3D3S在智慧合杆设计中的应用*

赵文婷，陈 林，冯成林，黎 辉

(四川华体照明科技股份有限公司，四川 成都 610200)

0 引 言

随着城市的快速发展，城市道路要求承载的功能不断提升。道路功能如照明系统、交通信号灯系统、交通安防监控系统、标志牌系统、5G基站系统、智慧城市应用系统等杆件林立杂乱，不仅严重影响城市文明风貌，造成公共资源浪费，且同一位置信息点过多易造成驾驶员或行人无法及时识别产生安全事故[1-5]。在此背景下，推进实施城市道路智慧合杆工程，形成以城市智慧照明为基础，视频监控、交通监管、信息交互、环境监测、无线通讯等多功能于一体的智慧合杆系统，使道路基础设施实现共建共享，提高城市有限空间资源的利用率，已成为智慧城市精细化管理的必然趋势[5-7]。

2017年上海设定建设智慧合杆整治工程并于2018年启动工程及标准文件的制订，统筹各因素预计可将城区道路主干路与支路的原有杆件数量分别下降72%与65%[1,8]。随后北京在中关村西区进行多杆合一的试点工作。2019年武汉对军运会沿江大道线路进行了道路综合提升改造，经过多杆合一改造后杆件减少了14%[2]。深圳、济南、杭州、成都与长沙等多地也陆续开展了多杆合一的试点与推广工作，基于设施功能与荷载分析明确智慧合杆应按“应整合、可整合、独立设置”三类开展设计[2-3,6]。未来几年，随着5G应用的成熟与广泛，5G站点的数量将翻倍，平均间距30 m、高度12 m左右的智慧综合杆将会成为道路上搭载5G微站的最理想载体[1,2,9,10]。

鉴于目前城市道路功能的发展要求，智慧合杆的建设尤其迫切与重要。但目前智慧合杆建设处于初步阶段，行业缺乏成熟的技术参考规范，且由于合杆具有搭载设备的多样性与实际使用过程中受力的复杂性，设计安全非常重要。同济大学独立开发的3D3S钢结构-空间结构设计软件(后简称3D3S软件)包含多类体系的结构建造、受力分析、设计优化、配套节点与基础设计、施工图绘制等模块，已应用于机械车库、电梯井道等钢结构稳定性受力分析[11-12]。针对智慧合杆的设计，3D3S软件自动读取相关设计规范并进行实际使用环境中的模拟受力，建模计算过程简单快捷，受力分析合理全面，可充分提高智慧合杆的设计性、安全性与经济性。

1 3D3S软件智慧合杆建模与荷载施加

以各大城市广泛应用的12 m双臂柳叶智慧合杆设计为例进行3D3S软件的模拟建模，杆件所带道路功能有路灯照明、球机监控、交通信号灯、小指示标牌、5G基站、显示屏等，杆件大样图见图1、2为效果图。

图1 12 m双臂柳叶智慧合杆大样图(单位 mm)

图2 12 m双臂柳叶智慧合杆效果图

1.1 杆件结构分析

具体杆件结构分析见表1。

表1 12 m双臂柳叶智慧合杆杆件结构 /mm

1.2 3D3S软件结构建模

3D3S软件建模操作非常简单，操作命令与CAD相同。针对智慧合杆，建模原则只需保证一定坐标上的重量与迎风面积相同即可。

基本步骤如下：

(1) 用线构建杆件简图，见图3。需注意应尽可能从坐标原点(0,0,0)建模，即将结构支座设置于坐标原点。建模时还需考虑杆件实际安装时的方向问题，智慧合杆安装于各大城市道路，一般默认沿X方向为垂直路面方向，Y方向为平行路面方向。

图3 12 m双臂柳叶智慧 图4 12 m双臂柳叶智慧 合杆简图 合杆模型

(2) 添加杆件，赋予每根线条实际截面，并在杆件相交处打断。在截面库中新增结构中存在的所有截面，并将其对应定义给相应的线条。不规则部件与设备可用迎风面积与重量相同的杆件替代。杆件定义完成后打断所有相交杆件，还可根据需要进行其他打断，利于后续杆件受力计算。

(3) 调整杆件的方位与材性，并添加支座。杆件添加后需注意杆件的分布方位，如杆件是一个面正对前方还是一条棱边正对前方，并给杆件定义相对应的材料属性，即钢材具体标号或其他材料属性。支座原点如前所述应尽可能设置于原点。

譬如主杆的创建，先于坐标原点沿Z轴正方向绘制一根长6 900 mm的直线，然后通过添加杆件命令，定义其截面为上下口径分别为Φ245与Φ285壁厚7.75 mm的十二棱锥管，注意其默认为一个面正对前方，并将杆件的材质设定为Q355B。最终建模完成见图4。

杆件建模可参考上述步骤先绘制线条后定义截面，也可直接通过添加杆件命令里的直接画杆件进行建模，结果相同。

1.3 施加荷载

以杆件安装于成都市区实际使用情况为例。杆件无其他附属设施，因此无节点荷载，也无需考虑地震荷载与雪载等附加荷载，只承受风载，一般情况下考虑两个垂直方向的风载。

基本步骤如下：

(1) 荷载工况设定，恒载及XY两方向风载，初步认为Y方向风载为对结构最不利方向荷载。

(2) 风总信息设定，根据标准[13-14]查询确定成都50年一遇最大基本风压为0.35 kN/m2，地面粗糙度为C类，且处于平坦地面，无需进行风压高度系数的修正。

