參數(shù)化節(jié)點法建模在海上升壓站鋼結(jié)構(gòu)模塊中的應(yīng)用研究

曹秋媛，陳緒敏，李 杰，張 彪

中國石油集團海洋工程有限公司，山東青島 266555

江蘇某海上風電場項目海上升壓站上部組塊共分為五層，結(jié)構(gòu)由4根主立柱、甲板片、斜拉筋、房間墻壁板、運行設(shè)備及其他附屬結(jié)構(gòu)組成。五層甲板標高分別為EL（+） 15.0 m、EL（+）18.3 m、EL（+） 21.0 m、EL（+） 26.0 m及EL（+） 30.8 m，軸線尺寸34.0 m×36.6 m，鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量1 600 t左右。

節(jié)點形式主要分為兩大類：主結(jié)構(gòu)的詳細節(jié)點和次梁連接的典型節(jié)點。本項目海上升壓站上部組塊中，主結(jié)構(gòu)的詳細節(jié)點共有80余個，而次梁數(shù)量多達1 200余根，涉及典型節(jié)點2 400余個。如何控制好次梁連接的典型節(jié)點建模，成為上部組塊建模的關(guān)鍵工作。Tekla軟件中自帶的節(jié)點形式，與詳細設(shè)計圖紙中要求的節(jié)點形式匹配性較差，無法直接利用軟件自帶的節(jié)點庫進行建模[1]。如何提高典型節(jié)點建模效率，是本文所要闡述的內(nèi)容。

1 海上風電項目詳細設(shè)計圖紙分析

海上風電項目的詳細設(shè)計圖紙與海工行業(yè)詳細設(shè)計出圖習(xí)慣大致相同，主次結(jié)構(gòu)分開出圖。

（1）主梁結(jié)構(gòu)平面圖及索引圖。平面圖中包含主梁桿件定位尺寸、截面型材、材質(zhì)等信息。索引圖中帶有節(jié)點編號、節(jié)點所在頁碼等信息[2]，如圖1所示。

（2）主結(jié)構(gòu)節(jié)點圖。主結(jié)構(gòu)節(jié)點圖包含節(jié)點的截面型材、材質(zhì)、尺寸等全部信息，與主結(jié)構(gòu)平面圖和節(jié)點索引圖配套使用，完成主結(jié)構(gòu)節(jié)點建模，如圖2所示。主結(jié)構(gòu)節(jié)點形式個性化，每個節(jié)點數(shù)據(jù)均不相同，少數(shù)節(jié)點可以通過鏡像、旋轉(zhuǎn)等操作完成復(fù)制，參數(shù)化建模意義不大。

圖1 主結(jié)構(gòu)節(jié)點索引圖示意

圖2 主結(jié)構(gòu)節(jié)點詳圖示意

（3）次梁結(jié)構(gòu)平面圖。圖中包含次梁桿件定位尺寸、截面型材、材質(zhì)等信息?？梢钥闯?，與主梁相比次梁桿件數(shù)量巨大，相應(yīng)的節(jié)點數(shù)量也隨之呈倍數(shù)增多，如圖3所示。

圖3 次梁結(jié)構(gòu)平面圖示意

（4）次梁連接典型節(jié)點圖。經(jīng)計算，整個組塊次梁連接的典型節(jié)點共有2 400余個，雖然看起來數(shù)量巨大，但按照規(guī)律編制參數(shù)化節(jié)點后，可極大地減少典型節(jié)點建模數(shù)量。圖4為梁與梁連接的典型節(jié)點圖。

圖4 梁與梁連接的典型節(jié)點圖示意

2 參數(shù)化節(jié)點的創(chuàng)建和應(yīng)用

在以往的鋼結(jié)構(gòu)模塊Tekla建模中，通常共同使用復(fù)制修改法、軟件自帶組件法、自定義組件庫法這三種方法進行建模，制作的節(jié)點不具備參數(shù)化和智能化，不同的梁截面需要制作不同的節(jié)點，節(jié)點建模工作量較大。在此次的海上升壓站鋼結(jié)構(gòu)模塊中，首次嘗試使用參數(shù)化節(jié)點的方法進行建模。通過節(jié)點形式分析，篩選出更為適用的參數(shù)化節(jié)點建模方法和創(chuàng)建參數(shù)化節(jié)點等的一系列步驟，順利完成了海上升壓站鋼結(jié)構(gòu)模塊的節(jié)點建模。對比以往的節(jié)點建模方法，極大地提高了建模效率，保證了工程順利實施。下面將詳細闡述參數(shù)化節(jié)點的創(chuàng)建過程。

