摘 要:目前國內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計基本都是停留在二維繪制狀態(tài),強度非常大,而且在設(shè)計階段深度不足,詳圖設(shè)計時經(jīng)常需要進行設(shè)計結(jié)果的修正和校核,對詳圖設(shè)計人員要求較高,這些問題嚴重制約著鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計的進一步發(fā)展。本文系統(tǒng)的闡述了國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計的現(xiàn)狀,圍繞該領(lǐng)域核心的問題展開討論,同時介紹了鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計軟件STXT的功能特點及其應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:深化設(shè)計;節(jié)點校核;STXT 軟件
鋼結(jié)構(gòu)詳圖深化設(shè)計是從設(shè)計圖紙轉(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)計階段到加工安裝過程中一個重要的設(shè)計環(huán)節(jié),有時也稱為“二次設(shè)計”[1]。利用軟件進行深化設(shè)計,其基本的流程如圖1所示,詳圖設(shè)計人員不僅要深刻理解設(shè)計圖紙的意圖,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)計既要符合原始設(shè)計要求,又能夠直接用于加工,滿足加工、安裝的要求。因此詳圖設(shè)計是一項工程量大、精度要求高的技術(shù)性工作。
圖1 深化設(shè)計流程
1、國內(nèi)詳圖設(shè)計現(xiàn)狀
目前國內(nèi)深化設(shè)計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)點連接復(fù)雜,手工繪制強大非常大,而且準確性難以保證。相對于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的不斷成熟發(fā)展,深化設(shè)計還相對落后,國內(nèi)的深化設(shè)計、加工制造和施工水平與發(fā)達國家還有不小的差距。
鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計的重要性并不亞于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計,然而鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計現(xiàn)狀不容樂觀:
1)對深化設(shè)計重視程度不夠
認為設(shè)計院設(shè)計的藍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)計深度不夠
不少設(shè)計單位,承擔(dān)工程的設(shè)計者多為剛畢業(yè)不久的學(xué)生,缺乏實踐經(jīng)驗,對所設(shè)計的節(jié)點是否安全、構(gòu)造是否合理等心中沒底,將其中部分節(jié)點設(shè)計只給出了大樣圖,設(shè)計院只做到了“方案設(shè)計”或初步設(shè)計的深度,將施工圖交給加工廠。
3)設(shè)計未充分考慮施工
一些設(shè)計人員對工廠生產(chǎn)條件、現(xiàn)場施工條件、運輸能力、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)計與深化設(shè)計職責(zé)不明
“施工圖設(shè)計”應(yīng)由設(shè)計院完成,施工圖設(shè)計必須滿足設(shè)計深度的要求,合同往往規(guī)定設(shè)計人員要對鋼結(jié)構(gòu)詳圖進行最后審核并簽章。一方面設(shè)計院將一部分設(shè)計工作轉(zhuǎn)給加工企業(yè);另一方面確實由于時間緊張,詳圖圖紙數(shù)量巨大,同時設(shè)計人員認為詳圖的正確與否、合理與否責(zé)任不在自己,因此往往無心細看,草草翻翻了事。
5)缺乏優(yōu)秀的詳圖設(shè)計軟件
目前國內(nèi)市面上比較成熟的詳圖設(shè)計軟件,基本都是國外引進軟件,這些國外軟件的價格普遍都比較昂貴,而且不是專門針對國內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)市場,設(shè)計人員上手較困難,只有少數(shù)有實力的大型鋼構(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,如果能夠藉以強大的計算機與優(yōu)秀的詳圖設(shè)計軟件,協(xié)助詳圖設(shè)計人員完成鋼結(jié)構(gòu)后期的加工、制作詳圖設(shè)計,就可以讓設(shè)計者在更短的時間內(nèi)做出更正確的設(shè)計。
為此,由中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD設(shè)計軟件事業(yè)部開發(fā)完成了鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計軟件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)計的核心問題
圖2 鋼結(jié)構(gòu)三維模型
2.1 詳圖設(shè)計的基本任務(wù)
1、模型搭建
一般詳圖設(shè)計需要按照設(shè)計圖紙進行二次建模,如何能夠快速建立完成詳圖模型,是順利進行詳圖設(shè)計的第一步。
鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計軟件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,同時還提供專業(yè)的圍護結(jié)構(gòu)建模模塊[2],圖2為一個框架模型圖。
2、節(jié)點連接處理
鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點連接處理是詳圖設(shè)計環(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STXT提供了大量庫節(jié)點,可以快速方便的錄入或生成連接數(shù)據(jù)。
圖3 節(jié)點創(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)達到381種),如圖3所示:針對性強,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)之間進行合理性關(guān)聯(lián)。
3、模型檢查
在鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計軟件中,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)點連接創(chuàng)建時綜合考慮,避免在安裝加工時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)點構(gòu)造復(fù)雜,設(shè)計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)計軟件提供一個自動模型碰撞檢測和安裝合理性檢驗的功能。
鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計軟件STXT中提供了模型碰撞檢測及螺栓安裝空間合理檢驗[3]??梢栽谌S模型中非常直觀的進行模型檢查,避免建模和節(jié)點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,程序自動進行全樓構(gòu)件、零件的歸并與編號,統(tǒng)計全樓材料,并自動生成全樓詳圖圖紙,程序共提供三類圖紙:節(jié)點圖、構(gòu)件圖與零件圖,節(jié)點圖、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,每個歸并零件的編號全樓是唯一的)。構(gòu)件圖的材料表中詳細給出了該構(gòu)件所使用的零件清單與重量統(tǒng)計。全樓構(gòu)件表中給出了每個歸并構(gòu)件的全樓數(shù)量與全樓的用鋼量統(tǒng)計,如圖4所示。
