淺談鋼結構深化設計及方案優化

張世偉 王建 杜新紅

【摘 要】文章闡述了鋼結構深化設計及方案優化對確保工程施工質量的重要性，介紹了鋼結構深化設計的實施方法及方案優化過程，以商丘文化藝術中心工程為例，總結了深化設計及方案優化在該鋼結構工程中的實際應用。

【關鍵詞】鋼結構；深化設計；優化；桁架；空間網殼

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

0 引言

隨著社會的發展和精神文明的進步，人們對建筑的設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，而且現代建筑設計逐漸向綜合型、多元化、智能化、高精尖發展，由此對結構的外觀要求更加嚴謹。鋼結構具有高強度、剛度大、比重輕、標準化加工、適應快速建造、可以完成奇觀外形等特點，被推廣應用于高層及超高層建筑、異型結構、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。復雜的鋼結構工程具有節點繁瑣、受力復雜等難點，所以要針對每個復雜構件進行詳細的拆解，方能實現制作及施工。因此，深化設計在鋼結構施工前期具有重要的意義。深化設計不僅檢索和核校了原設計圖，而且進一步補充和完善了圖紙，使設計達到理想的效果。

1 深化設計的內容及意義

1.1 深化設計的內容

在原設計圖紙的基礎上進行深化設計，結合該項目特點、現場施工條件、構件加工、運輸及安裝方案等施工工藝流程和相關專業的配合要求進行二次優化設計。主要包含以下內容：相關混凝土結構建模、鋼結構節點優化和繪制加工詳圖，解決型鋼混凝土組合結構中的型鋼柱型鋼梁與混凝土結構碰撞問題。預留穿筋孔，型鋼桁架與舞臺機械的結合，屋面桁架與裝飾幕墻結構的相互配合關系。節點優化處理，分段長度及重量合理，使其構件方便加工及運輸，便于現場施工。

1.2 深化設計的意義

鋼結構二次深化設計，它開貫穿于設計至加工和施工的完成結束，是構件加工及施工過程中必不可少的一個重要環節。為工程提供施工布置圖和構件加工圖，有助于結合現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，結構分段安裝的變形分析和控制，虛擬動畫模擬等工作。深化設計對提高設計質量和施工速度、加強安裝質量控制、降低成本、保證結構安全起到了積極的作用。鋼結構設計深度、層次的細節，直接影響到鋼構件加工和安裝精度。

2 鋼結構深化設計的原則及方法

2.1 深化設計的原則

首先根據施工的設計藍圖、圖紙答疑及會議紀要，在不改變原設計結構布局及結構形式，不改變原構件截面、材料等級及節點類型的前提下，對各個細部節點放樣，標注尺寸、分段桿件編號等進行二次深化設計，且符合加工工藝及安裝方案。通過深化設計，規定了每個部件的規格尺寸，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，選擇合理的裝配節點和焊縫坡口形狀。最后繪制加工細節，確定生產工藝。

2.2 深化設計軟件和細化方法

目前，通常使用的鋼結構建模和細化軟件主要有3D3S 12.1、Tekla Structures 19.0和CAD 2012等。

利用Tekla Structures 19.0軟件，按1∶1的比例根據設計圖紙進行鋼結構放樣、建模，并搭建出相關聯的混凝土結構及配筋，重點檢查梁柱節點配筋與鋼骨梁的連接形式，提前預測出施工中可能發生的碰撞問題。通過細化軟件，實現二維視圖對三維模型的轉化，在三維模型中，鋼構件、梁柱、鋼柱梁和混凝土鋼筋之間的空間位置關系可以非常直觀地展現出來，能清楚地發現是否有碰撞問題。整體模型建成并處理好節點后，利用Tekla Structures軟件本身的功能，導出DWG格式，然后利用CAD軟件，進行標注、調圖、套圖、簽出圖。

3 鋼結構深化設計應用實例

工程施工技術先行，特別是異型空間結構深化設計工作至關重要。鋼結構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。深化設計一是必須符合結構安全、方便施工及不得影響使用功能；二是不影響鋼構件的加工安裝及運輸方案的實現，從而提高施工質量，縮短加工、安裝周期。現以商丘文化藝術中心工程為例，闡述該項目鋼結構圖深化設計的具體應用。

