異形空間扭曲鋼管桁架模型空間擬合及優(yōu)化設(shè)計(jì)

（北京市機(jī)械施工有限公司，北京 100045）

1 工程概況

如圖1、圖2 所示，十一屆世界葡萄大會葡萄博覽園北大門、北小門均為大懸挑空間扭曲管桁架結(jié)構(gòu)，桿件之間采用相貫焊縫連接，造型類似于斜向放置的圓環(huán)。其中北大門最大懸挑距離接近34.5m，高約16m，北小門最大懸挑距離接近16.9m，高約8m，結(jié)構(gòu)表面采用耐候鋼板密拼。

圖1 北小門實(shí)拍

圖2 北大門實(shí)拍

異形空間扭曲鋼管桁架的模型擬合與以往管桁架有所不同，按照以往管桁架建模的方法建出來的模型，在主弦桿對接節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生明顯的折角，接口過度不圓滑。為保證設(shè)計(jì)的建筑造型及結(jié)構(gòu)的美觀，模型擬合是本次深化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)、難點(diǎn)。

2 深化模型建立

利用計(jì)算機(jī)Tekla、CAD 和Rhinoceros4.0等軟件相結(jié)合的三維空間實(shí)體建模技術(shù)，保證深化、制作、安裝的精度，在工程的整個施工過程中，均采用同一個三維實(shí)體模型，確保各個階段的精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

考慮兩個大門均為懸挑結(jié)構(gòu)，最大懸挑距離34.5m，在結(jié)構(gòu)自重作用下，結(jié)構(gòu)的變形過大，影響整個結(jié)構(gòu)的外形、構(gòu)件的幾何尺寸及受力情況，因此需要對結(jié)構(gòu)反變形控制。結(jié)構(gòu)反變形后，其空間三維坐標(biāo)、桿件的幾何尺寸均相應(yīng)變化，故在深化設(shè)計(jì)中進(jìn)行預(yù)起拱設(shè)計(jì)。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑蔫旒芨鞴?jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)點(diǎn)（x，y，z），利用AUTOCAD 軟件建立三維空間模型，然后用MidasGen進(jìn)行桁架的受力分析，確定桁架各節(jié)點(diǎn)的預(yù)起拱值。根據(jù)預(yù)起拱值換算成三維空間坐標(biāo)值，即把構(gòu)件預(yù)起拱后各節(jié)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，重新利用AUTOCAD 軟件建立實(shí)際的三維空間模型，即安裝用模擬模型。

在AUTOCAD 軟件中，將導(dǎo)入的桁架各節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)點(diǎn)，用三點(diǎn)創(chuàng)建圓弧的方法構(gòu)造出整體模型，根據(jù)運(yùn)輸及現(xiàn)場安裝條件，將主弦桿長度控制在12m 以內(nèi)，最終利用已創(chuàng)建出的模型，重新在連續(xù)的5 個坐標(biāo)點(diǎn)中分別選擇1 個兩端的點(diǎn)和1 個中間的點(diǎn)，作為創(chuàng)建圓弧的3 個點(diǎn)，即通過將空間曲線轉(zhuǎn)為多個半徑圓弧，另外兩個坐標(biāo)點(diǎn)相應(yīng)調(diào)整到圓弧上，偏差經(jīng)設(shè)計(jì)同意控制在2cm 以內(nèi)；同時為避免主弦桿對接節(jié)點(diǎn)及相貫節(jié)點(diǎn)焊縫集中，將創(chuàng)建出的圓弧偏離節(jié)點(diǎn)800mm，以此連續(xù)創(chuàng)建出整體模型。此模型即擬合弧線構(gòu)件中心線，使不同半徑的弧線中心線的對接處圓滑的過度，滿足建筑要求。

本工程異形空間扭曲鋼管桁架，其主要連接方式為管管相貫連接和管管對接節(jié)點(diǎn)。深化設(shè)計(jì)時按照主弦管對接、腹桿相貫于主桿，小管相貫于大管、薄壁管相貫于厚壁管的原則，對三維模型中所有相貫圓管的相貫順序進(jìn)行先后編號，并按照編號順序依次進(jìn)行圓管相貫線模擬切割，保證次管與主管間的焊縫長度，使節(jié)點(diǎn)受力更合理。

