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：以沈陽(yáng)展覽中心工程鋼結構施工詳圖設計及管理為例，闡述了鋼結構施工詳圖設計的繪制過(guò)程及管理方法。針對目前鋼結構工程中工程量大、工期緊張的特點(diǎn)，采用了三維設計軟件XSTEEL與CAD結合的優(yōu)化方案，提高了構件轉化的準確度，為工廠(chǎng)順利加工提供有力條件，為現場(chǎng)安裝提供了準確的安裝圖紙，更好的滿(mǎn)足了鋼結構工程的加工及現場(chǎng)安裝的需要。
關(guān)鍵詞：鋼結構 施工詳圖設計 工程管理
鋼結構在我國國民經(jīng)濟建設的應用范圍很廣，它在房屋建筑、地下建筑、橋梁、塔桅、海洋平臺、港口建筑、礦山建筑、水工建筑、囤倉建筑、氣柜球罐和容器管道中都得到廣泛應用；其中鋼結構建筑工程是我國建筑行業(yè)中蓬勃發(fā)展的一個(gè)既古老又嶄新的行業(yè)，是綠色環(huán)保產(chǎn)品，也是推動(dòng)傳統建筑業(yè)向高新技術(shù)發(fā)展的重要力量。
鋼結構施工詳圖作為鋼結構工程中不可或缺的一部分，體現著(zhù)至關(guān)重要的價(jià)值。鋼結構施工詳圖又稱(chēng)加工圖或放樣圖。圖紙深度須滿(mǎn)足車(chē)間直接制造及現場(chǎng)安裝的要求。目前，詳圖設計的工作范圍逐步擴大，已從單一為加工廠(chǎng)提供詳圖制作，擴展到為物資采購部門(mén)提供材料報表、螺栓報表進(jìn)行采購；與此同時(shí)還需協(xié)助工廠(chǎng)備料及輔助編制工程進(jìn)度計劃。詳圖設計中使用XSTEEL三維建模軟件，能夠充分發(fā)揮其直觀(guān)、準確、仿真的優(yōu)勢，消除安裝構件時(shí)存在碰撞的隱患，是以往單純CAD深化設計所不能比擬的。詳圖設計已成為連接原設計方、加工廠(chǎng)、項目部、物資采購等相關(guān)部門(mén)的重要紐帶。
1 工程概況
沈陽(yáng)展覽中心(Shenyang Exhibition Centre)位于沈陽(yáng)市蘇家屯區，展覽中心占地面積700畝，建筑面積16萬(wàn)m2，其中室內展覽面積10萬(wàn)m2,由8個(gè)面積為1.32萬(wàn)m2的展廳組成，可容納5000個(gè)國際標準展位，可承接國際國內大型展會(huì )和各種大型活動(dòng)，已成為東北地區最大的會(huì )展中心。展覽中心在建筑設計上采用的是“陳列式”結構，8個(gè)展廳既可以有機地融合在一起又可以互相獨立開(kāi)來(lái)，即可以同時(shí)設展，每一個(gè)展廳也能獨自舉辦各種類(lèi)型的展覽，這種設計方案在國內其他會(huì )展中心并不多見(jiàn)。沈陽(yáng)展覽中心建設難度較大。其中，整個(gè)中心鋼結構工程總計8640t，164根鋼梁，每根鋼梁重40t左右，跨度80米。由于長(cháng)度超長(cháng)，必須分段制作、運輸，在現場(chǎng)拼裝，拼裝精度、焊接質(zhì)量等要求極高（圖1）。
圖1 一榀屋面鋼梁（沈陽(yáng)展覽中心鋼結構施工）
2 鋼結構施工詳圖設計
2.1 熟悉設計圖紙及設計交底工作
展覽中心詳圖設計任務(wù)為鋼結構屋面系統。屋面系統包括屋面鋼拱梁，屋面水平支撐，豎向支撐，屋面檁條。首先建模人員熟悉結構圖紙和建筑圖紙。對于設計圖紙上有疑問(wèn)或矛盾之處，在設計交底會(huì )議上及時(shí)與設計人員溝通。
圖2 沈陽(yáng)展覽中心屋面平面布置圖（沈陽(yáng)展覽中心鋼結構施工）
2.2 屋面鋼結構建模
