淺談鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)及方案優(yōu)化

張世偉 王建 杜新紅

【摘 要】文章闡述了鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)及方案優(yōu)化對(duì)確保工程施工質(zhì)量的重要性，介紹了鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)的實(shí)施方法及方案優(yōu)化過(guò)程，以商丘文化藝術(shù)中心工程為例，總結(jié)了深化設(shè)計(jì)及方案優(yōu)化在該鋼結(jié)構(gòu)工程中的實(shí)際應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；深化設(shè)計(jì)；優(yōu)化；桁架；空間網(wǎng)殼

【中圖分類號(hào)】TU391 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）10-0069-03

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和精神文明的進(jìn)步，人們對(duì)建筑的設(shè)計(jì)理念要求越來(lái)越高，不僅要滿足功能需求及保證外觀、形式美，而且現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)逐漸向綜合型、多元化、智能化、高精尖發(fā)展，由此對(duì)結(jié)構(gòu)的外觀要求更加嚴(yán)謹(jǐn)。鋼結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)度、剛度大、比重輕、標(biāo)準(zhǔn)化加工、適應(yīng)快速建造、可以完成奇觀外形等特點(diǎn)，被推廣應(yīng)用于高層及超高層建筑、異型結(jié)構(gòu)、大跨度空間的公共建筑，如迪拜哈利法塔、廣州電視塔、杭州奧體中心體育館、北京新機(jī)場(chǎng)等。復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)工程具有節(jié)點(diǎn)繁瑣、受力復(fù)雜等難點(diǎn)，所以要針對(duì)每個(gè)復(fù)雜構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)的拆解，方能實(shí)現(xiàn)制作及施工。因此，深化設(shè)計(jì)在鋼結(jié)構(gòu)施工前期具有重要的意義。深化設(shè)計(jì)不僅檢索和核校了原設(shè)計(jì)圖，而且進(jìn)一步補(bǔ)充和完善了圖紙，使設(shè)計(jì)達(dá)到理想的效果。

1 深化設(shè)計(jì)的內(nèi)容及意義

1.1 深化設(shè)計(jì)的內(nèi)容

在原設(shè)計(jì)圖紙的基礎(chǔ)上進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，結(jié)合該項(xiàng)目特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)施工條件、構(gòu)件加工、運(yùn)輸及安裝方案等施工工藝流程和相關(guān)專業(yè)的配合要求進(jìn)行二次優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要包含以下內(nèi)容：相關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)建模、鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化和繪制加工詳圖，解決型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)中的型鋼柱型鋼梁與混凝土結(jié)構(gòu)碰撞問(wèn)題。預(yù)留穿筋孔，型鋼桁架與舞臺(tái)機(jī)械的結(jié)合，屋面桁架與裝飾幕墻結(jié)構(gòu)的相互配合關(guān)系。節(jié)點(diǎn)優(yōu)化處理，分段長(zhǎng)度及重量合理，使其構(gòu)件方便加工及運(yùn)輸，便于現(xiàn)場(chǎng)施工。

1.2 深化設(shè)計(jì)的意義

鋼結(jié)構(gòu)二次深化設(shè)計(jì)，它開(kāi)貫穿于設(shè)計(jì)至加工和施工的完成結(jié)束，是構(gòu)件加工及施工過(guò)程中必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。為工程提供施工布置圖和構(gòu)件加工圖，有助于結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)制訂切實(shí)可行的安裝方案，實(shí)施臨時(shí)輔助支撐布置，施工過(guò)程驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)分段安裝的變形分析和控制，虛擬動(dòng)畫模擬等工作。深化設(shè)計(jì)對(duì)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和施工速度、加強(qiáng)安裝質(zhì)量控制、降低成本、保證結(jié)構(gòu)安全起到了積極的作用。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)深度、層次的細(xì)節(jié)，直接影響到鋼構(gòu)件加工和安裝精度。

2 鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)的原則及方法

2.1 深化設(shè)計(jì)的原則

首先根據(jù)施工的設(shè)計(jì)藍(lán)圖、圖紙答疑及會(huì)議紀(jì)要，在不改變?cè)O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)布局及結(jié)構(gòu)形式，不改變?cè)瓨?gòu)件截面、材料等級(jí)及節(jié)點(diǎn)類型的前提下，對(duì)各個(gè)細(xì)部節(jié)點(diǎn)放樣，標(biāo)注尺寸、分段桿件編號(hào)等進(jìn)行二次深化設(shè)計(jì)，且符合加工工藝及安裝方案。通過(guò)深化設(shè)計(jì)，規(guī)定了每個(gè)部件的規(guī)格尺寸，并將部件的位置進(jìn)行了分段組裝。其次對(duì)零部件進(jìn)行分類編碼，選擇合理的裝配節(jié)點(diǎn)和焊縫坡口形狀。最后繪制加工細(xì)節(jié)，確定生產(chǎn)工藝。

