3D3S在智慧合桿設計中的應用*

趙文婷，陳 林，馮成林，黎 輝

(四川華體照明科技股份有限公司，四川 成都 610200)

0 引 言

隨著城市的快速發展，城市道路要求承載的功能不斷提升。道路功能如照明系統、交通信號燈系統、交通安防監控系統、標志牌系統、5G基站系統、智慧城市應用系統等桿件林立雜亂，不僅嚴重影響城市文明風貌，造成公共資源浪費，且同一位置信息點過多易造成駕駛員或行人無法及時識別產生安全事故[1-5]。在此背景下，推進實施城市道路智慧合桿工程，形成以城市智慧照明為基礎，視頻監控、交通監管、信息交互、環境監測、無線通訊等多功能于一體的智慧合桿系統，使道路基礎設施實現共建共享，提高城市有限空間資源的利用率，已成為智慧城市精細化管理的必然趨勢[5-7]。

2017年上海設定建設智慧合桿整治工程并于2018年啟動工程及標準文件的制訂，統籌各因素預計可將城區道路主干路與支路的原有桿件數量分別下降72%與65%[1,8]。隨后北京在中關村西區進行多桿合一的試點工作。2019年武漢對軍運會沿江大道線路進行了道路綜合提升改造，經過多桿合一改造后桿件減少了14%[2]。深圳、濟南、杭州、成都與長沙等多地也陸續開展了多桿合一的試點與推廣工作，基于設施功能與荷載分析明確智慧合桿應按“應整合、可整合、獨立設置”三類開展設計[2-3,6]。未來幾年，隨著5G應用的成熟與廣泛，5G站點的數量將翻倍，平均間距30 m、高度12 m左右的智慧綜合桿將會成為道路上搭載5G微站的最理想載體[1,2,9,10]。

鑒于目前城市道路功能的發展要求，智慧合桿的建設尤其迫切與重要。但目前智慧合桿建設處于初步階段，行業缺乏成熟的技術參考規范，且由于合桿具有搭載設備的多樣性與實際使用過程中受力的復雜性，設計安全非常重要。同濟大學獨立開發的3D3S鋼結構-空間結構設計軟件(后簡稱3D3S軟件)包含多類體系的結構建造、受力分析、設計優化、配套節點與基礎設計、施工圖繪制等模塊，已應用于機械車庫、電梯井道等鋼結構穩定性受力分析[11-12]。針對智慧合桿的設計，3D3S軟件自動讀取相關設計規范并進行實際使用環境中的模擬受力，建模計算過程簡單快捷，受力分析合理全面，可充分提高智慧合桿的設計性、安全性與經濟性。

1 3D3S軟件智慧合桿建模與荷載施加

以各大城市廣泛應用的12 m雙臂柳葉智慧合桿設計為例進行3D3S軟件的模擬建模，桿件所帶道路功能有路燈照明、球機監控、交通信號燈、小指示標牌、5G基站、顯示屏等，桿件大樣圖見圖1、2為效果圖。

圖1 12 m雙臂柳葉智慧合桿大樣圖(單位 mm)

圖2 12 m雙臂柳葉智慧合桿效果圖

1.1 桿件結構分析

具體桿件結構分析見表1。

表1 12 m雙臂柳葉智慧合桿桿件結構 /mm

1.2 3D3S軟件結構建模

3D3S軟件建模操作非常簡單，操作命令與CAD相同。針對智慧合桿，建模原則只需保證一定坐標上的重量與迎風面積相同即可。

基本步驟如下：

(1) 用線構建桿件簡圖，見圖3。需注意應盡可能從坐標原點(0,0,0)建模，即將結構支座設置于坐標原點。建模時還需考慮桿件實際安裝時的方向問題，智慧合桿安裝于各大城市道路，一般默認沿X方向為垂直路面方向，Y方向為平行路面方向。