考慮現(xiàn)場管管對接節(jié)點(diǎn)安裝快捷及提高安裝精度，深化設(shè)計(jì)時，在三維模型中建立管管對接安裝節(jié)點(diǎn)板，并于安裝完畢后拆除。

最后把CAD 模型導(dǎo)入到XSTEEL 中生成整體的實(shí)體模型（圖3～圖6），根據(jù)設(shè)計(jì)圖創(chuàng)建細(xì)部節(jié)點(diǎn)和混凝土基礎(chǔ)，對模型進(jìn)行碰撞檢查，避免模型地中各桿件空間的邏輯關(guān)系出錯，確保現(xiàn)場安裝工作的順利進(jìn)行。

圖3 北小門主視圖

圖4 北大門主視圖

圖5 北小門側(cè)視圖

圖6 北大門側(cè)視圖

3 節(jié)點(diǎn)深化

節(jié)點(diǎn)深化要求如下。

1）單個節(jié)點(diǎn)重量應(yīng)滿足現(xiàn)場的起吊要求。

2）節(jié)點(diǎn)長寬高應(yīng)滿足運(yùn)輸要求。

3）繪制節(jié)點(diǎn)加工定位圖及展開圖。

4）節(jié)點(diǎn)各構(gòu)件的拼裝順序（節(jié)點(diǎn)焊接遵循平面上由中間向四周方向施焊，立面上由下向上施焊的原則進(jìn)行，焊接時盡量以中和軸為對稱施焊）及焊縫形式與焊縫等級的合理確定。

5）通過節(jié)點(diǎn)有限元分析，得到節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，且具有一定的安全儲備。

4 繪制加工詳圖及制作安裝

結(jié)合加工制作工藝、運(yùn)輸條件、現(xiàn)場安裝方案等要求，對構(gòu)件進(jìn)行合理的分段和編號，對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定合理的拼裝順序和焊接順序等。自動生成布置圖、構(gòu)件圖和零件圖，為圖紙自動標(biāo)注尺寸、詳細(xì)的材料表，生成材料清單、構(gòu)件清單、零件清單和表面積清單等報表，最后把整套圖紙整理成冊為加工制作、現(xiàn)場安裝提供依據(jù)。

對于桁架腹桿，通過Tekla 把模型輸出為DWG 文件，然后利用數(shù)控相貫線切割機(jī)的編程軟件來實(shí)現(xiàn)相貫線的自動編制，最終完成腹桿相貫線的切割。對于桁架弦桿，因?yàn)橄覘U均為弧線，所以通過Tekla 生成的圖紙，再轉(zhuǎn)成excel 表來指導(dǎo)彎管的加工制作。

通過XSTEEL 生成整體桁架布置圖，以供現(xiàn)場安裝使用。本工程由于建筑造型復(fù)雜，結(jié)構(gòu)桿件多，且各桿件高低起伏，坐標(biāo)之多，影響現(xiàn)場安裝進(jìn)度。本次深化設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)的各主弦管對接耳板，大大提高了現(xiàn)場的安裝進(jìn)度。因此，在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)的同時，不僅要考慮將施工圖紙中各構(gòu)件及連接節(jié)點(diǎn)按照1∶1 的比例輸入模型，保證構(gòu)件加工尺寸的準(zhǔn)確性，還要考慮現(xiàn)場安裝技術(shù)措施、安裝方法及安裝進(jìn)度的提升。

5 結(jié)語

隨著建筑市場的不斷發(fā)展、進(jìn)步，鋼結(jié)構(gòu)的建筑結(jié)構(gòu)越來越多。結(jié)構(gòu)造型多追求復(fù)雜、奇特、有創(chuàng)意，這對于深化設(shè)計(jì)來說也是一個更大的挑戰(zhàn)。因此，對于深化設(shè)計(jì)人員來說，還要不斷提高、擴(kuò)展自身的專業(yè)知識，提升自己的專業(yè)水平，更好地為未來各種高難度的工程提供服務(wù)，創(chuàng)造出更加精品的工程。