鋼結構技術(shù)論文
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
摘 要：目前國內的鋼結構詳圖設計基本都是停留在二維繪制狀態(tài)，強度非常大，而且在設計階段深度不足，詳圖設計時(shí)經(jīng)常需要進(jìn)行設計結果的修正和校核，對詳圖設計人員要求較高，這些問(wèn)題嚴重制約著(zhù)鋼結構深化設計的進(jìn)一步發(fā)展。本文系統的闡述了國內鋼結構深化設計的現狀，圍繞該領(lǐng)域核心的問(wèn)題展開(kāi)討論，同時(shí)介紹了鋼結構詳圖設計軟件STXT的功能特點(diǎn)及其應用。
關(guān)鍵詞：深化設計；節點(diǎn)校核；STXT 軟件
鋼結構詳圖深化設計是從設計圖紙轉化為加工、安裝圖紙，并用于指導加工、安裝，是鋼結構工程從設計階段到加工安裝過(guò)程中一個(gè)重要的設計環(huán)節，有時(shí)也稱(chēng)為“二次設計”[1]。利用軟件進(jìn)行深化設計，其基本的流程如圖1所示，詳圖設計人員不僅要深刻理解設計圖紙的意圖，也需要熟悉鋼結構生產(chǎn)、加工的工藝和過(guò)程。詳圖的設計既要符合原始設計要求，又能夠直接用于加工，滿(mǎn)足加工、安裝的要求。因此詳圖設計是一項工程量大、精度要求高的技術(shù)性工作。
圖1 深化設計流程
1、國內詳圖設計現狀
目前國內深化設計基本都是停留在二維繪制狀態(tài)，由于鋼結構形式多樣，截面種類(lèi)多，節點(diǎn)連接復雜，手工繪制強大非常大，而且準確性難以保證。相對于鋼結構設計的不斷成熟發(fā)展，深化設計還相對落后，國內的深化設計、加工制造和施工水平與發(fā)達國家還有不小的差距。
鋼結構詳圖設計的重要性并不亞于鋼結構設計，然而鋼結構深化設計現狀不容樂(lè )觀(guān)：
1）對深化設計重視程度不夠
認為設計院設計的藍圖就已滿(mǎn)足施工要求，加工詳圖只是鋼結構加工單位為了方便加工而出具的下料圖。
2）設計深度不夠
不少設計單位，承擔工程的設計者多為剛畢業(yè)不久的學(xué)生，缺乏實(shí)踐經(jīng)驗，對所設計的節點(diǎn)是否安全、構造是否合理等心中沒(méi)底，將其中部分節點(diǎn)設計只給出了大樣圖，設計院只做到了“方案設計”或初步設計的深度，將施工圖交給加工廠(chǎng)。
3）設計未充分考慮施工
一些設計人員對工廠(chǎng)生產(chǎn)條件、現場(chǎng)施工條件、運輸能力、吊裝能力等不并十分了解，往往給安裝施工帶來(lái)不便。
4）設計與深化設計職責不明
“施工圖設計”應由設計院完成，施工圖設計必須滿(mǎn)足設計深度的要求，合同往往規定設計人員要對鋼結構詳圖進(jìn)行最后審核并簽章。一方面設計院將一部分設計工作轉給加工企業(yè)；另一方面確實(shí)由于時(shí)間緊張，詳圖圖紙數量巨大，同時(shí)設計人員認為詳圖的正確與否、合理與否責任不在自己，因此往往無(wú)心細看，草草翻翻了事。
5）缺乏優(yōu)秀的詳圖設計軟件
目前國內市面上比較成熟的詳圖設計軟件，基本都是國外引進(jìn)軟件，這些國外軟件的價(jià)格普遍都比較昂貴，而且不是專(zhuān)門(mén)針對國內的鋼結構市場(chǎng)，設計人員上手較困難，只有少數有實(shí)力的大型鋼構公司能夠使用起來(lái)，不適合推廣與普及。
這一現狀與鋼結構工程的蓬勃發(fā)展不對稱(chēng)，如果能夠藉以強大的計算機與優(yōu)秀的詳圖設計軟件，協(xié)助詳圖設計人員完成鋼結構后期的加工、制作詳圖設計，就可以讓設計者在更短的時(shí)間內做出更正確的設計。
為此，由中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD設計軟件事業(yè)部開(kāi)發(fā)完成了鋼結構詳圖設計軟件STXT，就上述的一些問(wèn)題提出解決辦法，下面將圍繞著(zhù)這些問(wèn)題展開(kāi)論述。
2、國內深化設計的核心問(wèn)題
圖2 鋼結構三維模型
2．1 詳圖設計的基本任務(wù)
1、模型搭建
一般詳圖設計需要按照設計圖紙進(jìn)行二次建模，如何能夠快速建立完成詳圖模型，是順利進(jìn)行詳圖設計的第一步。
鋼結構詳圖設計軟件STXT為結構三維模型輸入提供了多種建模方式，能完成各類(lèi)主結構建模，同時(shí)還提供專(zhuān)業(yè)的圍護結構建模模塊[2]，圖2為一個(gè)框架模型圖。
