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鋼結構深化設計與STXT軟件應用

作者:張曉龍 馬恩成 夏緒勇 朱恒 陳玉林    
時(shí)間:2013-05-10 16:09:28 [收藏]
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)
    關(guān)鍵詞:

    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。
     

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    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
     

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    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。
     

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    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。
     

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    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。
     

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    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。
     

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    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。
     

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    (a)
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    圖7 實(shí)例工程

    表1 實(shí)例工程對照表

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          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
          [1] 夏緒勇,馬恩成,陳玉林. 鋼結構詳圖設計的開(kāi)發(fā)和功能介紹[J]. 第十四屆全國工程設計計算機應用學(xué)術(shù)會(huì )議論文集,2008:464-469.
          [2] STXT鋼結構詳圖設計軟件用戶(hù)手冊及技術(shù)條件. 北京:中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部,2010.
          [3] 張曉龍,馬恩成,夏緒勇等.鋼結構三維模型碰撞檢測技術(shù)研究及應用[J]. 土木建筑工程信息技術(shù),2009,12:51-54.


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