空间弯扭钢结构深化技术在长沙梅溪湖城市岛项目中的应用

章少君+樊林+郭奎刚+辛燃+吴瑶+潘升

摘要：指出了空间弯扭钢结构具有造型独特、外观优美等优点，在文化艺术中心及体育场管等大型公共建筑中应用较多，但此类结构面临着深化设计困难、加工制作复杂、现场安装要求高等难题。基于此，以长沙梅溪湖城市岛大截面空间弯扭钢结构深化设计为例，提出了一种关于空间弯扭钢结构深化设计的新思路，可为以后工程中采用类似结构的深化设计提供参考。

关键词：钢结构；空间弯扭；深化设计；Tekla Structures；坐标表达

中图分类号：TU393

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2016）24-0126-03

1 工程概况

长沙梅溪湖城市岛（图1）位于长沙大河西先导区核心梅溪湖，总建筑面积约为2万m2，呈长方形，为地面平整的人工岛屿，标志性构筑物为高约35 m，直径约80 m的双螺旋观景平台，通过一座悬索人行天桥将岛上螺旋体建筑与岛外相连。钢结构工程主要包括螺旋体钢结构和人行天桥钢结构两个部分（图2），螺旋体钢结构主要为“钢斜柱+空间螺旋环道+柱间钢棒”结构体系，人行天桥钢结构主要为“倒三角桁架+外包钢板+弧形桥拱”结构体系。

2 空间弯扭结构的特点及重难点分析

空间弯扭构件深化设计和加工制作都非常复杂。对于工厂加工来说，主要表现在板件弯扭、组装定位困难等方面；对于深化设计来说，主要表现在三维建模和展开放样困难等方面。弯扭构件一般都是由弯扭的板材组立而成，故弯扭板材展开放样的精确程度对整个弯扭构件的顺利组装起着至关重要的作用。

长沙梅溪湖城市岛钢结构工程分为螺旋环道和人行天桥两部分（图3、图4），均为三角形截面空间弯扭结构。螺旋体环道为外皮及内部纵向和横向加劲组成的腔体，外皮及内部纵向加劲均为空间弯扭构件；人行天桥为三角桁架经由槽钢与空间弯扭的外皮连接，其不仅具有一般弯扭结构的特点，还具有大截面、安装困难等特点。这些都对深化设计工作提出了更高的要求。

3 空间弯扭构件（螺旋体）深化设计

3.1 应用软件

目前国内使用的钢结构深化设计软件主要为芬兰的Tekla Structures。本工程以Tekla Structures软件为主，AutoCAD软件为辅，并充分结合两者的优点进行了软件的二次开发，实现了两个不同软件平台的数据互通。整个软件使用流程为AutoCAD →Tekla Structures→AutoCAD。

3.2 深化设计原理简述

Tekla Structures软件对于空间弯扭构件在建模方面存在着很大的短板，但也给用户提供了一种可供选择的途径，即节点库中的19号和21号节点。整个深化设计流程如图5所示，19号节点中的“三角生成器”可以将用户给定的点以一定地顺序进行连接，从而可以近似模拟弯扭板材，21号节点中的“表面展开”可以将19号节点模拟出的空间弯扭板材展开为平面板材，这两个节点综合在一起运用，就可以实现弯扭构件加工圖的生成。因此整个深化设计流程都是以此为中心展开的。

3.3 技术特点

3.3.1 三维样条曲线的处理

由于Tekla Structures软件节点库中的19号节点“三角生成器”（图6），必须点到点以一定的连接顺序才能准确模拟弯扭板材，因此要在AutoCAD中将分好段（确保分段不更改）的样条曲线，以一定间距进行等分得到相应的点（图7），然后再通过二次开发插件导入到Tekla Structures中，最后生成弯扭的板材。由于AutoCAD中不能批量框选自动生成等分点，十分影响工作进度，对此开发了相应的插件，大大提高了工作效率。

3.3.2 构建三维模型及弯扭构件展开

（1）三维模型的构建模式比较单一，整个工程基本都是运用19号节点来完成。但对于搭建好的三维弯扭板材（图8）的进一步处理（例如弯扭板材的切割、焊接、编号等）需要特别注意，因为这会直接影响到能否用21号节点顺利展开，弯扭板材展开前后对比如图9所示。而且这所有的流程又都是不可逆的，如果某一环节出现问题就必须重新建模，所以一定要认真仔细处理好每一步骤。

（2）经过与工厂的沟通，确定了坐标点的设置原则。模型中的坐标点是在板的控制点处增加辅助零件，使辅助零件重心与控制点重合，图纸中读取辅助零件重心坐标来实现的。为了使辅助零件能批量添加，我们开发了“坐标辅助件添加器”。

（3）弯扭板材数量多，展开前后一定要相互对应，因此使用21号节点展开一定要有次序和规律，方便以后能准确快速的找到展开前后的板材。此外，21号节点展开板受弯扭板材切割、焊接以及展开点选取位置等因素的影响。

3.3.3 图纸生成准备工作及信息表达

（1）根据工厂制作的情况设置相对坐标系，将辅助零件的重心坐标输入到辅助零件的用户属性里面，以便出三维坐标图使用。

（2）根据相对坐标系的设置，螺旋环道出三维坐标图。三维坐标图主要包括：三维坐标、外包板拼装方向、零件号等，如图10、图11所示。

（3）每段坡道的平面布置图，主要表达零件号及其相互之间的关系。对于零件图应特别注意外皮板材零件图应给出拼装的方向，与三维坐标图中给出的相对应。

（4）工厂预拼装坐标图及现场安装坐标图。

4 结语

空间弯扭钢结构的深化设计通常都是通过AutoCAD及其插件来完成，虽然给设计人员带来了很多方便，但是也存在着一些不足，主要是空间弯扭结构所用板材外形极其不规则，其空间三维坐标不易表达清楚，特别是图纸如果表达不精确会导致工厂加工缓慢，甚至无法加工。为了解决这个难题，本文结合长沙梅溪湖城市岛工程深化实例探讨了AutoCAD和Tekla Structures相结合的这种方式，成功实现了空间大型弯扭钢结构的深化设计及图纸表达，相比传统的设计方法，该方法在深化设计效率上和质量上大大地得到了提升。为了大力推广该方法，曾先后在武汉天河机场及马来西亚碧桂园森林城市等项目中使用，均取得了良好的设计效果，同时大大提高了工厂加工效率及现场安装速度。因此针对不同结构类型的工程设计，选择合适的方法和思路是至关重要的。在此做简单归纳总结，希望能够对以后类似工程的深化设计有所提示和帮助。

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