浅谈钢结构深化设计及方案优化

张世伟 王建 杜新红

【摘 要】文章阐述了钢结构深化设计及方案优化对确保工程施工质量的重要性，介绍了钢结构深化设计的实施方法及方案优化过程，以商丘文化艺术中心工程为例，总结了深化设计及方案优化在该钢结构工程中的实际应用。

【关键词】钢结构；深化设计；优化；桁架；空间网壳

【中图分类号】TU391 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）10-0069-03

0 引言

随着社会的发展和精神文明的进步，人们对建筑的设计理念要求越来越高，不仅要满足功能需求及保证外观、形式美，而且现代建筑设计逐渐向综合型、多元化、智能化、高精尖发展，由此对结构的外观要求更加严谨。钢结构具有高强度、刚度大、比重轻、标准化加工、适应快速建造、可以完成奇观外形等特点，被推广应用于高层及超高层建筑、异型结构、大跨度空间的公共建筑，如迪拜哈利法塔、广州电视塔、杭州奥体中心体育馆、北京新机场等。复杂的钢结构工程具有节点繁琐、受力复杂等难点，所以要针对每个复杂构件进行详细的拆解，方能實现制作及施工。因此，深化设计在钢结构施工前期具有重要的意义。深化设计不仅检索和核校了原设计图，而且进一步补充和完善了图纸，使设计达到理想的效果。

1 深化设计的内容及意义

1.1 深化设计的内容

在原设计图纸的基础上进行深化设计，结合该项目特点、现场施工条件、构件加工、运输及安装方案等施工工艺流程和相关专业的配合要求进行二次优化设计。主要包含以下内容：相关混凝土结构建模、钢结构节点优化和绘制加工详图，解决型钢混凝土组合结构中的型钢柱型钢梁与混凝土结构碰撞问题。预留穿筋孔，型钢桁架与舞台机械的结合，屋面桁架与装饰幕墙结构的相互配合关系。节点优化处理，分段长度及重量合理，使其构件方便加工及运输，便于现场施工。

1.2 深化设计的意义

钢结构二次深化设计，它开贯穿于设计至加工和施工的完成结束，是构件加工及施工过程中必不可少的一个重要环节。为工程提供施工布置图和构件加工图，有助于结合现场制订切实可行的安装方案，实施临时辅助支撑布置，施工过程验算，结构分段安装的变形分析和控制，虚拟动画模拟等工作。深化设计对提高设计质量和施工速度、加强安装质量控制、降低成本、保证结构安全起到了积极的作用。钢结构设计深度、层次的细节，直接影响到钢构件加工和安装精度。

2 钢结构深化设计的原则及方法

2.1 深化设计的原则

首先根据施工的设计蓝图、图纸答疑及会议纪要，在不改变原设计结构布局及结构形式，不改变原构件截面、材料等级及节点类型的前提下，对各个细部节点放样，标注尺寸、分段杆件编号等进行二次深化设计，且符合加工工艺及安装方案。通过深化设计，规定了每个部件的规格尺寸，并将部件的位置进行了分段组装。其次对零部件进行分类编码，选择合理的装配节点和焊缝坡口形状。最后绘制加工细节，确定生产工艺。

2.2 深化设计软件和细化方法

目前，通常使用的钢结构建模和细化软件主要有3D3S 12.1、Tekla Structures 19.0和CAD 2012等。

利用Tekla Structures 19.0软件，按1∶1的比例根据设计图纸进行钢结构放样、建模，并搭建出相关联的混凝土结构及配筋，重点检查梁柱节点配筋与钢骨梁的连接形式，提前预测出施工中可能发生的碰撞问题。通过细化软件，实现二维视图对三维模型的转化，在三维模型中，钢构件、梁柱、钢柱梁和混凝土钢筋之间的空间位置关系可以非常直观地展现出来，能清楚地发现是否有碰撞问题。整体模型建成并处理好节点后，利用Tekla Structures软件本身的功能，导出DWG格式，然后利用CAD软件，进行标注、调图、套图、签出图。

3 钢结构深化设计应用实例

工程施工技术先行，特别是异型空间结构深化设计工作至关重要。钢结构施工前的首要工作是进行审图和图纸答疑，然后进行图纸深化。深化设计一是必须符合结构安全、方便施工及不得影响使用功能；二是不影响钢构件的加工安装及运输方案的实现，从而提高施工质量，缩短加工、安装周期。现以商丘文化艺术中心工程为例，阐述该项目钢结构图深化设计的具体应用。

