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钢结构深化设计与STXT软件应用
发布时间:2013-7-12 10:47:12 | 人感兴趣 | 评分:3 | 收藏:
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摘 要:目前国内的钢结构详图设计基本都是停留在二维绘制状态,强度非常大,而且在设计阶段深度不足,详图设计时经常需要进行设计结果的修正和校核,对详图设计人员要求较高,这些问题严重制约着钢结构深化设计的进一步发展。本文系统的阐述了国内钢结构深化设计的现状,围绕该领域核心的问题展开讨论,同时介绍了钢结构详图设计软件STXT的功能特点及其应用。
      关键词:深化设计;节点校核;STXT 软件
  
      钢结构详图深化设计是从设计图纸转化为加工、安装图纸,并用于指导加工、安装,是钢结构工程从设计阶段到加工安装过程中一个重要的设计环节,有时也称为“二次设计”[1]。利用软件进行深化设计,其基本的流程如图1所示,详图设计人员不仅要深刻理解设计图纸的意图,也需要熟悉钢结构生产、加工的工艺和过程。详图的设计既要符合原始设计要求,又能够直接用于加工,满足加工、安装的要求。因此详图设计是一项工程量大、精度要求高的技术性工作。
 


图1 深化设计流程


      1、国内详图设计现状
      目前国内深化设计基本都是停留在二维绘制状态,由于钢结构形式多样,截面种类多,节点连接复杂,手工绘制强大非常大,而且准确性难以保证。相对于钢结构设计的不断成熟发展,深化设计还相对落后,国内的深化设计、加工制造和施工水平与发达国家还有不小的差距。
      钢结构详图设计的重要性并不亚于钢结构设计,然而钢结构深化设计现状不容乐观:
      1)对深化设计重视程度不够
认为设计院设计的蓝图就已满足施工要求,加工详图只是钢结构加工单位为了方便加工而出具的下料图。
      2)设计深度不够
      不少设计单位,承担工程的设计者多为刚毕业不久的学生,缺乏实践经验,对所设计的节点是否安全、构造是否合理等心中没底,将其中部分节点设计只给出了大样图,设计院只做到了“方案设计”或初步设计的深度,将施工图交给加工厂。
      3)设计未充分考虑施工
      一些设计人员对工厂生产条件、现场施工条件、运输能力、吊装能力等不并十分了解,往往给安装施工带来不便。
      4)设计与深化设计职责不明
      “施工图设计”应由设计院完成,施工图设计必须满足设计深度的要求,合同往往规定设计人员要对钢结构详图进行最后审核并签章。一方面设计院将一部分设计工作转给加工企业;另一方面确实由于时间紧张,详图图纸数量巨大,同时设计人员认为详图的正确与否、合理与否责任不在自己,因此往往无心细看,草草翻翻了事。
      5)缺乏优秀的详图设计软件
      目前国内市面上比较成熟的详图设计软件,基本都是国外引进软件,这些国外软件的价格普遍都比较昂贵,而且不是专门针对国内的钢结构市场,设计人员上手较困难,只有少数有实力的大型钢构公司能够使用起来,不适合推广与普及。
      这一现状与钢结构工程的蓬勃发展不对称,如果能够藉以强大的计算机与优秀的详图设计软件,协助详图设计人员完成钢结构后期的加工、制作详图设计,就可以让设计者在更短的时间内做出更正确的设计。
为此,由中国建筑科学研究院PKPM CAD设计软件事业部开发完成了钢结构详图设计软件STXT,就上述的一些问题提出解决办法,下面将围绕着这些问题展开论述。
      2、国内深化设计的核心问题
 


图2 钢结构三维模型


      2.1 详图设计的基本任务
      1、模型搭建
      一般详图设计需要按照设计图纸进行二次建模,如何能够快速建立完成详图模型,是顺利进行详图设计的第一步。
      钢结构详图设计软件STXT为结构三维模型输入提供了多种建模方式,能完成各类主结构建模,同时还提供专业的围护结构建模模块[2],图2为一个框架模型图。
      2、节点连接处理
      钢结构节点连接处理是详图设计环节中最为关键的环节,构造也最为复杂,工作量最大。钢结构详图设计STXT提供了大量库节点,可以快速方便的录入或生成连接数据。
 