建模人員在接收建模任務(wù)的同時(shí)，需保證以下設計資料齊全：原設計圖紙或其他與原設計圖紙性質(zhì)等同的文件，項目負責人的項目交底文件，編號系統文件，工期進(jìn)度表，文件控制規定。按照工期計劃合理劃分建模區域及安排進(jìn)度。
此工程分10個(gè)區A1、A2、A3、A4，B1、B2、B3、B4，C1、C3（見(jiàn)圖2）。由于屋面鋼拱梁的結構形式對稱(chēng)，因此只需要對A1區和C1區進(jìn)行建模及出圖工作。首先將各種類(lèi)型構件設置不同狀態(tài)，顏色等級，方便構件過(guò)濾。然后開(kāi)始屋面鋼梁建模，參考構件混凝土柱建模，屋面水平和豎向支撐建模，檁條建模。起始建立模型的時(shí)候，由一位建模人員負責添加軸網(wǎng)、新截面和新材質(zhì)，且新添加的截面型材須符合標準。在搭建構件時(shí) ，要在圖紙對應位置用彩筆做出標記。對于發(fā)生碰撞之處，拍成圖片，寫(xiě)成聯(lián)系單，發(fā)往原設計協(xié)商解決。對于一些具有特殊要求的構件，要在材料表中特別說(shuō)明，例如在鋼梁支座處包括了一塊80mm的厚板，此板要在材質(zhì)上加Z向性能。在鋼梁中，不同厚度的鋼板在對接時(shí)，為防止焊接后產(chǎn)生應力及疲勞，應從板厚的一側或兩側做緩坡?tīng)钚苯堑南鞅√幚?，削薄坡度?/span>1/4，這也是《鋼結構設計規范》的構造要求。在鋼結構施工詳圖深化設計中，建模人員不只是簡(jiǎn)單、輕松地照搬照抄設計圖紙，還要熟悉鋼結構設計規范及鋼結構構造要求，將理論運用于實(shí)際工作中，更好更準確的完成鋼結構詳圖設計(圖3)。
圖3 A1區和C1區三維模型（沈陽(yáng)展覽中心鋼結構施工）
2.3 模型審核
模型審核是控制詳圖質(zhì)量的有效措施。包括自審和專(zhuān)審。首先建模人員進(jìn)行自審，然后由審核工程師進(jìn)行專(zhuān)審。最終完成模型時(shí)，保證原設計圖的所有信息都有標記，防止遺漏任何信息。模型建完之后，需要自審模型，自審時(shí)通過(guò)材料清單，檢查材質(zhì)等級，及構件編號。通過(guò)螺栓清單復核螺栓等級及長(cháng)度；并提交模型自審單給審核人員。審核人員進(jìn)入模型，開(kāi)始審核工作，對于模型中構件定位及編號、截面型材，節點(diǎn)進(jìn)行全面審核。最終提供審核單。建模人員針對審核問(wèn)題做出修改，完善模型。
2.4 模型出圖
在確保模型完整、正確的基礎上，設置好圖框及材料表樣式，準備出圖。對于梁、支撐、檁條、豎桿，每種類(lèi)型構件各出一張，提交技術(shù)中心進(jìn)行審核批復，審核后開(kāi)始正式出構件加工詳圖和安裝圖。一般要求首先完成安裝圖，通過(guò)繪制安裝圖再一次對原設計圖中的構件定位等進(jìn)行核對，也是確保圖紙準確的有效措施之二。當所有圖紙完成后，提供構件表和目錄等清單，送審設計院審核。在等待審核回復意見(jiàn)的同時(shí)，也是我們對圖紙中構件組裝尺寸，說(shuō)明進(jìn)行審核的過(guò)程。在使用XSTEEL進(jìn)行圖紙深化設計時(shí)，我們經(jīng)常把重心放在模型搭建的質(zhì)量上，往往忽視圖紙的質(zhì)量。習慣性認為模型沒(méi)有任何錯誤，圖紙相應也會(huì )很好。其實(shí)不然，如果圖紙中漏掉零件標記，構件標記，焊縫錯誤，組裝尺寸不全，說(shuō)明不夠詳盡，對于工廠(chǎng)加工而言，即使是一根精美的梁放在圖紙上，也是無(wú)法將其快速、準確、保質(zhì)保量的制作出來(lái)。
3 施工詳圖設計中難點(diǎn)攻克