2、節點(diǎn)連接處理
鋼結構節點(diǎn)連接處理是詳圖設計環(huán)節中最為關(guān)鍵的環(huán)節，構造也最為復雜，工作量最大。鋼結構詳圖設計STXT提供了大量庫節點(diǎn)，可以快速方便的錄入或生成連接數據。
圖3 節點(diǎn)創(chuàng )建方式界面
STXT軟件中，建立了內部連接類(lèi)型庫（目前已經(jīng)達到381種）,如圖3所示：針對性強，涵蓋了國內鋼結構框架結構、鋼結構工業(yè)廠(chǎng)房結構的常用節點(diǎn)形式 ；緊扣國內規范要求；參數設置簡(jiǎn)單明了，且根據選擇的連接部位與截面給出了合理的初始參數，對可能出現矛盾的參數之間進(jìn)行合理性關(guān)聯(lián)。
3、模型檢查
在鋼結構詳圖設計軟件中，構件及零件加工詳圖都是由三維模型直接產(chǎn)生，直接用于指導加工生產(chǎn)。建立的模型及連接節點(diǎn)是否合理，零件之間是否相互碰撞或螺栓安裝是否留有足夠的空間，都需要在節點(diǎn)連接創(chuàng )建時(shí)綜合考慮，避免在安裝加工時(shí)安裝難度大或不合理碰撞情況。由于鋼結構三維模型規模龐大，節點(diǎn)構造復雜，設計人員難以通過(guò)人工查看來(lái)發(fā)現模型中不合理的連接，需要詳圖設計軟件提供一個(gè)自動(dòng)模型碰撞檢測和安裝合理性檢驗的功能。
鋼結構詳圖設計軟件STXT中提供了模型碰撞檢測及螺栓安裝空間合理檢驗[3]?？梢栽谌S模型中非常直觀(guān)的進(jìn)行模型檢查，避免建模和節點(diǎn)中存在的不合理問(wèn)題。
4、生成圖紙
全樓連接交互錄入完成后，程序自動(dòng)進(jìn)行全樓構件、零件的歸并與編號，統計全樓材料，并自動(dòng)生成全樓詳圖圖紙，程序共提供三類(lèi)圖紙：節點(diǎn)圖、構件圖與零件圖，節點(diǎn)圖、構件圖中都含有布置圖。STXT軟件都是由全樓模型全部自動(dòng)生成全樓全套圖紙，并對圖紙進(jìn)行管理。程序還提供了1：1放樣的DXF零件數據文件輸出，可以應用于數控機床。
構件圖（裝配件圖）標識所有零件的編號（零件編號為全樓零件歸并后的全樓編號，每個(gè)歸并零件的編號全樓是唯一的）。構件圖的材料表中詳細給出了該構件所使用的零件清單與重量統計。全樓構件表中給出了每個(gè)歸并構件的全樓數量與全樓的用鋼量統計，如圖4所示。
零件圖中詳細的標出了零件的放樣尺寸、零件所在的歸并構件及數量、歸并零件的全樓用量。全樓零件表中給出了全樓的零件清單，如圖5所示。
5、圖紙管理
詳圖設計往往工期緊張、周期長(cháng)，一個(gè)比較大的工程，高層的部分還處于設計，底層的已經(jīng)開(kāi)始加工、安裝和施工了，在施工過(guò)程中，模型發(fā)生變更的事情時(shí)常發(fā)生，但是一部分圖紙已經(jīng)調圖結束進(jìn)入加工階段，如何在后期變更模型時(shí)，盡可能的標識圖紙的改動(dòng)量，同時(shí)還保證準確性，是詳圖設計中一個(gè)核心問(wèn)題。
圖5零件圖與對應零件全樓用量統計
STXT程序能自動(dòng)對全樓構件、零件進(jìn)行歸并編號，可以修改構件編號前綴或起始編號。當模型或連接發(fā)生變化時(shí)，可以只對變化部分進(jìn)行編號，未變化部分，編號可以保持不變。自動(dòng)管理全樓構件、零件圖。當連接變更、模型變更時(shí)，對于已出圖紙，未變化部分可以選擇保留，只更新變化部分圖紙和增加新的圖紙。
圖4構件圖與構件材料表
2．2 詳圖設計者需要對相關(guān)連接節點(diǎn)形式有充分的了解
鋼結構詳圖設計者還要了解設計規范，掌握其中連接計算和構造要求方面的內容，對常用結構的受力特點(diǎn)，連接節點(diǎn)形式有充分的了解，這樣設計出來(lái)的連接形式、節點(diǎn)作法才能符合設計模型的計算假定，符合有關(guān)規范的要求。不合理的節點(diǎn)構造設計，除了會(huì )改變結構的受力特征外，往往還可能引起應力集中、產(chǎn)生過(guò)大的殘余應力和殘余變形，給結構造成很大的安全隱患。據相關(guān)統計，由于節點(diǎn)連接不合理造成的事故占鋼結構工程事故的比例高達約20%。
近些年國內鋼構公司發(fā)展迅速，從規模上看還是中小型公司偏多，對相關(guān)設計規范的掌握和設計要求了解并不細致。
鋼結構詳圖設計軟件STXT，提供了該方面功能，協(xié)助進(jìn)行節點(diǎn)受力及構造合理性的檢查：
