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(dú)特、外觀優(yōu)美等優(yōu)點(diǎn)，在文化藝術(shù)中心及體育場(chǎng)管等大型公共建筑中應(yīng)用較多，但此類(lèi)結(jié)構(gòu)面臨著深化設(shè)計(jì)困難、加工制作復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)安裝要求高等難題?；诖耍蚤L(zhǎng)沙梅溪湖城市島大截面空間彎扭鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)為例，提出了一種關(guān)于空間彎扭鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)的新思路，可為以后工程中采用類(lèi)似結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)提供參考。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TU393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2016）24-0126-03

1 工程概況

長(zhǎng)沙梅溪湖城市島（圖1）位于長(zhǎng)沙大河西先導(dǎo)區(qū)核心梅溪湖，總建筑面積約為2萬(wàn)m2，呈長(zhǎng)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(tái)，通過(guò)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(gè)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(diǎn)及重難點(diǎn)分析

空間彎扭構(gòu)件深化設(shè)計(jì)和加工制作都非常復(fù)雜。對(duì)于工廠(chǎng)加工來(lái)說(shuō)，主要表現(xiàn)在板件彎扭、組裝定位困難等方面；對(duì)于深化設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，主要表現(xiàn)在三維建模和展開(kāi)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(kāi)放樣的精確程度對(duì)整個(gè)彎扭構(gòu)件的順利組裝起著至關(guān)重要的作用。

長(zhǎng)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?yàn)槿氰旒芙?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(diǎn)，還具有大截面、安裝困難等特點(diǎn)。這些都對(duì)深化設(shè)計(jì)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(jì)

3.1 應(yīng)用軟件

目前國(guó)內(nèi)使用的鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)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(diǎn)進(jìn)行了軟件的二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)不同軟件平臺(tái)的數(shù)據(jù)互通。整個(gè)軟件使用流程為AutoCAD →Tekla Structures→AutoCAD。

3.2 深化設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)述

Tekla Structures軟件對(duì)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(hù)提供了一種可供選擇的途徑，即節(jié)點(diǎn)庫(kù)中的19號(hào)和21號(hào)節(jié)點(diǎn)。整個(gè)深化設(shè)計(jì)流程如圖5所示，19號(hào)節(jié)點(diǎn)中的“三角生成器”可以將用戶(hù)給定的點(diǎn)以一定地順序進(jìn)行連接，從而可以近似模擬彎扭板材，21號(hào)節(jié)點(diǎn)中的“表面展開(kāi)”可以將19號(hào)節(jié)點(diǎn)模擬出的空間彎扭板材展開(kāi)為平面板材，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)綜合在一起運(yùn)用，就可以實(shí)現(xiàn)彎扭構(gòu)件加工圖的生成。因此整個(gè)深化設(shè)計(jì)流程都是以此為中心展開(kāi)的。

3.3 技術(shù)特點(diǎn)

3.3.1 三維樣條曲線(xiàn)的處理

由于Tekla Structures軟件節(jié)點(diǎn)庫(kù)中的19號(hào)節(jié)點(diǎn)“三角生成器”（圖6），必須點(diǎn)到點(diǎn)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(xiàn)，以一定間距進(jìn)行等分得到相應(yīng)的點(diǎn)（圖7），然后再通過(guò)二次開(kāi)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(dòng)生成等分點(diǎn)，十分影響工作進(jìn)度，對(duì)此開(kāi)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(kāi)

（1）三維模型的構(gòu)建模式比較單一，整個(gè)工程基本都是運(yùn)用19號(hào)節(jié)點(diǎn)來(lái)完成。但對(duì)于搭建好的三維彎扭板材（圖8）的進(jìn)一步處理（例如彎扭板材的切割、焊接、編號(hào)等）需要特別注意，因?yàn)檫@會(huì)直接影響到能否用21號(hào)節(jié)點(diǎn)順利展開(kāi)，彎扭板材展開(kāi)前后對(duì)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(wèn)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(guò)與工廠(chǎng)的溝通，確定了坐標(biāo)點(diǎn)的設(shè)置原則。模型中的坐標(biāo)點(diǎn)是在板的控制點(diǎn)處增加輔助零件，使輔助零件重心與控制點(diǎn)重合，圖紙中讀取輔助零件重心坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了使輔助零件能批量添加，我們開(kāi)發(fā)了“坐標(biāo)輔助件添加器”。

（3）彎扭板材數(shù)量多，展開(kāi)前后一定要相互對(duì)應(yīng)，因此使用21號(hào)節(jié)點(diǎn)展開(kāi)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(kāi)前后的板材。此外，21號(hào)節(jié)點(diǎn)展開(kāi)板受彎扭板材切割、焊接以及展開(kāi)點(diǎn)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(dá)

（1）根據(jù)工廠(chǎng)制作的情況設(shè)置相對(duì)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(hù)屬性里面，以便出三維坐標(biāo)圖使用。

（2）根據(jù)相對(duì)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(hào)等，如圖10、圖11所示。

（3）每段坡道的平面布置圖，主要表達(dá)零件號(hào)及其相互之間的關(guān)系。對(duì)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(duì)應(yīng)。

（4）工廠(chǎng)預(yù)拼裝坐標(biāo)圖及現(xiàn)場(chǎng)安裝坐標(biāo)圖。

4 結(jié)語(yǔ)

空間彎扭鋼結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)通常都是通過(guò)AutoCAD及其插件來(lái)完成，雖然給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)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(dá)清楚，特別是圖紙如果表達(dá)不精確會(huì)導(dǎo)致工廠(chǎng)加工緩慢，甚至無(wú)法加工。為了解決這個(gè)難題，本文結(jié)合長(zhǎng)沙梅溪湖城市島工程深化實(shí)例探討了AutoCAD和Tekla Structures相結(jié)合的這種方式，成功實(shí)現(xiàn)了空間大型彎扭鋼結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)及圖紙表達(dá)，相比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該方法在深化設(shè)計(jì)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(jī)場(chǎng)及馬來(lái)西亞碧桂園森林城市等項(xiàng)目中使用，均取得了良好的設(shè)計(jì)效果，同時(shí)大大提高了工廠(chǎng)加工效率及現(xiàn)場(chǎng)安裝速度。因此針對(duì)不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的工程設(shè)計(jì)，選擇合適的方法和思路是至關(guān)重要的。在此做簡(jiǎn)單歸納總結(jié)，希望能夠?qū)σ院箢?lèi)似工程的深化設(shè)計(jì)有所提示和幫助。

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