中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘 要：目前國內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)基本都是停留在二維繪制狀態(tài)，強(qiáng)度非常大，而且在設(shè)計(jì)階段深度不足，詳圖設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常需要進(jìn)行設(shè)計(jì)結(jié)果的修正和校核，對詳圖設(shè)計(jì)人員要求較高，這些問題嚴(yán)重制約著鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。本文系統(tǒng)的闡述了國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，圍繞該領(lǐng)域核心的問題展開討論，同時(shí)介紹了鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件STXT的功能特點(diǎn)及其應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：深化設(shè)計(jì)；節(jié)點(diǎn)校核；STXT 軟件
鋼結(jié)構(gòu)詳圖深化設(shè)計(jì)是從設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)化為加工、安裝圖紙，并用于指導(dǎo)加工、安裝，是鋼結(jié)構(gòu)工程從設(shè)計(jì)階段到加工安裝過程中一個(gè)重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，有時(shí)也稱為“二次設(shè)計(jì)”[1]。利用軟件進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，其基本的流程如圖1所示，詳圖設(shè)計(jì)人員不僅要深刻理解設(shè)計(jì)圖紙的意圖，也需要熟悉鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)、加工的工藝和過程。詳圖的設(shè)計(jì)既要符合原始設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)是一項(xiàng)工程量大、精度要求高的技術(shù)性工作。
圖1 深化設(shè)計(jì)流程
1、國內(nèi)詳圖設(shè)計(jì)現(xiàn)狀
目前國內(nèi)深化設(shè)計(jì)基本都是停留在二維繪制狀態(tài)，由于鋼結(jié)構(gòu)形式多樣，截面種類多，節(jié)點(diǎn)連接復(fù)雜，手工繪制強(qiáng)大非常大，而且準(zhǔn)確性難以保證。相對于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷成熟發(fā)展，深化設(shè)計(jì)還相對落后，國內(nèi)的深化設(shè)計(jì)、加工制造和施工水平與發(fā)達(dá)國家還有不小的差距。
鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)的重要性并不亞于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然而鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀不容樂觀：
1）對深化設(shè)計(jì)重視程度不夠
認(rèn)為設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的藍(lán)圖就已滿足施工要求，加工詳圖只是鋼結(jié)構(gòu)加工單位為了方便加工而出具的下料圖。
2）設(shè)計(jì)深度不夠
不少設(shè)計(jì)單位，承擔(dān)工程的設(shè)計(jì)者多為剛畢業(yè)不久的學(xué)生，缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對所設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)是否安全、構(gòu)造是否合理等心中沒底，將其中部分節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)只給出了大樣圖，設(shè)計(jì)院只做到了“方案設(shè)計(jì)”或初步設(shè)計(jì)的深度，將施工圖交給加工廠。
3）設(shè)計(jì)未充分考慮施工
一些設(shè)計(jì)人員對工廠生產(chǎn)條件、現(xiàn)場施工條件、運(yùn)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(shè)計(jì)與深化設(shè)計(jì)職責(zé)不明
“施工圖設(shè)計(jì)”應(yīng)由設(shè)計(jì)院完成，施工圖設(shè)計(jì)必須滿足設(shè)計(jì)深度的要求，合同往往規(guī)定設(shè)計(jì)人員要對鋼結(jié)構(gòu)詳圖進(jìn)行最后審核并簽章。一方面設(shè)計(jì)院將一部分設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)給加工企業(yè)；另一方面確實(shí)由于時(shí)間緊張，詳圖圖紙數(shù)量巨大，同時(shí)設(shè)計(jì)人員認(rèn)為詳圖的正確與否、合理與否責(zé)任不在自己，因此往往無心細(xì)看，草草翻翻了事。