图3 节点创建方式界面


      STXT软件中,建立了内部连接类型库(目前已经达到381种),如图3所示:针对性强,涵盖了国内钢结构框架结构、钢结构工业厂房结构的常用节点形式 ;紧扣国内规范要求;参数设置简单明了,且根据选择的连接部位与截面给出了合理的初始参数,对可能出现矛盾的参数之间进行合理性关联。
      3、模型检查
      在钢结构详图设计软件中,构件及零件加工详图都是由三维模型直接产生,直接用于指导加工生产。建立的模型及连接节点是否合理,零件之间是否相互碰撞或螺栓安装是否留有足够的空间,都需要在节点连接创建时综合考虑,避免在安装加工时安装难度大或不合理碰撞情况。由于钢结构三维模型规模庞大,节点构造复杂,设计人员难以通过人工查看来发现模型中不合理的连接,需要详图设计软件提供一个自动模型碰撞检测和安装合理性检验的功能。
      钢结构详图设计软件STXT中提供了模型碰撞检测及螺栓安装空间合理检验[3]。可以在三维模型中非常直观的进行模型检查,避免建模和节点中存在的不合理问题。
      4、生成图纸
      全楼连接交互录入完成后,程序自动进行全楼构件、零件的归并与编号,统计全楼材料,并自动生成全楼详图图纸,程序共提供三类图纸:节点图、构件图与零件图,节点图、构件图中都含有布置图。STXT软件都是由全楼模型全部自动生成全楼全套图纸,并对图纸进行管理。程序还提供了1:1放样的DXF零件数据文件输出,可以应用于数控机床。
      构件图(装配件图)标识所有零件的编号(零件编号为全楼零件归并后的全楼编号,每个归并零件的编号全楼是唯一的)。构件图的材料表中详细给出了该构件所使用的零件清单与重量统计。全楼构件表中给出了每个归并构件的全楼数量与全楼的用钢量统计,如图4所示。
      零件图中详细的标出了零件的放样尺寸、零件所在的归并构件及数量、归并零件的全楼用量。全楼零件表中给出了全楼的零件清单,如图5所示。
      5、图纸管理
      详图设计往往工期紧张、周期长,一个比较大的工程,高层的部分还处于设计,底层的已经开始加工、安装和施工了,在施工过程中,模型发生变更的事情时常发生,但是一部分图纸已经调图结束进入加工阶段,如何在后期变更模型时,尽可能的标识图纸的改动量,同时还保证准确性,是详图设计中一个核心问题。
 


图5零件图与对应零件全楼用量统计


      STXT程序能自动对全楼构件、零件进行归并编号,可以修改构件编号前缀或起始编号。当模型或连接发生变化时,可以只对变化部分进行编号,未变化部分,编号可以保持不变。自动管理全楼构件、零件图。当连接变更、模型变更时,对于已出图纸,未变化部分可以选择保留,只更新变化部分图纸和增加新的图纸。
 


图4构件图与构件材料表


      2.2 详图设计者需要对相关连接节点形式有充分的了解
      钢结构详图设计者还要了解设计规范,掌握其中连接计算和构造要求方面的内容,对常用结构的受力特点,连接节点形式有充分的了解,这样设计出来的连接形式、节点作法才能符合设计模型的计算假定,符合有关规范的要求。不合理的节点构造设计,除了会改变结构的受力特征外,往往还可能引起应力集中、产生过大的残余应力和残余变形,给结构造成很大的安全隐患。据相关统计,由于节点连接不合理造成的事故占钢结构工程事故的比例高达约20%。
      近些年国内钢构公司发展迅速,从规模上看还是中小型公司偏多,对相关设计规范的掌握和设计要求了解并不细致。
      钢结构详图设计软件STXT,提供了该方面功能,协助进行节点受力及构造合理性的检查:
      1)输入连接设计内力,自动建立连接。
      这种连接录入方式,适合于设计图中只提供了布置图、杆件的截面与杆端的连接内力,由详图设计中自行进行连接设计。STXT程序在录入连接的时候,可以由用户选择连接类型,输入连接设计内力,并选择相关控制设计参数,程序自动进行节点连接设计,并提供详细的节点设计计算书,界面如图6所示。              
      2)节点校核
      同时从加工和安装方便角度,往往在深化设计阶段会对一些相近的节点进行参数归并,标准化节点类型,但是修改后的节点连接是否能够满足设计相关要求,详图设计人员较难判断。STXT软件中提供了校核功能,能根据用户交互输入节点连接参数及设计内力,程序自动进行承载力校核及合理化检查。
 