圖3 12 m雙臂柳葉智慧 圖4 12 m雙臂柳葉智慧 合桿簡圖 合桿模型

(2) 添加桿件，賦予每根線條實際截面，并在桿件相交處打斷。在截面庫中新增結構中存在的所有截面，并將其對應定義給相應的線條。不規則部件與設備可用迎風面積與重量相同的桿件替代。桿件定義完成后打斷所有相交桿件，還可根據需要進行其他打斷，利于后續桿件受力計算。

(3) 調整桿件的方位與材性，并添加支座。桿件添加后需注意桿件的分布方位，如桿件是一個面正對前方還是一條棱邊正對前方，并給桿件定義相對應的材料屬性，即鋼材具體標號或其他材料屬性。支座原點如前所述應盡可能設置于原點。

譬如主桿的創建，先于坐標原點沿Z軸正方向繪制一根長6 900 mm的直線，然后通過添加桿件命令，定義其截面為上下口徑分別為Φ245與Φ285壁厚7.75 mm的十二棱錐管，注意其默認為一個面正對前方，并將桿件的材質設定為Q355B。最終建模完成見圖4。

桿件建模可參考上述步驟先繪制線條后定義截面，也可直接通過添加桿件命令里的直接畫桿件進行建模，結果相同。

1.3 施加荷載

以桿件安裝于成都市區實際使用情況為例。桿件無其他附屬設施，因此無節點荷載，也無需考慮地震荷載與雪載等附加荷載，只承受風載，一般情況下考慮兩個垂直方向的風載。

基本步驟如下：

(1) 荷載工況設定，恒載及XY兩方向風載，初步認為Y方向風載為對結構最不利方向荷載。

(2) 風總信息設定，根據標準[13-14]查詢確定成都50年一遇最大基本風壓為0.35 kN/m2，地面粗糙度為C類，且處于平坦地面，無需進行風壓高度系數的修正。

(3) 導荷載，根據標準[13-15]輸入風載體型系數并進行相應桿件自動導荷載。

(4) 荷載組合，根據標準[16]進行不同荷載的快速組合，荷載施加完成。

模型施加荷載完成后可進行各類荷載的顯示，檢查荷載施加是否正確。工況1-X方向荷載施加情況如圖5，工況2-Y方向荷載施加情況如圖6。

圖5 工況1-X方向荷載顯 圖6 工況2-Y方向荷載顯 示(單位 kN/m2) 示(單位 kN/m2)

2 3D3S軟件智慧合桿受力結果分析

自動檢查模型無誤后即可進行結構計算與設計驗算。根據桿件的不同材性選取對應規范[17]對桿件進行校核驗算。最終受力結果見圖7。結果顯示，在多種荷載組合情況下，桿件最大應力比0.527出現在橫臂根部，所有桿件都合格并有一定富余，滿足后期加載設備的可能。圖8為結構最大支座反力圖，可知Y向風載確為最不利荷載方向，合桿結構繞X向彎矩值為52 kN.m。桿件受力分析完成。