2.1 創(chuàng)建任意固定梁高的節(jié)點板

任意選取高度差h≤150 mm的兩根正交梁（以H400和H350為例，見圖5），根據(jù)典型節(jié)點詳圖創(chuàng)建節(jié)點板和切割線（此處節(jié)點不帶有H350對側(cè)的筋板，對側(cè)筋板作為一個單獨的節(jié)點便于操作），此時的兩個節(jié)點板不具備任何參數(shù)意義，僅為固定尺寸的兩塊節(jié)點板。

圖5 創(chuàng)建節(jié)點筋板

2.2 建立自定義節(jié)點

創(chuàng)建自定義組件、節(jié)點模型中“細部-組成-定義用戶單元”，并對此節(jié)點命名，接下來選取主零件、次零件、節(jié)點對象即可成功創(chuàng)建自定義節(jié)點。需要注意的是節(jié)點對象中務(wù)必包含全部的節(jié)點內(nèi)容，如多邊形板、切割線、焊接信息、螺栓等，如圖6所示。此時的自定義組件并沒有賦予多邊形板參數(shù)化，僅適用于所選取的H400和H350這兩種截面梁正交，不適用于其他型鋼截面。

圖6 創(chuàng)建自定義節(jié)點

2.3 對自定義組件進行參數(shù)化設(shè)置

（1）選中上一步創(chuàng)建的自定義組件，鼠標右鍵點擊“編輯用戶單元”，軟件自動彈出節(jié)點剖面三視圖及透視圖，如圖7所示。

圖7 編輯自定義節(jié)點

（2）選取前視圖進行操作。點擊“顯示變量”，彈出“變量”對話框，如圖8所示。

（3）多邊形切割的參數(shù)化。切割線可以根據(jù)個人習(xí)慣自行選擇對零件進行線切割或者多邊形切割，以次構(gòu)件腹板處多邊形切割為例，此處對型鋼零件的多邊形切割共有6處角點，需要定義每個角點X、Y兩個方向的變量，以角點1、2舉例詳細說明，其他角點變量的定義均可參照這兩個角點，如圖9所示。

第一，定義角點1的參數(shù)，選中角點1-右鍵-合并到平面，如圖10所示。

第二，角點1為次構(gòu)件下翼緣下表面與主構(gòu)件腹板交點，將角點合并到這兩個平面，即可定義此角點的變量，生成變量D1、D2。此后角點1不再受主次構(gòu)件的截面規(guī)格限制，參數(shù)通過自動識別定義的主次構(gòu)件相應(yīng)兩個平面來定義角點1的位置。至此實現(xiàn)了角點1的參數(shù)化，如圖11所示。

第三，角點2的定義稍微復(fù)雜，將角點2合并到主構(gòu)件腹板和次構(gòu)件下翼板的下表面，生成變量D3、D4，其中D3通過讀取模型中數(shù)據(jù)，顯示常量246，其為當前兩個規(guī)格型鋼（H400和H350） 相交時此角點的數(shù)據(jù)，不適用于所有截面，如圖12所示。

圖8 調(diào)出變量對話框

圖9 腹板多邊形切割

圖10 定義角點1的變量

圖11 角點1的變量D1、D2

圖12 添加角點2的變量D3、D4

此時添加變量P1，定義D3=P1，通過定義P1來實現(xiàn)對D3數(shù)據(jù)的參數(shù)化設(shè)置，如圖13所示。根據(jù)圖4典型節(jié)點圖要求，其計算公式為P1=0.5×（主構(gòu)件寬度-主構(gòu)件腹板厚度）+3×（主構(gòu)件高度-次構(gòu)件高度）。主次構(gòu)件的信息從模型中讀取，此處需要選擇“復(fù)制參照”選項，粘貼到“變量”對話框中P1公式中相應(yīng)的位置（注：“復(fù)制參照”為型鋼屬性函數(shù)，而“復(fù)制值”選項為當前型鋼屬性的具體數(shù)值，不能選擇）。至此，腹板多邊形切割線處的角點1、2參數(shù)化定義已經(jīng)完成，其他多邊形切割的角點參數(shù)化定義與此方法一致。

圖13 定義變量P1

（4）多邊形板的參數(shù)化。多邊形板各個角點的參數(shù)化過程與多邊形切割的參數(shù)化方法一致。首先，將多邊形板的幾個角點依次合并到相應(yīng)的平面，創(chuàng)建每個角點對應(yīng)的變量，需要說明的是，可以添加多邊形板的變量，如截面型材、材質(zhì)等，便于后期調(diào)整。其次，添加變量P2，定義其鋼板材質(zhì)，模塊出圖時一旦發(fā)生鋼板材質(zhì)需要替換，在節(jié)點中修改材質(zhì)即可完成，如圖14所示。