图6 输入设计内力自动设计


      2.3 结构设计与深化设计的协同作业
      一些比较大钢构公司往往拥有结构设计与详图设计两个部门,同时一些设计公司也开始把业务扩展到详图设计领域。
      如果能够在详图设计阶段直接采用结构设计模型,既可以节省重复建模的工作,也可以避免二次建模有可能带来的错误,同时还能更好地就建模及细部处理中存在的各类问题与设计方进行交流。
      目前国内设计主要还是采用PKPM的设计软件来进行辅助设计,钢结构详图设计软件STXT提供与PKPM设计软件的无缝接口,能载入PKPM结构模型与设计内力。设计建模采用PMCAD或者STS,设计采用三维分析软件SATWE、TAT或者PMSAP完成时,详图设计软件可以直接读取其三维模型,并且可以读取三维分析软件的设计内力,自动完成全楼节点设计,并提供详细的计算书。
      3、应用实例
      例1:两层结构,一层为框架:开间10×7.5m,进深4×8m;第二层为二跨轻型门式刚架:开间10×7.5m,进深2×16m;,屋面坡度1/10,如图7-(a)。
      例题2:接力PKPM结构软件模型与分析数据进行详图设计,气体冷却器框架,用户实际工程,采用PKPM钢结构STS建模,采用SATWE分析,如图7-(b)。
      例题3:高层框架结构,用户实际工程,如图7-(c)。
      采用软件后与二维绘制需要的时间对照表如表1所示,同时STXT软件还在厂房、框架、展厅等各类结构中进行了大量应用。
 


(a)
  
图7 实例工程

表1 实例工程对照表

      注:该表中手工绘制时间为用户反馈时间,使用软件时间为笔者自己操作时间。

      4.小 结
      综上所述,可以得出以下结论:
      1、钢结构详图深化设计是一项工程量大、精度要求高的技术性工作,是钢结构设计中重要的环节,但是长期以来国内钢结构深化设计水平较低,迫切需要借以优秀的深化设计软件来辅助进行设计;
      2、钢结构详图设计软件STXT,沿袭PKPM结构软件的建模方式,简捷的交互连接建立:连接录入对话框针对性强,参数设置简单清楚,提供了快速的连接建立与复制功能。图纸的表达符合国内的出图习惯,同时考虑了国内规范的一些要求。
      3、国内详图设计还同时承担着部分节点设计工作,这对详图设计是一个较大的挑战,STXT软件中提供了自动连接设计及校核功能,能够协助详图设计人员进行节点设计和参数合理性检查,解决了详图设计中的难题,对工程质量也起到一定保证作用;
      4、软件能无缝衔接PKPM设计模型、分析模型以及STS的节点设计结果模型,使结构设计与详图设计能协同作业,避免了二次建模可能的错误,提高了效率,缩短了工程周期,节约了成本,为设计方和施工方的合作提供了一种新的可能。

      参考文献
      [1] 夏绪勇,马恩成,陈玉林. 钢结构详图设计的开发和功能介绍[J]. 第十四届全国工程设计计算机应用学术会议论文集,2008:464-469.
      [2] STXT钢结构详图设计软件用户手册及技术条件. 北京:中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部,2010.
      [3] 张晓龙,马恩成,夏绪勇等.钢结构三维模型碰撞检测技术研究及应用[J]. 土木建筑工程信息技术,2009,12:51-54.

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