5）缺乏優(yōu)秀的詳圖設(shè)計(jì)軟件
目前國內(nèi)市面上比較成熟的詳圖設(shè)計(jì)軟件，基本都是國外引進(jìn)軟件，這些國外軟件的價(jià)格普遍都比較昂貴，而且不是專門針對國內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)市場，設(shè)計(jì)人員上手較困難，只有少數(shù)有實(shí)力的大型鋼構(gòu)公司能夠使用起來，不適合推廣與普及。
這一現(xiàn)狀與鋼結(jié)構(gòu)工程的蓬勃發(fā)展不對稱，如果能夠藉以強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)與優(yōu)秀的詳圖設(shè)計(jì)軟件，協(xié)助詳圖設(shè)計(jì)人員完成鋼結(jié)構(gòu)后期的加工、制作詳圖設(shè)計(jì)，就可以讓設(shè)計(jì)者在更短的時(shí)間內(nèi)做出更正確的設(shè)計(jì)。
為此，由中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD設(shè)計(jì)軟件事業(yè)部開發(fā)完成了鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)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(nèi)深化設(shè)計(jì)的核心問題
圖2 鋼結(jié)構(gòu)三維模型
2．1 詳圖設(shè)計(jì)的基本任務(wù)
1、模型搭建
一般詳圖設(shè)計(jì)需要按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行二次建模，如何能夠快速建立完成詳圖模型，是順利進(jìn)行詳圖設(shè)計(jì)的第一步。
鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件STXT為結(jié)構(gòu)三維模型輸入提供了多種建模方式，能完成各類主結(jié)構(gòu)建模，同時(shí)還提供專業(yè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)建模模塊[2]，圖2為一個(gè)框架模型圖。
2、節(jié)點(diǎn)連接處理
鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接處理是詳圖設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，構(gòu)造也最為復(fù)雜，工作量最大。鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)STXT提供了大量庫節(jié)點(diǎn)，可以快速方便的錄入或生成連接數(shù)據(jù)。
圖3 節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建方式界面
STXT軟件中，建立了內(nèi)部連接類型庫（目前已經(jīng)達(dá)到381種）,如圖3所示：針對性強(qiáng)，涵蓋了國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)的常用節(jié)點(diǎn)形式 ；緊扣國內(nèi)規(guī)范要求；參數(shù)設(shè)置簡單明了，且根據(jù)選擇的連接部位與截面給出了合理的初始參數(shù)，對可能出現(xiàn)矛盾的參數(shù)之間進(jìn)行合理性關(guān)聯(lián)。
3、模型檢查
在鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件中，構(gòu)件及零件加工詳圖都是由三維模型直接產(chǎn)生，直接用于指導(dǎo)加工生產(chǎn)。建立的模型及連接節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)連接創(chuàng)建時(shí)綜合考慮，避免在安裝加工時(shí)安裝難度大或不合理碰撞情況。由于鋼結(jié)構(gòu)三維模型規(guī)模龐大，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員難以通過人工查看來發(fā)現(xiàn)模型中不合理的連接，需要詳圖設(shè)計(jì)軟件提供一個(gè)自動模型碰撞檢測和安裝合理性檢驗(yàn)的功能。
鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件STXT中提供了模型碰撞檢測及螺栓安裝空間合理檢驗(yàn)[3]?？梢栽谌S模型中非常直觀的進(jìn)行模型檢查，避免建模和節(jié)點(diǎn)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(jìn)行全樓構(gòu)件、零件的歸并與編號，統(tǒng)計(jì)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(jié)點(diǎn)圖、構(gòu)件圖與零件圖，節(jié)點(diǎn)圖、構(gòu)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(jìn)行管理。程序還提供了1：1放樣的DXF零件數(shù)據(jù)文件輸出，可以應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床。
