張世偉 王建 杜新紅

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

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

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

0 引言

隨著社會的發(fā)展和精神文明的進步，人們對建筑的設(shè)計理念要求越來越高，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)計逐漸向綜合型、多元化、智能化、高精尖發(fā)展，由此對結(jié)構(gòu)的外觀要求更加嚴(yán)謹(jǐn)。鋼結(jié)構(gòu)具有高強度、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，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、北京新機場等。復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)工程具有節(jié)點繁瑣、受力復(fù)雜等難點，所以要針對每個復(fù)雜構(gòu)件進行詳細(xì)的拆解，方能實現(xiàn)制作及施工。因此，深化設(shè)計在鋼結(jié)構(gòu)施工前期具有重要的意義。深化設(shè)計不僅檢索和核校了原設(shè)計圖，而且進一步補充和完善了圖紙，使設(shè)計達(dá)到理想的效果。

1 深化設(shè)計的內(nèi)容及意義

1.1 深化設(shè)計的內(nèi)容

在原設(shè)計圖紙的基礎(chǔ)上進行深化設(shè)計，結(jié)合該項目特點、現(xiàn)場施工條件、構(gòu)件加工、運輸及安裝方案等施工工藝流程和相關(guān)專業(yè)的配合要求進行二次優(yōu)化設(shè)計。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)碰撞問題。預(yù)留穿筋孔，型鋼桁架與舞臺機械的結(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)點優(yōu)化處理，分段長度及重量合理，使其構(gòu)件方便加工及運輸，便于現(xiàn)場施工。

1.2 深化設(shè)計的意義

鋼結(jié)構(gòu)二次深化設(shè)計，它開貫穿于設(shè)計至加工和施工的完成結(jié)束，是構(gòu)件加工及施工過程中必不可少的一個重要環(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)場制訂切實可行的安裝方案，實施臨時輔助支撐布置，施工過程驗算，結(jié)構(gòu)分段安裝的變形分析和控制，虛擬動畫模擬等工作。深化設(shè)計對提高設(shè)計質(zhì)量和施工速度、加強安裝質(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)計的原則及方法

2.1 深化設(shè)計的原則

首先根據(jù)施工的設(shè)計藍(lán)圖、圖紙答疑及會議紀(jì)要，在不改變原設(shè)計結(jié)構(gòu)布局及結(jié)構(gòu)形式，不改變原構(gòu)件截面、材料等級及節(jié)點類型的前提下，對各個細(xì)部節(jié)點放樣，標(biāo)注尺寸、分段桿件編號等進行二次深化設(shè)計，且符合加工工藝及安裝方案。通過深化設(shè)計，規(guī)定了每個部件的規(guī)格尺寸，并將部件的位置進行了分段組裝。其次對零部件進行分類編碼，選擇合理的裝配節(jié)點和焊縫坡口形狀。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)計圖紙進行鋼結(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，重點檢查梁柱節(jié)點配筋與鋼骨梁的連接形式，提前預(yù)測出施工中可能發(fā)生的碰撞問題。通過細(xì)化軟件，實現(xiàn)二維視圖對三維模型的轉(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，能清楚地發(fā)現(xiàn)是否有碰撞問題。整體模型建成并處理好節(jié)點后，利用Tekla Structures軟件本身的功能，導(dǎo)出DWG格式，然后利用CAD軟件，進行標(biāo)注、調(diào)圖、套圖、簽出圖。

3 鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計應(yīng)用實例

工程施工技術(shù)先行，特別是異型空間結(jié)構(gòu)深化設(shè)計工作至關(guān)重要。鋼結(jié)構(gòu)施工前的首要工作是進行審圖和圖紙答疑，然后進行圖紙深化。深化設(shè)計一是必須符合結(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)件的加工安裝及運輸方案的實現(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，闡述該項目鋼結(jié)構(gòu)圖深化設(shè)計的具體應(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m2，地上4層、地下2層，局部夾層。該項目主要由群藝館、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 工程的特點與難點

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)，觀群廳頂及主舞臺頂桁架為平面正交型鋼桁架，大劇院為2個不同心的球形鼓節(jié)點網(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)點種類繁多，包含栓焊節(jié)點、鑄鋼節(jié)點、焊接球節(jié)點、鼓形節(jié)點等。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)舞臺設(shè)備及裝飾幕墻結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。結(jié)構(gòu)設(shè)計必須達(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)計及施工是該工程的重點及難點，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)計圖紙按1∶1的比例進行放樣建模，構(gòu)建出所有鋼結(jié)構(gòu)實體模型，并對相關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)的配筋進行建模，找出結(jié)構(gòu)結(jié)合碰撞點，并對下一步節(jié)點優(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)計提供的節(jié)點坐標(biāo)及桿件編號進行編輯導(dǎo)入AUTOCAD軟件中生成線模，根據(jù)線模進一步轉(zhuǎn)化成實體模型，由于原設(shè)計標(biāo)示的為關(guān)鍵控制坐標(biāo)點，生成的線模會出現(xiàn)以折代弧的現(xiàn)象，并未達(dá)到圓滑過渡弧形曲面的設(shè)計意圖，對后期的裝飾幕墻施工帶來影響。經(jīng)過深化設(shè)計對模型進行優(yōu)化，以桿件端點坐標(biāo)為基準(zhǔn)增加中間控制點，使得桿件弧形過渡，達(dá)到理想的效果。

3.4 設(shè)計節(jié)點優(yōu)化

本工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點種類繁多，模型的搭建和構(gòu)件繪制出圖，工作量相當(dāng)大，為壓縮出圖時間，需要組建一個團隊來共同完成。模型搭建完成后，首先檢索碰撞問題，然后進行節(jié)點處理。對于原圖紙設(shè)計不明的節(jié)點及不便于現(xiàn)場施工的節(jié)點進行優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)本工程的特點，主要處理的節(jié)點如下。

（1）型鋼對接節(jié)點，等強焊接優(yōu)化為栓焊連接、翼緣坡口焊接、腹板高強螺栓等強連接；“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)點優(yōu)化。

（2）型鋼梁柱與混凝土縱向鋼筋節(jié)點焊接套筒優(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)點過渡處理。

（6）管桁架弦桿變截面采用1∶4錐型管過渡處理。

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

3.5 實施效果及應(yīng)用價值

通過對具有代表性的商丘文化藝術(shù)中心鋼結(jié)構(gòu)項目深化設(shè)計的剖析、論證，結(jié)合施工現(xiàn)場實際情況，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，為后期構(gòu)件的加工制作及現(xiàn)場安裝提供了有力的技術(shù)保障。該項目的成功應(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)計有利于提高社會效益和經(jīng)濟效益，具有很好的應(yīng)用價值。

4 結(jié)語

深化設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙的補充和完善，構(gòu)件加工的基礎(chǔ)，也是施工經(jīng)驗與設(shè)計完美結(jié)合的體現(xiàn)。整體結(jié)構(gòu)建模檢索碰撞問題，及時進行結(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)約了施工時間及施工成本，提高了安裝精度，增加了產(chǎn)值，實現(xiàn)了利潤的最大化。

在鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，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)計方有效溝通，結(jié)合施工現(xiàn)場實際情況及工作經(jīng)驗，不斷對設(shè)計圖紙進行補充和完善，確保工程順利高效地完成。同時，細(xì)化人員要通過不斷對“三新”技術(shù)的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，積累豐富的設(shè)計和現(xiàn)場施工經(jīng)驗，逐步提高自身的水平，以滿足深化設(shè)計工作的要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]