空間彎扭鋼結(jié)構(gòu)深化技術(shù)在長沙梅溪湖城市島項目中的應(yīng)用

章少君+樊林+郭奎剛+辛燃+吳瑤+潘升

摘要：指出了空間彎扭鋼結(jié)構(gòu)具有造型獨特、外觀優(yōu)美等優(yōu)點，在文化藝術(shù)中心及體育場管等大型公共建筑中應(yīng)用較多，但此類結(jié)構(gòu)面臨著深化設(shè)計困難、加工制作復(fù)雜、現(xiàn)場安裝要求高等難題。基于此，以長沙梅溪湖城市島大截面空間彎扭鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計為例，提出了一種關(guān)于空間彎扭鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計的新思路，可為以后工程中采用類似結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；空間彎扭；深化設(shè)計；Tekla Structures；坐標(biāo)表達

中圖分類號：TU393

文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）24-0126-03

1 工程概況

長沙梅溪湖城市島（圖1）位于長沙大河西先導(dǎo)區(qū)核心梅溪湖，總建筑面積約為2萬m2，呈長方形，為地面平整的人工島嶼，標(biāo)志性構(gòu)筑物為高約35 m，直徑約80 m的雙螺旋觀景平臺，通過一座懸索人行天橋?qū)u上螺旋體建筑與島外相連。鋼結(jié)構(gòu)工程主要包括螺旋體鋼結(jié)構(gòu)和人行天橋鋼結(jié)構(gòu)兩個部分（圖2），螺旋體鋼結(jié)構(gòu)主要為“鋼斜柱+空間螺旋環(huán)道+柱間鋼棒”結(jié)構(gòu)體系，人行天橋鋼結(jié)構(gòu)主要為“倒三角桁架+外包鋼板+弧形橋拱”結(jié)構(gòu)體系。

2 空間彎扭結(jié)構(gòu)的特點及重難點分析

空間彎扭構(gòu)件深化設(shè)計和加工制作都非常復(fù)雜。對于工廠加工來說，主要表現(xiàn)在板件彎扭、組裝定位困難等方面；對于深化設(shè)計來說，主要表現(xiàn)在三維建模和展開放樣困難等方面。彎扭構(gòu)件一般都是由彎扭的板材組立而成，故彎扭板材展開放樣的精確程度對整個彎扭構(gòu)件的順利組裝起著至關(guān)重要的作用。

長沙梅溪湖城市島鋼結(jié)構(gòu)工程分為螺旋環(huán)道和人行天橋兩部分（圖3、圖4），均為三角形截面空間彎扭結(jié)構(gòu)。螺旋體環(huán)道為外皮及內(nèi)部縱向和橫向加勁組成的腔體，外皮及內(nèi)部縱向加勁均為空間彎扭構(gòu)件；人行天橋為三角桁架經(jīng)由槽鋼與空間彎扭的外皮連接，其不僅具有一般彎扭結(jié)構(gòu)的特點，還具有大截面、安裝困難等特點。這些都對深化設(shè)計工作提出了更高的要求。

3 空間彎扭構(gòu)件（螺旋體）深化設(shè)計

3.1 應(yīng)用軟件

目前國內(nèi)使用的鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計軟件主要為芬蘭的Tekla Structures。本工程以Tekla Structures軟件為主，AutoCAD軟件為輔，并充分結(jié)合兩者的優(yōu)點進行了軟件的二次開發(fā)，實現(xiàn)了兩個不同軟件平臺的數(shù)據(jù)互通。整個軟件使用流程為AutoCAD →Tekla Structures→AutoCAD。

3.2 深化設(shè)計原理簡述

Tekla Structures軟件對于空間彎扭構(gòu)件在建模方面存在著很大的短板，但也給用戶提供了一種可供選擇的途徑，即節(jié)點庫中的19號和21號節(jié)點。整個深化設(shè)計流程如圖5所示，19號節(jié)點中的“三角生成器”可以將用戶給定的點以一定地順序進行連接，從而可以近似模擬彎扭板材，21號節(jié)點中的“表面展開”可以將19號節(jié)點模擬出的空間彎扭板材展開為平面板材，這兩個節(jié)點綜合在一起運用，就可以實現(xiàn)彎扭構(gòu)件加工圖的生成。因此整個深化設(shè)計流程都是以此為中心展開的。