圖7 智慧合桿應力比圖

圖8 智慧合桿最大支座反力圖N1.X向剪切力 N2.Y向剪切力 N3.軸力 M1.繞X向彎矩 M2.繞Y向彎矩 M3.扭矩

合桿根部最大彎矩經手動粗略計算為45.2 kN.m，軟件結果與其數值相差較小，說明軟件計算結果可靠。計算過程如下：

總彎矩M=Σ部件迎風面積×Wk×彎矩作用中心點

其中Wk為風壓標準值，具體計算參考標準[13-14]。

主桿M1=(0.245+0.285)×6.9/2×0.35×0.9×

0.65×2.0544×6.9/2≈2.7 kN.m

副桿M2=0.18×3.4×0.35×1.3×0.65×3.0783×

8.6≈4.8 kN.m

燈頭M3=0.56×2×0.35×1.3×0.65×3.4638×

11.3≈13 kN.m

基站M4=0.54×1.2×0.35×1.3×0.65×3.5436×

11.7≈8 kN.m

顯示屏M5=2×1×0.35×1.3×0.65×1.7196×

4.5≈4.6 kN.m

橫臂M6=((0.1+0.189)×8/2×0.9+0.9×0.9×2×1.3+1×0.3×2×1.3+0.3×0.3×2×1.3)×0.35×0.65×

1.955×6.5≈12.1 kN.m

鑒于桿件受力較小，后續可根據需要與實際情況進一步優化參數節約經濟成本，如改小口徑或改薄壁厚等。操作過程更加簡單，只需在截面庫中直接編輯原有截面尺寸或添加想要修改的桿件，荷載施加不變，結構計算與設計驗算滿足要求即可。

其他造型復雜的景觀燈智慧合桿也可用3D3S軟件進行受力分析，只是在建模時需要尋找最合適的建模方式與最恰當的截面等效替換。

3 3D3S軟件智慧合桿基礎設計

3D3S軟件還可以進行智慧合桿的基礎設計。比較便捷的是3D3S軟件可以直接讀入基礎反力文件，無需手動輸入。根據設計要求與安裝路面的實際情況相應填入基礎參數，如基礎柱的長寬尺寸，基礎長度寬度與埋深等信息，然后計算承載力特征值進行驗算。

基礎設計一般需考慮三個方面，地基承載力、抗傾覆能力與基礎脫開面積(即零受力區面積)。3D3S軟件設計基礎時很好的考慮了這幾個因素。根據實際情況，軟件還可根據相應地質報告輸入其他限制條件進行計算，并可導出基礎計算文件。

4 3D3S軟件應用于智慧合桿設計的優缺點

通過上述實例分析可以看出，3D3S軟件操作步驟簡單，設計驗算智能，建模完成后即可自動按照相關標準進行快速驗算，省去復雜繁瑣的手算過程，降低人為計算錯誤率。同時軟件在計算過程中可以充分考慮外界可能存在的環境因素與自身因素，如風載荷與地震荷載、體型系數與風壓高度變化系數，各種地區地貌最適宜的參數與修正系數等，結果更合理更安全。根據計算結果軟件還可以對結構進行驗算優化得到最適宜參數，使復雜智慧合桿的設計更經濟更快捷。并且桿件受力分析完成后還可以自動讀取相應數據進行基礎坑設計與柱腳節點輔助設計，在此不再贅述。最后3D3S軟件可以根據客戶需要出具力學計算報告，更具有說服力。

3D3S軟件在智慧合桿設計上也仍有待完善部分。一是目前并沒有路燈及智慧合桿的國家標準與技術規范，軟件在計算時主要參考的是高聳結構標準、單管塔標準及架空送電線路等標準，各個標準之間會有行業間的細微差異；二是3D3S軟件建模時桿件截面無法進行二次細化，如燈桿下方的檢修門開門等設計，在需要校核此處桿件強度時只能使用截面性能參數來進行對比，因此在建模時需要尋找最有效合理的建模方式；三是在針對復雜燈型的不規則燈頭計算時，建筑結構荷載規范等標準并沒有對其體型系數及某些參數的選取做出客觀規定，不同計算者可能出現不同計算結果；四是運用3D3S軟件要求計算者熟讀各項國家標準才能更好的進行細節處理及參數選取，如計算長度的定義、撓度控制與桿件徑厚比控制等。

5 結 語

作為促進城市建設和經濟發展的必要手段，智慧合桿的推進具有重要的現實意義。而3D3S軟件給智慧合桿的設計提供了合理有效安全的支持。3D3S軟件結構建模簡單，實際使用環境模擬全面，受力分析速度快，設計更具有快捷、經濟與安全性，并能反饋出相應的計算結果與報告，給進一步優化驗算提供指導。但設計時需尋找最合理的建模方式、荷載加載方式及細節處理方法，使其更好的符合工程實際。3D3S軟件在建筑行業已普遍使用，今后在智慧合桿設計領域也將得到廣泛應用。