2.2 深化設(shè)計(jì)軟件和細(xì)化方法

目前，通常使用的鋼結(jié)構(gòu)建模和細(xì)化軟件主要有3D3S 12.1、Tekla Structures 19.0和CAD 2012等。

利用Tekla Structures 19.0軟件，按1∶1的比例根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)放樣、建模，并搭建出相關(guān)聯(lián)的混凝土結(jié)構(gòu)及配筋，重點(diǎn)檢查梁柱節(jié)點(diǎn)配筋與鋼骨梁的連接形式，提前預(yù)測(cè)出施工中可能發(fā)生的碰撞問(wèn)題。通過(guò)細(xì)化軟件，實(shí)現(xiàn)二維視圖對(duì)三維模型的轉(zhuǎn)化，在三維模型中，鋼構(gòu)件、梁柱、鋼柱梁和混凝土鋼筋之間的空間位置關(guān)系可以非常直觀地展現(xiàn)出來(lái)，能清楚地發(fā)現(xiàn)是否有碰撞問(wèn)題。整體模型建成并處理好節(jié)點(diǎn)后，利用Tekla Structures軟件本身的功能，導(dǎo)出DWG格式，然后利用CAD軟件，進(jìn)行標(biāo)注、調(diào)圖、套圖、簽出圖。

3 鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例

工程施工技術(shù)先行，特別是異型空間結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)工作至關(guān)重要。鋼結(jié)構(gòu)施工前的首要工作是進(jìn)行審圖和圖紙答疑，然后進(jìn)行圖紙深化。深化設(shè)計(jì)一是必須符合結(jié)構(gòu)安全、方便施工及不得影響使用功能；二是不影響鋼構(gòu)件的加工安裝及運(yùn)輸方案的實(shí)現(xiàn)，從而提高施工質(zhì)量，縮短加工、安裝周期?，F(xiàn)以商丘文化藝術(shù)中心工程為例，闡述該項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)圖深化設(shè)計(jì)的具體應(yīng)用。

3.1 工程概況

商丘文化藝術(shù)中心建筑面積為6.7萬(wàn)m2，地上4層、地下2層，局部夾層。該項(xiàng)目主要由群藝館、大劇院、科技館三大部分組成。群藝館由展廳、多媒體教室、排練廳等組成，大劇院包括一個(gè)大劇院和小劇院，科技館主要為展廳，是一座多功能綜合型公共建筑，也是商丘市地標(biāo)性建筑。

3.2 工程的特點(diǎn)與難點(diǎn)

本工程A、C區(qū)主體為框架結(jié)構(gòu)，B區(qū)主體為框剪結(jié)構(gòu)，屋面為管桁架結(jié)構(gòu)。A、C區(qū)屋面為曲面正交平面管桁架結(jié)構(gòu)，B區(qū)入口大廳為雙曲面管桁架結(jié)構(gòu)，觀群廳頂及主舞臺(tái)頂桁架為平面正交型鋼桁架，大劇院為2個(gè)不同心的球形鼓節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，外球直徑為57.2 m，內(nèi)球直徑為44 m。該工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，基上涵蓋了所有鋼結(jié)構(gòu)類型，有型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、型鋼桁架、雙曲面管桁架、球形網(wǎng)殼、壓型金屬板等結(jié)構(gòu)類型。節(jié)點(diǎn)種類繁多，包含栓焊節(jié)點(diǎn)、鑄鋼節(jié)點(diǎn)、焊接球節(jié)點(diǎn)、鼓形節(jié)點(diǎn)等。鋼結(jié)構(gòu)自基礎(chǔ)至屋頂與混凝土結(jié)構(gòu)交叉施工密切結(jié)合，且與相關(guān)舞臺(tái)設(shè)備及裝飾幕墻結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須達(dá)到可靠的承載能力及抗側(cè)移剛度的能力，并符合構(gòu)件的受力要求。鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)及施工是該工程的重點(diǎn)及難點(diǎn)，關(guān)系著整體結(jié)構(gòu)的安全。