零件圖中詳細的標(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)計往往工期緊張、周期長,一個比較大的工程,高層的部分還處于設(shè)計,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)生變更的事情時常發(fā)生,但是一部分圖紙已經(jīng)調(diào)圖結(jié)束進入加工階段,如何在后期變更模型時,盡可能的標(biāo)識圖紙的改動量,同時還保證準確性,是詳圖設(shè)計中一個核心問題。
圖5零件圖與對應(yīng)零件全樓用量統(tǒng)計
STXT程序能自動對全樓構(gòu)件、零件進行歸并編號,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,可以只對變化部分進行編號,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,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)計者需要對相關(guān)連接節(jié)點形式有充分的了解
鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計者還要了解設(shè)計規(guī)范,掌握其中連接計算和構(gòu)造要求方面的內(nèi)容,對常用結(jié)構(gòu)的受力特點,連接節(jié)點形式有充分的了解,這樣設(shè)計出來的連接形式、節(jié)點作法才能符合設(shè)計模型的計算假定,符合有關(guān)規(guī)范的要求。不合理的節(jié)點構(gòu)造設(shè)計,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,由于節(jié)點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)計規(guī)范的掌握和設(shè)計要求了解并不細致。
鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計軟件STXT,提供了該方面功能,協(xié)助進行節(jié)點受力及構(gòu)造合理性的檢查:
1)輸入連接設(shè)計內(nèi)力,自動建立連接。
這種連接錄入方式,適合于設(shè)計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)計中自行進行連接設(shè)計。STXT程序在錄入連接的時候,可以由用戶選擇連接類型,輸入連接設(shè)計內(nèi)力,并選擇相關(guān)控制設(shè)計參數(shù),程序自動進行節(jié)點連接設(shè)計,并提供詳細的節(jié)點設(shè)計計算書,界面如圖6所示。
2)節(jié)點校核
同時從加工和安裝方便角度,往往在深化設(shè)計階段會對一些相近的節(jié)點進行參數(shù)歸并,標(biāo)準化節(jié)點類型,但是修改后的節(jié)點連接是否能夠滿足設(shè)計相關(guān)要求,詳圖設(shè)計人員較難判斷。STXT軟件中提供了校核功能,能根據(jù)用戶交互輸入節(jié)點連接參數(shù)及設(shè)計內(nèi)力,程序自動進行承載力校核及合理化檢查。
圖6 輸入設(shè)計內(nèi)力自動設(shè)計
2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計與深化設(shè)計的協(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)計與詳圖設(shè)計兩個部門,同時一些設(shè)計公司也開始把業(yè)務(wù)擴展到詳圖設(shè)計領(lǐng)域。
如果能夠在詳圖設(shè)計階段直接采用結(jié)構(gòu)設(shè)計模型,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誤,同時還能更好地就建模及細部處理中存在的各類問題與設(shè)計方進行交流。
目前國內(nèi)設(shè)計主要還是采用PKPM的設(shè)計軟件來進行輔助設(shè)計,鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計軟件STXT提供與PKPM設(shè)計軟件的無縫接口,能載入PKPM結(jié)構(gòu)模型與設(shè)計內(nèi)力。設(shè)計建模采用PMCAD或者STS,設(shè)計采用三維分析軟件SATWE、TAT或者PMSAP完成時,詳圖設(shè)計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)計內(nèi)力,自動完成全樓節(jié)點設(shè)計,并提供詳細的計算書。
3、應(yīng)用實例
例1:兩層結(jié)構(gòu),一層為框架:開間10×7.5m,進深4×8m;第二層為二跨輕型門式剛架:開間10×7.5m,進深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)進行詳圖設(shè)計,氣體冷卻器框架,用戶實際工程,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),用戶實際工程,如圖7-(c)。
采用軟件后與二維繪制需要的時間對照表如表1所示,同時STXT軟件還在廠房、框架、展廳等各類結(jié)構(gòu)中進行了大量應(yīng)用。
(a)
圖7 實例工程
表1 實例工程對照表
注:該表中手工繪制時間為用戶反饋時間,使用軟件時間為筆者自己操作時間。
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)計是一項工程量大、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)計水平較低,迫切需要借以優(yōu)秀的深化設(shè)計軟件來輔助進行設(shè)計;
2、鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計軟件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,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。圖紙的表達符合國內(nèi)的出圖習(xí)慣,同時考慮了國內(nèi)規(guī)范的一些要求。
3、國內(nèi)詳圖設(shè)計還同時承擔(dān)著部分節(jié)點設(shè)計工作,這對詳圖設(shè)計是一個較大的挑戰(zhàn),STXT軟件中提供了自動連接設(shè)計及校核功能,能夠協(xié)助詳圖設(shè)計人員進行節(jié)點設(shè)計和參數(shù)合理性檢查,解決了詳圖設(shè)計中的難題,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)計模型、分析模型以及STS的節(jié)點設(shè)計結(jié)果模型,使結(jié)構(gòu)設(shè)計與詳圖設(shè)計能協(xié)同作業(yè),避免了二次建模可能的錯誤,提高了效率,縮短了工程周期,節(jié)約了成本,為設(shè)計方和施工方的合作提供了一種新的可能。
參考文獻
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[3] 張曉龍,馬恩成,夏緒勇等.鋼結(jié)構(gòu)三維模型碰撞檢測技術(shù)研究及應(yīng)用[J]. 土木建筑工程信息技術(shù),2009,12:51-54.
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