3.1 工程概況

商丘文化藝術中心建筑面積為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，也是商丘市地標性建筑。

3.2 工程的特點與難點

本工程A、C區主體為框架結構，B區主體為框剪結構，屋面為管桁架結構。A、C區屋面為曲面正交平面管桁架結構，B區入口大廳為雙曲面管桁架結構，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點網殼結構，外球直徑為57.2 m，內球直徑為44 m。該工程結構復雜多樣，基上涵蓋了所有鋼結構類型，有型鋼混凝土組合結構、框架結構、型鋼桁架、雙曲面管桁架、球形網殼、壓型金屬板等結構類型。節點種類繁多，包含栓焊節點、鑄鋼節點、焊接球節點、鼓形節點等。鋼結構自基礎至屋頂與混凝土結構交叉施工密切結合，且與相關舞臺設備及裝飾幕墻結構緊密相關。結構設計必須達到可靠的承載能力及抗側移剛度的能力，并符合構件的受力要求。鋼結構深化設計及施工是該工程的重點及難點，關系著整體結構的安全。

3.3 建模及結構優化

型鋼混凝土組合結構及型鋼桁架部分建模，根據設計圖紙按1∶1的比例進行放樣建模，構建出所有鋼結構實體模型，并對相關混凝土結構的配筋進行建模，找出結構結合碰撞點，并對下一步節點優化作準備；雙曲面桁架及空間球形網殼建模，根據設計提供的節點坐標及桿件編號進行編輯導入AUTOCAD軟件中生成線模，根據線模進一步轉化成實體模型，由于原設計標示的為關鍵控制坐標點，生成的線模會出現以折代弧的現象，并未達到圓滑過渡弧形曲面的設計意圖，對后期的裝飾幕墻施工帶來影響。經過深化設計對模型進行優化，以桿件端點坐標為基準增加中間控制點，使得桿件弧形過渡，達到理想的效果。

3.4 設計節點優化

本工程結構復雜節點種類繁多，模型的搭建和構件繪制出圖，工作量相當大，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，然后進行節點處理。對于原圖紙設計不明的節點及不便于現場施工的節點進行優化設計，根據本工程的特點，主要處理的節點如下。

（1）型鋼對接節點，等強焊接優化為栓焊連接、翼緣坡口焊接、腹板高強螺栓等強連接；“十”字型鋼柱與“H”型鋼柱變截面優化如圖1所示；偏心鋼梁與鋼柱節點優化。

（2）型鋼梁柱與混凝土縱向鋼筋節點焊接套筒優化如圖2所示。

（3）型鋼柱梁密集區與混凝土柱箍筋節點優化。

（4）球幕影院鋼管柱與環型梁及斜梁交叉梁節點優化如圖3所示。

（5）型鋼桁架弦桿雙向變截面1∶6節點過渡處理。

（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點處理如圖4所示；鼓型節點處理如圖5所示。

3.5 實施效果及應用價值

通過對具有代表性的商丘文化藝術中心鋼結構項目深化設計的剖析、論證，結合施工現場實際情況，研究和確定了型鋼混凝土組合結構、型鋼桁架、曲面管桁架結構連接的節點，為后期構件的加工制作及現場安裝提供了有力的技術保障。該項目的成功應用，為后續公共建筑鋼結構如異型大跨度、型鋼混凝土組合結構、空間網殼等深化工作提供了方法和手段。鋼結構深化設計有利于提高社會效益和經濟效益，具有很好的應用價值。

4 結語

深化設計是鋼結構設計圖紙的補充和完善，構件加工的基礎，也是施工經驗與設計完美結合的體現。整體結構建模檢索碰撞問題，及時進行結構調整，減少了后期重復作業及返工；節點優化及結構截面優化使結構受力更加合理，為后續施工提供便利，減少了構件加工繁瑣工序，節約了施工時間及施工成本，提高了安裝精度，增加了產值，實現了利潤的最大化。

在鋼結構施工過程中，特別是組合結構及復雜的空間結構，細化人員必須與設計方有效溝通，結合施工現場實際情況及工作經驗，不斷對設計圖紙進行補充和完善，確保工程順利高效地完成。同時，細化人員要通過不斷對“三新”技術的學習和培訓，積累豐富的設計和現場施工經驗，逐步提高自身的水平，以滿足深化設計工作的要求。

參 考 文 獻

[1]高屾.淺談鋼結構深化設計的技術應用[J].價值工程，2004（17）：126-129.

[2]李華東.高技術生態建筑[M].天津：天津大學出版社，2002.

[3]李衛紅.展望未來的建筑[J].山西建筑，2009，35（6）：

50-51.

[4]伍軍.大連世貿大廈結構設計[J].建筑科學，2004（5）：

35-38.

[責任編輯：鐘聲賢]