鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
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，強度非常大，而且在設計階段深度不足，詳圖設計時經常需要進行設計結果的修正和校核，對詳圖設計人員要求較高，這些問題嚴重制約著鋼結構深化設計的進一步發展。本文系統的闡述了國內鋼結構深化設計的現狀，圍繞該領域核心的問題展開討論，同時介紹了鋼結構詳圖設計軟件STXT的功能特點及其應用。
關鍵詞：深化設計；節點校核；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程中一個重要的設計環節，有時也稱為“二次設計”[1]。利用軟件進行深化設計，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、加工的工藝和過程。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、精度要求高的技術性工作。
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，由于鋼結構形式多樣，截面種類多，節點連接復雜，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觀：
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不久的學生，缺乏實踐經驗，對所設計的節點是否安全、構造是否合理等心中沒底，將其中部分節點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。
3）設計未充分考慮施工
一些設計人員對工廠生產條件、現場施工條件、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；另一方面確實由于時間緊張，詳圖圖紙數量巨大，同時設計人員認為詳圖的正確與否、合理與否責任不在自己，因此往往無心細看，草草翻翻了事。
5）缺乏優秀的詳圖設計軟件
目前國內市面上比較成熟的詳圖設計軟件，基本都是國外引進軟件，這些國外軟件的價格普遍都比較昂貴，而且不是專門針對國內的鋼結構市場，設計人員上手較困難，只有少數有實力的大型鋼構公司能夠使用起來，不適合推廣與普及。
這一現狀與鋼結構工程的蓬勃發展不對稱，如果能夠藉以強大的計算機與優秀的詳圖設計軟件，協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間內做出更正確的設計。
為此，由中國建筑科學研究院PKPM CAD設計軟件事業部開發完成了鋼結構詳圖設計軟件STXT，就上述的一些問題提出解決辦法，下面將圍繞著這些問題展開論述。
2、國內深化設計的核心問題
圖2 鋼結構三維模型
2．1 詳圖設計的基本任務
1、模型搭建
一般詳圖設計需要按照設計圖紙進行二次建模，如何能夠快速建立完成詳圖模型，是順利進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，能完成各類主結構建模，同時還提供專業的圍護結構建模模塊[2]，圖2為一個框架模型圖。
2、節點連接處理
鋼結構節點連接處理是詳圖設計環節中最為關鍵的環節，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，可以快速方便的錄入或生成連接數據。
圖3 節點創建方式界面
STXT軟件中，建立了內部連接類型庫（目前已經達到381種）,如圖3所示：針對性強，涵蓋了國內鋼結構框架結構、鋼結構工業廠房結構的常用節點形式 ；緊扣國內規范要求；參數設置簡單明了，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行合理性關聯。
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生，直接用于指導加工生產。建立的模型及連接節點是否合理，零件之間是否相互碰撞或螺栓安裝是否留有足夠的空間，都需要在節點連接創建時綜合考慮，避免在安裝加工時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，節點構造復雜，設計人員難以通過人工查看來發現模型中不合理的連接，需要詳圖設計軟件提供一個自動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]。可以在三維模型中非常直觀的進行模型檢查，避免建模和節點中存在的不合理問題。
4、生成圖紙
全樓連接交互錄入完成后，程序自動進行全樓構件、零件的歸并與編號，統計全樓材料，并自動生成全樓詳圖圖紙，程序共提供三類圖紙：節點圖、構件圖與零件圖，節點圖、構件圖中都含有布置圖。STXT軟件都是由全樓模型全部自動生成全樓全套圖紙，并對圖紙進行管理。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，一個比較大的工程，高層的部分還處于設計，底層的已經開始加工、安裝和施工了，在施工過程中，模型發生變更的事情時常發生，但是一部分圖紙已經調圖結束進入加工階段，如何在后期變更模型時，盡可能的標識圖紙的改動量，同時還保證準確性，是詳圖設計中一個核心問題。