3.1 工程概况

商丘文化艺术中心建筑面积为6.7万m2，地上4层、地下2层，局部夹层。该项目主要由群艺馆、大剧院、科技馆三大部分组成。群艺馆由展厅、多媒体教室、排练厅等组成，大剧院包括一个大剧院和小剧院，科技馆主要为展厅，是一座多功能综合型公共建筑，也是商丘市地标性建筑。

3.2 工程的特点与难点

本工程A、C区主体为框架结构，B区主体为框剪结构，屋面为管桁架结构。A、C区屋面为曲面正交平面管桁架结构，B区入口大厅为双曲面管桁架结构，观群厅顶及主舞台顶桁架为平面正交型钢桁架，大剧院为2个不同心的球形鼓节点网壳结构，外球直径为57.2 m，内球直径为44 m。该工程结构复杂多样，基上涵盖了所有钢结构类型，有型钢混凝土组合结构、框架结构、型钢桁架、双曲面管桁架、球形网壳、压型金属板等结构类型。节点种类繁多，包含栓焊节点、铸钢节点、焊接球节点、鼓形节点等。钢结构自基础至屋顶与混凝土结构交叉施工密切结合，且与相关舞台设备及装饰幕墙结构紧密相关。结构设计必须达到可靠的承载能力及抗侧移刚度的能力，并符合构件的受力要求。钢结构深化设计及施工是该工程的重点及难点，关系着整体结构的安全。

3.3 建模及结构优化

型钢混凝土组合结构及型钢桁架部分建模，根据设计图纸按1∶1的比例进行放样建模，构建出所有钢结构实体模型，并对相关混凝土结构的配筋进行建模，找出结构结合碰撞点，并对下一步节点优化作准备；双曲面桁架及空间球形网壳建模，根据设计提供的节点坐标及杆件编号进行编辑导入AUTOCAD软件中生成线模，根据线模进一步转化成实体模型，由于原设计标示的为关键控制坐标点，生成的线模会出现以折代弧的现象，并未达到圆滑过渡弧形曲面的设计意图，对后期的装饰幕墙施工带来影响。经过深化设计对模型进行优化，以杆件端点坐标为基准增加中间控制点，使得杆件弧形过渡，达到理想的效果。

3.4 设计节点优化

本工程结构复杂节点种类繁多，模型的搭建和构件绘制出图，工作量相当大，为压缩出图时间，需要组建一个团队来共同完成。模型搭建完成后，首先检索碰撞问题，然后进行节点处理。对于原图纸设计不明的节点及不便于现场施工的节点进行优化设计，根据本工程的特点，主要处理的节点如下。

（1）型钢对接节点，等强焊接优化为栓焊连接、翼缘坡口焊接、腹板高强螺栓等强连接；“十”字型钢柱与“H”型钢柱变截面优化如图1所示；偏心钢梁与钢柱节点优化。

（2）型钢梁柱与混凝土纵向钢筋节点焊接套筒优化如图2所示。

（3）型钢柱梁密集区与混凝土柱箍筋节点优化。

（4）球幕影院钢管柱与环型梁及斜梁交叉梁节点优化如图3所示。

（5）型钢桁架弦杆双向变截面1∶6节点过渡处理。

（6）管桁架弦杆变截面采用1∶4锥型管过渡处理。

（7）入口大厅摇摆柱销轴节点处理如图4所示；鼓型节点处理如图5所示。

3.5 实施效果及应用价值

通过对具有代表性的商丘文化艺术中心钢结构项目深化设计的剖析、论证，结合施工现场实际情况，研究和确定了型钢混凝土组合结构、型钢桁架、曲面管桁架结构连接的节点，为后期构件的加工制作及现场安装提供了有力的技术保障。该项目的成功应用，为后续公共建筑钢结构如异型大跨度、型钢混凝土组合结构、空间网壳等深化工作提供了方法和手段。钢结构深化设计有利于提高社会效益和经济效益，具有很好的应用价值。

4 结语

深化设计是钢结构设计图纸的补充和完善，构件加工的基础，也是施工经验与设计完美结合的体现。整体结构建模检索碰撞问题，及时进行结构调整，减少了后期重复作业及返工；节点优化及结构截面优化使结构受力更加合理，为后续施工提供便利，减少了构件加工繁琐工序，节约了施工时间及施工成本，提高了安装精度，增加了产值，实现了利润的最大化。

在钢结构施工过程中，特别是组合结构及复杂的空间结构，细化人员必须与设计方有效沟通，结合施工现场实际情况及工作经验，不断对设计图纸进行补充和完善，确保工程顺利高效地完成。同时，细化人员要通过不断对“三新”技术的学习和培训，积累丰富的设计和现场施工经验，逐步提高自身的水平，以满足深化设计工作的要求。

参 考 文 献

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[責任编辑：钟声贤]