圖14 添加鋼板屬性變量

以上就是典型節(jié)點參數(shù)化建模的簡要過程[3]，只需創(chuàng)建一個參數(shù)化節(jié)點，所有高度差h≤150mm的梁截面均可以使用。

3 節(jié)點建模方法及參數(shù)化節(jié)點建模的優(yōu)勢

3.1 通常的節(jié)點建模方法

以往的節(jié)點建模主要使用3種方法，即復(fù)制修改法、軟件自帶組件法和自定義組件庫法[2]，表1是對這幾種方法優(yōu)缺點的對比。

3.2 參數(shù)化節(jié)點建模的優(yōu)勢分析

在以往的節(jié)點建模中，復(fù)制修改法、軟件自帶組件法因為使用范圍受限，因而并不是節(jié)點建模的主要方法，它必須配合自定義組件庫法才能完成全部建模工作。從表1中可看出，自定義組件庫法已經(jīng)是比較具有優(yōu)勢的節(jié)點建模方法。下面通過對比自定義組件庫法和參數(shù)化節(jié)點法，來具體說明參數(shù)化節(jié)點法的優(yōu)勢。

表1 常用節(jié)點建模方法的主要特點[4]

（1）通常選用的自定義組件庫法。以往承接的鋼結(jié)構(gòu)模塊節(jié)點建模通常選用自定義組件庫法。自定義組件庫法是根據(jù)相交梁的規(guī)格來制作自定義節(jié)點的，只要梁規(guī)格發(fā)生變化，就需要制作新的自定義節(jié)點。例如上部組塊共有9種H型鋼，分別為 H1000、 H800、 H700、 H600、 H500、 H400、H350、H300、H200，則不等高梁兩兩組合為：組合C（n，m） =P（n，m） /P（m，m） =n！/[（n-m）！m！]；將數(shù)值代入上式：C（9，2） =P （9，2） /P （2，2） =9！/[（9-2）！2！]=36種。次構(gòu)件對側(cè)的支撐筋板有9種H型鋼，需要制作9個節(jié)點。由此可知，按照定制組件法，需要制作的典型節(jié)點數(shù)量為36+9=45個。另外使用節(jié)點時，必須仔細確認型鋼規(guī)格，避免用錯節(jié)點。

（2）參數(shù)化節(jié)點法。參數(shù)化節(jié)點法對加工設(shè)計人員要求較高，需要充分理解各個參數(shù)的含義、函數(shù)關(guān)系，是“一對多”的建模關(guān)系，與以往的自定義組件庫法的根據(jù)梁截面“一對一”建模有所不同。在此項目的節(jié)點建模中，拋棄了以往使用的自定義組件庫法，創(chuàng)新使用了參數(shù)化節(jié)點法。

參數(shù)化節(jié)點法之所以能夠?qū)崿F(xiàn)“一對多”的建模關(guān)系，是因為在制作參數(shù)化節(jié)點時（見本文2.3節(jié)），主次構(gòu)件截面型材的變量選取“復(fù)制參照”，其不是截面型材的“復(fù)制值”，因此參數(shù)化節(jié)點法不受主次構(gòu)件截面變化的影響[5]。

按照參數(shù)化節(jié)點法，上部組塊的9種H型鋼，根據(jù)典型節(jié)點詳圖，僅需要制作3個參數(shù)化節(jié)點即可，即：梁高差h＞150 mm的典型節(jié)點、梁高差h≤150 mm的典型節(jié)點、次構(gòu)件對側(cè)的支撐筋板。僅此3個節(jié)點，即可完成上部組塊1 200余根次梁、2 400多個典型節(jié)點的建模。而以往使用的定制組件庫法則需要制作45個節(jié)點，且使用時需特別注意型鋼截面，因為經(jīng)常發(fā)生看錯截面、用錯節(jié)點的問題。相對而言，采用參數(shù)化節(jié)點法只需注意梁高差150 mm的分界即可，這可以極大地提高建模效率和準確率，且在今后類似的工程節(jié)點建模中，均可以應(yīng)用此次制作的參數(shù)化節(jié)點。

4 結(jié)束語

根據(jù)詳細設(shè)計圖紙典型節(jié)點圖的特點，分析典型節(jié)點圖的共同特性，充分結(jié)合Tekla軟件功能，對軟件進行二次深度開發(fā)，是提高加工設(shè)計效率的關(guān)鍵。本文的研究表明了采用參數(shù)化節(jié)點方法進行建模的可行性。采用參數(shù)化節(jié)點法建模顯著提高了軟件的建模效率，可廣泛地應(yīng)用到類似模塊的加工設(shè)計建模中。