3.3 技術(shù)特點

3.3.1 三維樣條曲線的處理

由于Tekla Structures軟件節(jié)點庫中的19號節(jié)點“三角生成器”（圖6），必須點到點以一定的連接順序才能準(zhǔn)確模擬彎扭板材，因此要在AutoCAD中將分好段（確保分段不更改）的樣條曲線，以一定間距進行等分得到相應(yīng)的點（圖7），然后再通過二次開發(fā)插件導(dǎo)入到Tekla Structures中，最后生成彎扭的板材。由于AutoCAD中不能批量框選自動生成等分點，十分影響工作進度，對此開發(fā)了相應(yīng)的插件，大大提高了工作效率。

3.3.2 構(gòu)建三維模型及彎扭構(gòu)件展開

（1）三維模型的構(gòu)建模式比較單一，整個工程基本都是運用19號節(jié)點來完成。但對于搭建好的三維彎扭板材（圖8）的進一步處理（例如彎扭板材的切割、焊接、編號等）需要特別注意，因為這會直接影響到能否用21號節(jié)點順利展開，彎扭板材展開前后對比如圖9所示。而且這所有的流程又都是不可逆的，如果某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題就必須重新建模，所以一定要認(rèn)真仔細(xì)處理好每一步驟。

（2）經(jīng)過與工廠的溝通，確定了坐標(biāo)點的設(shè)置原則。模型中的坐標(biāo)點是在板的控制點處增加輔助零件，使輔助零件重心與控制點重合，圖紙中讀取輔助零件重心坐標(biāo)來實現(xiàn)的。為了使輔助零件能批量添加，我們開發(fā)了“坐標(biāo)輔助件添加器”。

（3）彎扭板材數(shù)量多，展開前后一定要相互對應(yīng)，因此使用21號節(jié)點展開一定要有次序和規(guī)律，方便以后能準(zhǔn)確快速的找到展開前后的板材。此外，21號節(jié)點展開板受彎扭板材切割、焊接以及展開點選取位置等因素的影響。

3.3.3 圖紙生成準(zhǔn)備工作及信息表達

（1）根據(jù)工廠制作的情況設(shè)置相對坐標(biāo)系，將輔助零件的重心坐標(biāo)輸入到輔助零件的用戶屬性里面，以便出三維坐標(biāo)圖使用。

（2）根據(jù)相對坐標(biāo)系的設(shè)置，螺旋環(huán)道出三維坐標(biāo)圖。三維坐標(biāo)圖主要包括：三維坐標(biāo)、外包板拼裝方向、零件號等，如圖10、圖11所示。

（3）每段坡道的平面布置圖，主要表達零件號及其相互之間的關(guān)系。對于零件圖應(yīng)特別注意外皮板材零件圖應(yīng)給出拼裝的方向，與三維坐標(biāo)圖中給出的相對應(yīng)。

（4）工廠預(yù)拼裝坐標(biāo)圖及現(xiàn)場安裝坐標(biāo)圖。

4 結(jié)語

空間彎扭鋼結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計通常都是通過AutoCAD及其插件來完成，雖然給設(shè)計人員帶來了很多方便，但是也存在著一些不足，主要是空間彎扭結(jié)構(gòu)所用板材外形極其不規(guī)則，其空間三維坐標(biāo)不易表達清楚，特別是圖紙如果表達不精確會導(dǎo)致工廠加工緩慢，甚至無法加工。為了解決這個難題，本文結(jié)合長沙梅溪湖城市島工程深化實例探討了AutoCAD和Tekla Structures相結(jié)合的這種方式，成功實現(xiàn)了空間大型彎扭鋼結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計及圖紙表達，相比傳統(tǒng)的設(shè)計方法，該方法在深化設(shè)計效率上和質(zhì)量上大大地得到了提升。為了大力推廣該方法，曾先后在武漢天河機場及馬來西亞碧桂園森林城市等項目中使用，均取得了良好的設(shè)計效果，同時大大提高了工廠加工效率及現(xiàn)場安裝速度。因此針對不同結(jié)構(gòu)類型的工程設(shè)計，選擇合適的方法和思路是至關(guān)重要的。在此做簡單歸納總結(jié)，希望能夠?qū)σ院箢愃乒こ痰纳罨O(shè)計有所提示和幫助。

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