空間彎扭鋼結構深化技術在長沙梅溪湖城市島項目中的應用

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構具有造型獨特、外觀優美等優點，在文化藝術中心及體育場管等大型公共建筑中應用較多，但此類結構面臨著深化設計困難、加工制作復雜、現場安裝要求高等難題。基于此，以長沙梅溪湖城市島大截面空間彎扭鋼結構深化設計為例，提出了一種關于空間彎扭鋼結構深化設計的新思路，可為以后工程中采用類似結構的深化設計提供參考。

關鍵詞：鋼結構；空間彎扭；深化設計；Tekla Structures；坐標表達

中圖分類號：TU393

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）24-0126-03

1 工程概況

長沙梅溪湖城市島（圖1）位于長沙大河西先導區核心梅溪湖，總建筑面積約為2萬m2，呈長方形，為地面平整的人工島嶼，標志性構筑物為高約35 m，直徑約80 m的雙螺旋觀景平臺，通過一座懸索人行天橋將島上螺旋體建筑與島外相連。鋼結構工程主要包括螺旋體鋼結構和人行天橋鋼結構兩個部分（圖2），螺旋體鋼結構主要為“鋼斜柱+空間螺旋環道+柱間鋼棒”結構體系，人行天橋鋼結構主要為“倒三角桁架+外包鋼板+弧形橋拱”結構體系。

2 空間彎扭結構的特點及重難點分析

空間彎扭構件深化設計和加工制作都非常復雜。對于工廠加工來說，主要表現在板件彎扭、組裝定位困難等方面；對于深化設計來說，主要表現在三維建模和展開放樣困難等方面。彎扭構件一般都是由彎扭的板材組立而成，故彎扭板材展開放樣的精確程度對整個彎扭構件的順利組裝起著至關重要的作用。

長沙梅溪湖城市島鋼結構工程分為螺旋環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構。螺旋體環道為外皮及內部縱向和橫向加勁組成的腔體，外皮及內部縱向加勁均為空間彎扭構件；人行天橋為三角桁架經由槽鋼與空間彎扭的外皮連接，其不僅具有一般彎扭結構的特點，還具有大截面、安裝困難等特點。這些都對深化設計工作提出了更高的要求。

3 空間彎扭構件（螺旋體）深化設計

3.1 應用軟件

目前國內使用的鋼結構深化設計軟件主要為芬蘭的Tekla Structures。本工程以Tekla Structures軟件為主，AutoCAD軟件為輔，并充分結合兩者的優點進行了軟件的二次開發，實現了兩個不同軟件平臺的數據互通。整個軟件使用流程為AutoCAD →Tekla Structures→AutoCAD。

3.2 深化設計原理簡述

Tekla Structures軟件對于空間彎扭構件在建模方面存在著很大的短板，但也給用戶提供了一種可供選擇的途徑，即節點庫中的19號和21號節點。整個深化設計流程如圖5所示，19號節點中的“三角生成器”可以將用戶給定的點以一定地順序進行連接，從而可以近似模擬彎扭板材，21號節點中的“表面展開”可以將19號節點模擬出的空間彎扭板材展開為平面板材，這兩個節點綜合在一起運用，就可以實現彎扭構件加工圖的生成。因此整個深化設計流程都是以此為中心展開的。

3.3 技術特點

3.3.1 三維樣條曲線的處理

由于Tekla Structures軟件節點庫中的19號節點“三角生成器”（圖6），必須點到點以一定的連接順序才能準確模擬彎扭板材，因此要在AutoCAD中將分好段（確保分段不更改）的樣條曲線，以一定間距進行等分得到相應的點（圖7），然后再通過二次開發插件導入到Tekla Structures中，最后生成彎扭的板材。由于AutoCAD中不能批量框選自動生成等分點，十分影響工作進度，對此開發了相應的插件，大大提高了工作效率。

3.3.2 構建三維模型及彎扭構件展開

（1）三維模型的構建模式比較單一，整個工程基本都是運用19號節點來完成。但對于搭建好的三維彎扭板材（圖8）的進一步處理（例如彎扭板材的切割、焊接、編號等）需要特別注意，因為這會直接影響到能否用21號節點順利展開，彎扭板材展開前后對比如圖9所示。而且這所有的流程又都是不可逆的，如果某一環節出現問題就必須重新建模，所以一定要認真仔細處理好每一步驟。

（2）經過與工廠的溝通，確定了坐標點的設置原則。模型中的坐標點是在板的控制點處增加輔助零件，使輔助零件重心與控制點重合，圖紙中讀取輔助零件重心坐標來實現的。為了使輔助零件能批量添加，我們開發了“坐標輔助件添加器”。

（3）彎扭板材數量多，展開前后一定要相互對應，因此使用21號節點展開一定要有次序和規律，方便以后能準確快速的找到展開前后的板材。此外，21號節點展開板受彎扭板材切割、焊接以及展開點選取位置等因素的影響。

3.3.3 圖紙生成準備工作及信息表達

（1）根據工廠制作的情況設置相對坐標系，將輔助零件的重心坐標輸入到輔助零件的用戶屬性里面，以便出三維坐標圖使用。

（2）根據相對坐標系的設置，螺旋環道出三維坐標圖。三維坐標圖主要包括：三維坐標、外包板拼裝方向、零件號等，如圖10、圖11所示。

（3）每段坡道的平面布置圖，主要表達零件號及其相互之間的關系。對于零件圖應特別注意外皮板材零件圖應給出拼裝的方向，與三維坐標圖中給出的相對應。

（4）工廠預拼裝坐標圖及現場安裝坐標圖。

4 結語

空間彎扭鋼結構的深化設計通常都是通過AutoCAD及其插件來完成，雖然給設計人員帶來了很多方便，但是也存在著一些不足，主要是空間彎扭結構所用板材外形極其不規則，其空間三維坐標不易表達清楚，特別是圖紙如果表達不精確會導致工廠加工緩慢，甚至無法加工。為了解決這個難題，本文結合長沙梅溪湖城市島工程深化實例探討了AutoCAD和Tekla Structures相結合的這種方式，成功實現了空間大型彎扭鋼結構的深化設計及圖紙表達，相比傳統的設計方法，該方法在深化設計效率上和質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場及馬來西亞碧桂園森林城市等項目中使用，均取得了良好的設計效果，同時大大提高了工廠加工效率及現場安裝速度。因此針對不同結構類型的工程設計，選擇合適的方法和思路是至關重要的。在此做簡單歸納總結，希望能夠對以后類似工程的深化設計有所提示和幫助。

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