3.3 建模及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)及型鋼桁架部分建模，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙按1∶1的比例進(jìn)行放樣建模，構(gòu)建出所有鋼結(jié)構(gòu)實(shí)體模型，并對(duì)相關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)的配筋進(jìn)行建模，找出結(jié)構(gòu)結(jié)合碰撞點(diǎn)，并對(duì)下一步節(jié)點(diǎn)優(yōu)化作準(zhǔn)備；雙曲面桁架及空間球形網(wǎng)殼建模，根據(jù)設(shè)計(jì)提供的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及桿件編號(hào)進(jìn)行編輯導(dǎo)入AUTOCAD軟件中生成線模，根據(jù)線模進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成實(shí)體模型，由于原設(shè)計(jì)標(biāo)示的為關(guān)鍵控制坐標(biāo)點(diǎn)，生成的線模會(huì)出現(xiàn)以折代弧的現(xiàn)象，并未達(dá)到圓滑過(guò)渡弧形曲面的設(shè)計(jì)意圖，對(duì)后期的裝飾幕墻施工帶來(lái)影響。經(jīng)過(guò)深化設(shè)計(jì)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，以桿件端點(diǎn)坐標(biāo)為基準(zhǔn)增加中間控制點(diǎn)，使得桿件弧形過(guò)渡，達(dá)到理想的效果。

3.4 設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

本工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)種類繁多，模型的搭建和構(gòu)件繪制出圖，工作量相當(dāng)大，為壓縮出圖時(shí)間，需要組建一個(gè)團(tuán)隊(duì)來(lái)共同完成。模型搭建完成后，首先檢索碰撞問(wèn)題，然后進(jìn)行節(jié)點(diǎn)處理。對(duì)于原圖紙?jiān)O(shè)計(jì)不明的節(jié)點(diǎn)及不便于現(xiàn)場(chǎng)施工的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)本工程的特點(diǎn)，主要處理的節(jié)點(diǎn)如下。

（1）型鋼對(duì)接節(jié)點(diǎn)，等強(qiáng)焊接優(yōu)化為栓焊連接、翼緣坡口焊接、腹板高強(qiáng)螺栓等強(qiáng)連接；“十”字型鋼柱與“H”型鋼柱變截面優(yōu)化如圖1所示；偏心鋼梁與鋼柱節(jié)點(diǎn)優(yōu)化。

（2）型鋼梁柱與混凝土縱向鋼筋節(jié)點(diǎn)焊接套筒優(yōu)化如圖2所示。

（3）型鋼柱梁密集區(qū)與混凝土柱箍筋節(jié)點(diǎn)優(yōu)化。

（4）球幕影院鋼管柱與環(huán)型梁及斜梁交叉梁節(jié)點(diǎn)優(yōu)化如圖3所示。

（5）型鋼桁架弦桿雙向變截面1∶6節(jié)點(diǎn)過(guò)渡處理。

（6）管桁架弦桿變截面采用1∶4錐型管過(guò)渡處理。

（7）入口大廳搖擺柱銷軸節(jié)點(diǎn)處理如圖4所示；鼓型節(jié)點(diǎn)處理如圖5所示。

3.5 實(shí)施效果及應(yīng)用價(jià)值

通過(guò)對(duì)具有代表性的商丘文化藝術(shù)中心鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目深化設(shè)計(jì)的剖析、論證，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，研究和確定了型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)、型鋼桁架、曲面管桁架結(jié)構(gòu)連接的節(jié)點(diǎn)，為后期構(gòu)件的加工制作及現(xiàn)場(chǎng)安裝提供了有力的技術(shù)保障。該項(xiàng)目的成功應(yīng)用，為后續(xù)公共建筑鋼結(jié)構(gòu)如異型大跨度、型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)、空間網(wǎng)殼等深化工作提供了方法和手段。鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)有利于提高社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

深化設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙的補(bǔ)充和完善，構(gòu)件加工的基礎(chǔ)，也是施工經(jīng)驗(yàn)與設(shè)計(jì)完美結(jié)合的體現(xiàn)。整體結(jié)構(gòu)建模檢索碰撞問(wèn)題，及時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，減少了后期重復(fù)作業(yè)及返工；節(jié)點(diǎn)優(yōu)化及結(jié)構(gòu)截面優(yōu)化使結(jié)構(gòu)受力更加合理，為后續(xù)施工提供便利，減少了構(gòu)件加工繁瑣工序，節(jié)約了施工時(shí)間及施工成本，提高了安裝精度，增加了產(chǎn)值，實(shí)現(xiàn)了利潤(rùn)的最大化。

在鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，特別是組合結(jié)構(gòu)及復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，細(xì)化人員必須與設(shè)計(jì)方有效溝通，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及工作經(jīng)驗(yàn)，不斷對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行補(bǔ)充和完善，確保工程順利高效地完成。同時(shí)，細(xì)化人員要通過(guò)不斷對(duì)“三新”技術(shù)的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，積累豐富的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，逐步提高自身的水平，以滿足深化設(shè)計(jì)工作的要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]