利用-Block 命令对上述两图图块，命令提示如下： 命令：-block 输入块名或[?]： 指定插入基点：
选择对象：
按回车键就能完成图块的制作。
2.1.2 制作3D 坐标
打开新文件，建立用户坐标系，利用UCS 命令建立3D 坐标。
可以通过以下3种方法启动UCS 命令：
a.在【UCS 】工具栏上选择【UCS 】按钮。
b.单击【工具】|【新建】菜单命令。
c.在命令提示窗口中的命令行“命令：”提示符后，输入UCS 并按回车键或空格键。
启动UCS 命令后，AutoCAD 将提示： 命令：UCS
当前UCS 名称：*世界*
[新建（N ）/移动（M ）/正交（G ）/上一个（P ）/恢复（R ）/保存（S ）/删除（D ）/应用（A ）/？/世界（W ）]<世界>：
将视窗分为四个（按顺序依次选择【视图】【视口】【四个视口】），然后在【视图】命令栏下找【三维视图】建立俯视、侧视、正视和3D 观察一个，将先前制定的图块插入。
图块插入操作如下：
启动-Insert 命令后，提示： 命令：-insert
输入块名或[？]<wilhome>：
指定插入点或[比例/X/Y/Z/旋转（R ）/浏览比例（PS ）/PX/PY/PZ/浏览旋转（PR ）]： 输入X 比例因子，指定对角点，或[角点/XYZ]<1>: 输入Y 比例因子或<使用X 比例因子>：
指定旋转角度<0>:
将两个正面图和一个侧面图按实际形式组合好，将侧面安实际情况连好，就绘制完成塔的
3D 模型。
如图1。
图1 三维塔图绘制范例
吊点选择完成后，将各吊点顺序连好就形成了一个梯形，利用CAD 中的测量标注工具 (Dimaligned) 量出相关尺寸，此过程不需要利用函数进行大量的运算工作，这是由于图形是1：1绘制的，所以测量的尺寸可以认为是准确的。
然后我们确定好吊装绳长，根据几何关系确定出吊点的运动轨迹，已知中心两点找出最近点和最远点位置，利用CAD 依次选择【绘图】【椭圆】【中心点】绘制吊点运动轨迹，使用CAD 的旋转命令（rotate ），将轨迹按正确的角度安放在铁塔侧面图上，如图2。
图2 吊装过程侧面模拟图
根据分析获得起吊绳受力方向与吊点处合力方向间的关系，在轨迹上选择任意一点，连接两个起吊点，绘出吊点处的合力方向，这样就知道此时塔身的旋转角度，根据此时的重心位置和塔重大小，计算吊点合力大小和塔脚受力。
利用Excel 分别对单吊车和双吊车起吊进行了受力分析，由于双吊车受力分析比较容易，在这里只对单吊车受力分析进行说明，制作的受力分析公式如下。
()
)
sin(2cos 21θθθ
+=
G T （3）
式中T 为钢绳受力，kN ；G 为塔的荷载总重，kg ；θ为铁塔旋转角度，（°）；θ1为上侧吊点实际角度，（°）；θ2为下侧吊点实际角度，（°）。
利用三角函数关系计算出其他受力，用电子表格形式计算如表2。
起吊过程中当旋转到45°（对地面夹角）时塔腿受力最大，根据空间力系力矩平衡，计算出塔腿的受力，检验吊点选择的优劣和判断是否需要补强。
另外还将吊点运动轨迹放在3D 图形上进行模拟，使起吊过程模拟更加形象（如图2所示）。
7-起吊绳
6-吊点运动轨迹5-平口
4-下吊点3-重心位置2-上吊点1-K点
表2 受力分析用电子表格
备注：其中阴影部分为公式。
由于运用了Excel和AutoCAD进行方案设计计算，大大简化了繁琐的计算过程，而且我们还可以反复的进行吊点位置的变换，并能很容易地得到相关参，这无疑对铁塔的受力分析是至关重要的。
在工程计算中利用各种工程计算软件，给施工方案的制定和计算提供了一个方便快捷的平台，希望我们在工程实践中关于Excel和AutoCAD的应用，能给您以启示。
【作者简介】
程志勇，男，1973年出生，1997年毕业于东北电力学院，助理工程师，现在项目部工作。
张泽辉，男，1981年出生，2004年毕业于东北电力学院，技术员，现在项目部工作。
艾立明，男，1980年出生，2003年毕业于东北电力学院，技术员，现在项目部工作。