1）輸入連接設計內力，自動(dòng)建立連接。
這種連接錄入方式，適合于設計圖中只提供了布置圖、桿件的截面與桿端的連接內力，由詳圖設計中自行進(jìn)行連接設計。STXT程序在錄入連接的時(shí)候，可以由用戶(hù)選擇連接類(lèi)型，輸入連接設計內力，并選擇相關(guān)控制設計參數，程序自動(dòng)進(jìn)行節點(diǎn)連接設計，并提供詳細的節點(diǎn)設計計算書(shū)，界面如圖6所示。
2）節點(diǎn)校核
同時(shí)從加工和安裝方便角度，往往在深化設計階段會(huì )對一些相近的節點(diǎn)進(jìn)行參數歸并，標準化節點(diǎn)類(lèi)型，但是修改后的節點(diǎn)連接是否能夠滿(mǎn)足設計相關(guān)要求，詳圖設計人員較難判斷。STXT軟件中提供了校核功能，能根據用戶(hù)交互輸入節點(diǎn)連接參數及設計內力，程序自動(dòng)進(jìn)行承載力校核及合理化檢查。
圖6 輸入設計內力自動(dòng)設計
2．3 結構設計與深化設計的協(xié)同作業(yè)
一些比較大鋼構公司往往擁有結構設計與詳圖設計兩個(gè)部門(mén)，同時(shí)一些設計公司也開(kāi)始把業(yè)務(wù)擴展到詳圖設計領(lǐng)域。
如果能夠在詳圖設計階段直接采用結構設計模型，既可以節省重復建模的工作，也可以避免二次建模有可能帶來(lái)的錯誤，同時(shí)還能更好地就建模及細部處理中存在的各類(lèi)問(wèn)題與設計方進(jìn)行交流。
目前國內設計主要還是采用PKPM的設計軟件來(lái)進(jìn)行輔助設計，鋼結構詳圖設計軟件STXT提供與PKPM設計軟件的無(wú)縫接口，能載入PKPM結構模型與設計內力。設計建模采用PMCAD或者STS，設計采用三維分析軟件SATWE、TAT或者PMSAP完成時(shí)，詳圖設計軟件可以直接讀取其三維模型，并且可以讀取三維分析軟件的設計內力，自動(dòng)完成全樓節點(diǎn)設計，并提供詳細的計算書(shū)。
3、應用實(shí)例
例1：兩層結構，一層為框架：開(kāi)間10×7.5m，進(jìn)深4×8m；第二層為二跨輕型門(mén)式剛架：開(kāi)間10×7.5m，進(jìn)深2×16m；，屋面坡度1/10，如圖7-（a）。
例題2：接力PKPM結構軟件模型與分析數據進(jìn)行詳圖設計，氣體冷卻器框架，用戶(hù)實(shí)際工程，采用PKPM鋼結構STS建模，采用SATWE分析，如圖7-（b）。
例題3：高層框架結構，用戶(hù)實(shí)際工程，如圖7-（c）。
采用軟件后與二維繪制需要的時(shí)間對照表如表1所示，同時(shí)STXT軟件還在廠(chǎng)房、框架、展廳等各類(lèi)結構中進(jìn)行了大量應用。
（a）
圖7 實(shí)例工程
表1 實(shí)例工程對照表
注：該表中手工繪制時(shí)間為用戶(hù)反饋時(shí)間，使用軟件時(shí)間為筆者自己操作時(shí)間。
4．小 結
綜上所述，可以得出以下結論：
1、鋼結構詳圖深化設計是一項工程量大、精度要求高的技術(shù)性工作，是鋼結構設計中重要的環(huán)節，但是長(cháng)期以來(lái)國內鋼結構深化設計水平較低，迫切需要借以?xún)?yōu)秀的深化設計軟件來(lái)輔助進(jìn)行設計；
2、鋼結構詳圖設計軟件STXT，沿襲PKPM結構軟件的建模方式，簡(jiǎn)捷的交互連接建立：連接錄入對話(huà)框針對性強，參數設置簡(jiǎn)單清楚，提供了快速的連接建立與復制功能。圖紙的表達符合國內的出圖習慣，同時(shí)考慮了國內規范的一些要求。
3、國內詳圖設計還同時(shí)承擔著(zhù)部分節點(diǎn)設計工作，這對詳圖設計是一個(gè)較大的挑戰，STXT軟件中提供了自動(dòng)連接設計及校核功能，能夠協(xié)助詳圖設計人員進(jìn)行節點(diǎn)設計和參數合理性檢查，解決了詳圖設計中的難題，對工程質(zhì)量也起到一定保證作用；
4、軟件能無(wú)縫銜接PKPM設計模型、分析模型以及STS的節點(diǎn)設計結果模型，使結構設計與詳圖設計能協(xié)同作業(yè)，避免了二次建?？赡艿腻e誤，提高了效率，縮短了工程周期，節約了成本，為設計方和施工方的合作提供了一種新的可能。
參考文獻
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