(3) 导荷载，根据标准[13-15]输入风载体型系数并进行相应杆件自动导荷载。

(4) 荷载组合，根据标准[16]进行不同荷载的快速组合，荷载施加完成。

模型施加荷载完成后可进行各类荷载的显示，检查荷载施加是否正确。工况1-X方向荷载施加情况如图5，工况2-Y方向荷载施加情况如图6。

图5 工况1-X方向荷载显 图6 工况2-Y方向荷载显 示(单位 kN/m2) 示(单位 kN/m2)

2 3D3S软件智慧合杆受力结果分析

自动检查模型无误后即可进行结构计算与设计验算。根据杆件的不同材性选取对应规范[17]对杆件进行校核验算。最终受力结果见图7。结果显示，在多种荷载组合情况下，杆件最大应力比0.527出现在横臂根部，所有杆件都合格并有一定富余，满足后期加载设备的可能。图8为结构最大支座反力图，可知Y向风载确为最不利荷载方向，合杆结构绕X向弯矩值为52 kN.m。杆件受力分析完成。

图7 智慧合杆应力比图

图8 智慧合杆最大支座反力图N1.X向剪切力 N2.Y向剪切力 N3.轴力 M1.绕X向弯矩 M2.绕Y向弯矩 M3.扭矩

合杆根部最大弯矩经手动粗略计算为45.2 kN.m，软件结果与其数值相差较小，说明软件计算结果可靠。计算过程如下：

总弯矩M=Σ部件迎风面积×Wk×弯矩作用中心点

其中Wk为风压标准值，具体计算参考标准[13-14]。

主杆M1=(0.245+0.285)×6.9/2×0.35×0.9×

0.65×2.0544×6.9/2≈2.7 kN.m

副杆M2=0.18×3.4×0.35×1.3×0.65×3.0783×

8.6≈4.8 kN.m

灯头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

显示屏M5=2×1×0.35×1.3×0.65×1.7196×

4.5≈4.6 kN.m

横臂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

鉴于杆件受力较小，后续可根据需要与实际情况进一步优化参数节约经济成本，如改小口径或改薄壁厚等。操作过程更加简单，只需在截面库中直接编辑原有截面尺寸或添加想要修改的杆件，荷载施加不变，结构计算与设计验算满足要求即可。

其他造型复杂的景观灯智慧合杆也可用3D3S软件进行受力分析，只是在建模时需要寻找最合适的建模方式与最恰当的截面等效替换。

3 3D3S软件智慧合杆基础设计

3D3S软件还可以进行智慧合杆的基础设计。比较便捷的是3D3S软件可以直接读入基础反力文件，无需手动输入。根据设计要求与安装路面的实际情况相应填入基础参数，如基础柱的长宽尺寸，基础长度宽度与埋深等信息，然后计算承载力特征值进行验算。

基础设计一般需考虑三个方面，地基承载力、抗倾覆能力与基础脱开面积(即零受力区面积)。3D3S软件设计基础时很好的考虑了这几个因素。根据实际情况，软件还可根据相应地质报告输入其他限制条件进行计算，并可导出基础计算文件。

4 3D3S软件应用于智慧合杆设计的优缺点

通过上述实例分析可以看出，3D3S软件操作步骤简单，设计验算智能，建模完成后即可自动按照相关标准进行快速验算，省去复杂繁琐的手算过程，降低人为计算错误率。同时软件在计算过程中可以充分考虑外界可能存在的环境因素与自身因素，如风载荷与地震荷载、体型系数与风压高度变化系数，各种地区地貌最适宜的参数与修正系数等，结果更合理更安全。根据计算结果软件还可以对结构进行验算优化得到最适宜参数，使复杂智慧合杆的设计更经济更快捷。并且杆件受力分析完成后还可以自动读取相应数据进行基础坑设计与柱脚节点辅助设计，在此不再赘述。最后3D3S软件可以根据客户需要出具力学计算报告，更具有说服力。

3D3S软件在智慧合杆设计上也仍有待完善部分。一是目前并没有路灯及智慧合杆的国家标准与技术规范，软件在计算时主要参考的是高耸结构标准、单管塔标准及架空送电线路等标准，各个标准之间会有行业间的细微差异；二是3D3S软件建模时杆件截面无法进行二次细化，如灯杆下方的检修门开门等设计，在需要校核此处杆件强度时只能使用截面性能参数来进行对比，因此在建模时需要寻找最有效合理的建模方式；三是在针对复杂灯型的不规则灯头计算时，建筑结构荷载规范等标准并没有对其体型系数及某些参数的选取做出客观规定，不同计算者可能出现不同计算结果；四是运用3D3S软件要求计算者熟读各项国家标准才能更好的进行细节处理及参数选取，如计算长度的定义、挠度控制与杆件径厚比控制等。

5 结 语

作为促进城市建设和经济发展的必要手段，智慧合杆的推进具有重要的现实意义。而3D3S软件给智慧合杆的设计提供了合理有效安全的支持。3D3S软件结构建模简单，实际使用环境模拟全面，受力分析速度快，设计更具有快捷、经济与安全性，并能反馈出相应的计算结果与报告，给进一步优化验算提供指导。但设计时需寻找最合理的建模方式、荷载加载方式及细节处理方法，使其更好的符合工程实际。3D3S软件在建筑行业已普遍使用，今后在智慧合杆设计领域也将得到广泛应用。