構(gòu)件圖（裝配件圖）標(biāo)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(gè)歸并零件的編號全樓是唯一的）。構(gòu)件圖的材料表中詳細(xì)給出了該構(gòu)件所使用的零件清單與重量統(tǒng)計(jì)。全樓構(gòu)件表中給出了每個(gè)歸并構(gòu)件的全樓數(shù)量與全樓的用鋼量統(tǒng)計(jì)，如圖4所示。
零件圖中詳細(xì)的標(biāo)出了零件的放樣尺寸、零件所在的歸并構(gòu)件及數(shù)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(shè)計(jì)往往工期緊張、周期長，一個(gè)比較大的工程，高層的部分還處于設(shè)計(jì)，底層的已經(jīng)開始加工、安裝和施工了，在施工過程中，模型發(fā)生變更的事情時(shí)常發(fā)生，但是一部分圖紙已經(jīng)調(diào)圖結(jié)束進(jìn)入加工階段，如何在后期變更模型時(shí)，盡可能的標(biāo)識圖紙的改動量，同時(shí)還保證準(zhǔn)確性，是詳圖設(shè)計(jì)中一個(gè)核心問題。
圖5零件圖與對應(yīng)零件全樓用量統(tǒng)計(jì)
STXT程序能自動對全樓構(gòu)件、零件進(jìn)行歸并編號，可以修改構(gòu)件編號前綴或起始編號。當(dāng)模型或連接發(fā)生變化時(shí)，可以只對變化部分進(jìn)行編號，未變化部分，編號可以保持不變。自動管理全樓構(gòu)件、零件圖。當(dāng)連接變更、模型變更時(shí)，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(gòu)件圖與構(gòu)件材料表
2．2 詳圖設(shè)計(jì)者需要對相關(guān)連接節(jié)點(diǎn)形式有充分的了解
鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)者還要了解設(shè)計(jì)規(guī)范，掌握其中連接計(jì)算和構(gòu)造要求方面的內(nèi)容，對常用結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，連接節(jié)點(diǎn)形式有充分的了解，這樣設(shè)計(jì)出來的連接形式、節(jié)點(diǎn)作法才能符合設(shè)計(jì)模型的計(jì)算假定，符合有關(guān)規(guī)范的要求。不合理的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)，除了會改變結(jié)構(gòu)的受力特征外，往往還可能引起應(yīng)力集中、產(chǎn)生過大的殘余應(yīng)力和殘余變形，給結(jié)構(gòu)造成很大的安全隱患。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，由于節(jié)點(diǎn)連接不合理造成的事故占鋼結(jié)構(gòu)工程事故的比例高達(dá)約20%。
近些年國內(nèi)鋼構(gòu)公司發(fā)展迅速，從規(guī)模上看還是中小型公司偏多，對相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的掌握和設(shè)計(jì)要求了解并不細(xì)致。
鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件STXT，提供了該方面功能，協(xié)助進(jìn)行節(jié)點(diǎn)受力及構(gòu)造合理性的檢查：
1）輸入連接設(shè)計(jì)內(nèi)力，自動建立連接。
這種連接錄入方式，適合于設(shè)計(jì)圖中只提供了布置圖、桿件的截面與桿端的連接內(nèi)力，由詳圖設(shè)計(jì)中自行進(jìn)行連接設(shè)計(jì)。STXT程序在錄入連接的時(shí)候，可以由用戶選擇連接類型，輸入連接設(shè)計(jì)內(nèi)力，并選擇相關(guān)控制設(shè)計(jì)參數(shù)，程序自動進(jìn)行節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)，并提供詳細(xì)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算書，界面如圖6所示。
2）節(jié)點(diǎn)校核
同時(shí)從加工和安裝方便角度，往往在深化設(shè)計(jì)階段會對一些相近的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)歸并，標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)點(diǎn)類型，但是修改后的節(jié)點(diǎn)連接是否能夠滿足設(shè)計(jì)相關(guān)要求，詳圖設(shè)計(jì)人員較難判斷。STXT軟件中提供了校核功能，能根據(jù)用戶交互輸入節(jié)點(diǎn)連接參數(shù)及設(shè)計(jì)內(nèi)力，程序自動進(jìn)行承載力校核及合理化檢查。
圖6 輸入設(shè)計(jì)內(nèi)力自動設(shè)計(jì)