此工程的難點(diǎn)之一是工程量大而工期短。一般情況下完成如此大噸位的深化設計需要一個(gè)月的時(shí)間。經(jīng)過(guò)對圖紙詳細了解，沈陽(yáng)展覽中心屋面鋼結構由結構相同的8個(gè)大區A1～A4及B1～B4和2個(gè)小區C1、C3組成。我們只要選擇A1和C1開(kāi)始建模及出圖即可，工作量減少到原來(lái)的六分之一，大幅度縮短了建模及出圖時(shí)間。因此，我們將轉化工期定為10天。這也是一次非同尋常的嘗試和挑戰。
眾所周知，大型展館是一個(gè)城市的精神象征，是一個(gè)城市的名信片。一般場(chǎng)館工程除了具備基本使用功能外，最重要的是要有一個(gè)讓人贊嘆不已、印象深刻的建筑外觀(guān)。吸引人們眼球的建筑形式當然是曲線(xiàn)造型。沈陽(yáng)展覽中心也不例外，屋面結構采用平面鋼拱梁和空間鋼拱扭梁。兩種類(lèi)型的鋼梁使得詳圖深化設計的難度大幅度增加。
詳圖轉化中普遍使用的是XSTEEL軟件，而該軟件在曲線(xiàn)形式桿件的轉化方面，尤其是曲線(xiàn)的平滑度方面存在著(zhù)一些不足。如果直接用XSTEEL轉化平面鋼拱梁，就可能在尺寸精度上產(chǎn)生誤差。為了克服XSTEEL的缺點(diǎn)，我們先在CAD內放樣，將放樣尺寸導入XSTEEL軟件內，然后用CAD內的一些關(guān)鍵點(diǎn)控制XSTEEL構件的放樣尺寸及外觀(guān)。在平面鋼拱梁準確放樣的基礎上，使得兩個(gè)軟件的優(yōu)勢充分結合，進(jìn)一步減小或避免尺寸誤差。對于空間鋼拱扭梁的深化設計，我們直接采用CAD放樣出圖，并利用了CAD二次開(kāi)發(fā)程序——空間點(diǎn)輸出坐標，不但對每段空間扭梁的組裝控制點(diǎn)給出三維坐標，而且還提供每個(gè)零件控制點(diǎn)的三維坐標，以及每個(gè)零件的平面展開(kāi)圖及坐標。這種深化設計方法既忠于原設計的意圖又為工廠(chǎng)加工及現場(chǎng)安裝提供可靠數據（圖4）。
圖4 空間鋼拱扭梁三維軸側圖（沈陽(yáng)展覽中心鋼結構施工）
此工程的難點(diǎn)之三是屋面水平支撐中使用的鋼絲繩索。由于鋼絲繩索在加工完成運到現場(chǎng)之后，就不能夠對于超出允許范圍的長(cháng)度進(jìn)行調整，一般來(lái)說(shuō)只能再運送回索生產(chǎn)廠(chǎng)家進(jìn)行修改。這樣既耽誤了工期也造成了費用和材料的損失。借助于XSTEEL模型精準的空間定位，我們可以非常準確及方便的測量出每根空間索的長(cháng)度，避免了上述情況的發(fā)生。對索進(jìn)行深化設計時(shí)，還需要注意索的長(cháng)度是受力張緊情況下還是未受力松弛狀態(tài)下，兩者的長(cháng)度是有區別的，配合錨具調節幅度考慮。積極配合專(zhuān)業(yè)的索加工廠(chǎng)，提供準確的數據。
4 施工詳圖深化過(guò)程中與項目部及工廠(chǎng)的配合
詳圖深化過(guò)程與項目部的配合，項目部對于鋼梁的長(cháng)度提出了要求，要求鋼梁長(cháng)度不得大于15m，因此為了滿(mǎn)足該要求，我們對于鋼梁進(jìn)行了分段，經(jīng)過(guò)多方考慮，最終確定了將鋼梁分成7段，并在相應位置設置了連接吊耳，為現場(chǎng)的安裝提供了有利條件。由于此鋼梁安裝完畢后，要用混凝土灌漿，因此我們在鋼梁的相應位置處設置灌漿孔、振搗孔、出氣孔。灌漿孔的設置滿(mǎn)足了現場(chǎng)混凝土的施工要求。
詳圖深化過(guò)程與加工廠(chǎng)配合。在沈陽(yáng)展覽中心鋼梁的截面形式為“日”字型。鋼梁內部通長(cháng)隔板的焊接形式為雙面角焊縫，而箱型構件內隔板無(wú)法保證雙面角焊縫。工廠(chǎng)實(shí)際裝配順序為:
1→2→3→4→5（圖5），故考慮裝配焊接實(shí)際可操作性，詳圖深化過(guò)程中，建議將3號隔板采用單面坡口焊縫形式。此優(yōu)化方案得到了設計院的認可。