圖5零件圖與對應零件全樓用量統計
STXT程序能自動對全樓構件、零件進行歸并編號，可以修改構件編號前綴或起始編號。當模型或連接發生變化時，可以只對變化部分進行編號，未變化部分，編號可以保持不變。自動管理全樓構件、零件圖。當連接變更、模型變更時，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。
圖4構件圖與構件材料表
2．2 詳圖設計者需要對相關連接節點形式有充分的了解
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，連接節點形式有充分的了解，這樣設計出來的連接形式、節點作法才能符合設計模型的計算假定，符合有關規范的要求。不合理的節點構造設計，除了會改變結構的受力特征外，往往還可能引起應力集中、產生過大的殘余應力和殘余變形，給結構造成很大的安全隱患。據相關統計，由于節點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展迅速，從規模上看還是中小型公司偏多，對相關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，協助進行節點受力及構造合理性的檢查：
1）輸入連接設計內力，自動建立連接。
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行連接設計。STXT程序在錄入連接的時候，可以由用戶選擇連接類型，輸入連接設計內力，并選擇相關控制設計參數，程序自動進行節點連接設計，并提供詳細的節點設計計算書，界面如圖6所示。
2）節點校核
同時從加工和安裝方便角度，往往在深化設計階段會對一些相近的節點進行參數歸并，標準化節點類型，但是修改后的節點連接是否能夠滿足設計相關要求，詳圖設計人員較難判斷。STXT軟件中提供了校核功能，能根據用戶交互輸入節點連接參數及設計內力，程序自動進行承載力校核及合理化檢查。
圖6 輸入設計內力自動設計
2．3 結構設計與深化設計的協同作業
一些比較大鋼構公司往往擁有結構設計與詳圖設計兩個部門，同時一些設計公司也開始把業務擴展到詳圖設計領域。
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的錯誤，同時還能更好地就建模及細部處理中存在的各類問題與設計方進行交流。
目前國內設計主要還是采用PKPM的設計軟件來進行輔助設計，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，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，自動完成全樓節點設計，并提供詳細的計算書。
3、應用實例
例1：兩層結構，一層為框架：開間10×7.5m，進深4×8m；第二層為二跨輕型門式剛架：開間10×7.5m，進深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行詳圖設計，氣體冷卻器框架，用戶實際工程，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，用戶實際工程，如圖7-（c）。
采用軟件后與二維繪制需要的時間對照表如表1所示，同時STXT軟件還在廠房、框架、展廳等各類結構中進行了大量應用。
（a）
圖7 實例工程
表1 實例工程對照表
注：該表中手工繪制時間為用戶反饋時間，使用軟件時間為筆者自己操作時間。
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、精度要求高的技術性工作，是鋼結構設計中重要的環節，但是長期以來國內鋼結構深化設計水平較低，迫切需要借以優秀的深化設計軟件來輔助進行設計；
2、鋼結構詳圖設計軟件STXT，沿襲PKPM結構軟件的建模方式，簡捷的交互連接建立：連接錄入對話框針對性強，參數設置簡單清楚，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，同時考慮了國內規范的一些要求。
3、國內詳圖設計還同時承擔著部分節點設計工作，這對詳圖設計是一個較大的挑戰，STXT軟件中提供了自動連接設計及校核功能，能夠協助詳圖設計人員進行節點設計和參數合理性檢查，解決了詳圖設計中的難題，對工程質量也起到一定保證作用；
4、軟件能無縫銜接PKPM設計模型、分析模型以及STS的節點設計結果模型，使結構設計與詳圖設計能協同作業，避免了二次建模可能的錯誤，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發和功能介紹[J]. 第十四屆全國工程設計計算機應用學術會議論文集，2008：464-469.
[2] STXT鋼結構詳圖設計軟件用戶手冊及技術條件. 北京：中國建筑科學研究院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研究及應用[J]. 土木建筑工程信息技術，2009，12：51-54.
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