2．3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與深化設(shè)計(jì)的協(xié)同作業(yè)
一些比較大鋼構(gòu)公司往往擁有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與詳圖設(shè)計(jì)兩個(gè)部門，同時(shí)一些設(shè)計(jì)公司也開始把業(yè)務(wù)擴(kuò)展到詳圖設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
如果能夠在詳圖設(shè)計(jì)階段直接采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，既可以節(jié)省重復(fù)建模的工作，也可以避免二次建模有可能帶來的錯(cuò)誤，同時(shí)還能更好地就建模及細(xì)部處理中存在的各類問題與設(shè)計(jì)方進(jìn)行交流。
目前國內(nèi)設(shè)計(jì)主要還是采用PKPM的設(shè)計(jì)軟件來進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件STXT提供與PKPM設(shè)計(jì)軟件的無縫接口，能載入PKPM結(jié)構(gòu)模型與設(shè)計(jì)內(nèi)力。設(shè)計(jì)建模采用PMCAD或者STS，設(shè)計(jì)采用三維分析軟件SATWE、TAT或者PMSAP完成時(shí)，詳圖設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)內(nèi)力，自動完成全樓節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，并提供詳細(xì)的計(jì)算書。
3、應(yīng)用實(shí)例
例1：兩層結(jié)構(gòu)，一層為框架：開間10×7.5m，進(jìn)深4×8m；第二層為二跨輕型門式剛架：開間10×7.5m，進(jìn)深2×16m；，屋面坡度1/10，如圖7-（a）。
例題2：接力PKPM結(jié)構(gòu)軟件模型與分析數(shù)據(jù)進(jìn)行詳圖設(shè)計(jì)，氣體冷卻器框架，用戶實(shí)際工程，采用PKPM鋼結(jié)構(gòu)STS建模，采用SATWE分析，如圖7-（b）。
例題3：高層框架結(jié)構(gòu)，用戶實(shí)際工程，如圖7-（c）。
采用軟件后與二維繪制需要的時(shí)間對照表如表1所示，同時(shí)STXT軟件還在廠房、框架、展廳等各類結(jié)構(gòu)中進(jìn)行了大量應(yīng)用。
（a）
圖7 實(shí)例工程
表1 實(shí)例工程對照表
注：該表中手工繪制時(shí)間為用戶反饋時(shí)間，使用軟件時(shí)間為筆者自己操作時(shí)間。
4．小 結(jié)
綜上所述，可以得出以下結(jié)論：
1、鋼結(jié)構(gòu)詳圖深化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)工程量大、精度要求高的技術(shù)性工作，是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要的環(huán)節(jié)，但是長期以來國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)水平較低，迫切需要借以優(yōu)秀的深化設(shè)計(jì)軟件來輔助進(jìn)行設(shè)計(jì)；
2、鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件STXT，沿襲PKPM結(jié)構(gòu)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(qiáng)，參數(shù)設(shè)置簡單清楚，提供了快速的連接建立與復(fù)制功能。圖紙的表達(dá)符合國內(nèi)的出圖習(xí)慣，同時(shí)考慮了國內(nèi)規(guī)范的一些要求。
3、國內(nèi)詳圖設(shè)計(jì)還同時(shí)承擔(dān)著部分節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)工作，這對詳圖設(shè)計(jì)是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)，STXT軟件中提供了自動連接設(shè)計(jì)及校核功能，能夠協(xié)助詳圖設(shè)計(jì)人員進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和參數(shù)合理性檢查，解決了詳圖設(shè)計(jì)中的難題，對工程質(zhì)量也起到一定保證作用；
4、軟件能無縫銜接PKPM設(shè)計(jì)模型、分析模型以及STS的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)果模型，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與詳圖設(shè)計(jì)能協(xié)同作業(yè)，避免了二次建模可能的錯(cuò)誤，提高了效率，縮短了工程周期，節(jié)約了成本，為設(shè)計(jì)方和施工方的合作提供了一種新的可能。
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