圖5 隔板焊縫優(yōu)化方案
5 鋼結構施工詳圖管理
5.1 工程編號管理
對于工程中使用的構件編號，要根據整體工程綜合考慮，項目編號管理包括零件、構件編號系統、圖紙編號系統、報告編號系統。例如構件編號中要設定零件前綴、構件前綴、構件名稱(chēng)等內容。無(wú)論在國內工程還是國外工程中，詳圖中的編號設置都應全面、明確、具體。由于工程項目具有唯一性、多樣性等特點(diǎn)，編號系統必須根據各個(gè)項目的不同結構形式及特點(diǎn)進(jìn)行編制，不能統一。在工程管理中設置編號系統至關(guān)重要（表1）。如果一個(gè)工程由多個(gè)子項組成，科學(xué)的控制和指派構件編號，能夠使加工廠(chǎng)便于按照工期進(jìn)度制定切實(shí)可行的加工計劃，能夠讓我們合理安排打包方案及構件運輸計劃，能夠使我們查找和清點(diǎn)構件變得更加容易。在安裝過(guò)程中，由于同一區域的構件可以堆放在指定范圍內，這樣有助于吊裝時(shí)更充分的組織和利用吊機，提高作業(yè)效率，減少機械臺班費用，降低成本。
表1 沈陽(yáng)展覽中心編號系統表
注：前兩個(gè)XX表示區號，后兩個(gè)XX表示流水號例如SBC-SYHZ-A101表示A1區01圖
5.2 工期控制管理
根據現場(chǎng)安裝方案及甲方工期要求，對于深化設計的工期做出合理安排。確保工程順利完成。沈陽(yáng)展覽中心總噸位8640t，使用施工詳圖轉化軟件為Auto CAD和XSTEEL。深化設計工期為10天（表2）。
表2 沈陽(yáng)展覽中心工期進(jìn)度
5.3 文檔控制管理
在國外工程中，外方的文檔控制工作很?chē)乐?，?zhuān)人負責，流程清晰，文檔分類(lèi)詳盡。我們在向國外工程學(xué)習的同時(shí)，結合國內工程特點(diǎn)也進(jìn)行了文檔控制工作。在接收原設計單位提供的圖紙時(shí)，藍圖需要加蓋設計院出圖章及設計人員資質(zhì)章。所有文件由文檔控制員通過(guò)正式公共郵箱發(fā)出或接收郵件。各工程項目要使用不同的郵件編號，并使用統一格式。收發(fā)郵件要有記錄單。文控資料中明確出抄送的相關(guān)部門(mén)，文件有記錄可尋。在工程過(guò)程中及結束時(shí)，這些過(guò)程中控制的技術(shù)資料及來(lái)往信函在工程結算、決算及索賠方面起著(zhù)重要作用。同時(shí)也是工程風(fēng)險控制及合同管理的有效措施。在內部傳遞文件時(shí)使用FTP平臺，方便了與各個(gè)部門(mén)之間的資料傳遞，提高了工作效率。
6 結語(yǔ)
綜上所述，通過(guò)對沈陽(yáng)展覽中心施工詳圖深化設計及管理的介紹，總結了鋼結構施工詳圖深化設計中需要完成的工作內容及重點(diǎn)。根據實(shí)踐經(jīng)驗及科學(xué)管理，完成了深化工期為10天的目標。在平面鋼拱梁和空間鋼拱扭梁的詳圖深化設計中，將CAD軟件與XSTEEL軟件的優(yōu)勢充分結合，為今后空間曲線(xiàn)結構的深化設計積累了豐富經(jīng)驗。沈陽(yáng)展覽中心工程被中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )評定為“建筑鋼結構金獎”。
參考文獻
[1] 《鋼結構工程施工與質(zhì)量驗收實(shí)用手冊》2003
[2] 《鋼結構設計規范》 GB 50017-2003
[3] 《鋼結構工程施工質(zhì)量驗收規范》GB 50205-2001
[4] 《建筑鋼結構焊接技術(shù)規程》JGJ81-2002
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