钢结构节点三维实体技术
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摘要：针对钢结构节点设计和施工图绘制需要大量构造细节的问题，应用钢结构节点的三维实体技术，研发相应的钢结构后处理系统. 采用模板的概念与方法表达各种形式的钢结构节点，用三维实体技术构造钢结构节点及构件的三维计算机模型. 该系统作为钢结构专业CAD软件3D3S的核心技术已经成功应用于数千项实际工程的施工详图设计中，实用性很强.
关键词：钢结构；三维实体技术；后处理系统；施工详图绘制；3D3S
中图分类号：TU391；TP391.41文献标志码：A
3D solid technique in joints of steel structure
XU Qianhua1, YANG Huizhu1,2, ZHANG Qilin1
(1. College of Civil Eng., Tongji Univ., Shanghai 200092, China;
2. Architectural Design & Research Institute， Tongji Univ., Shanghai 200092, China)
Abstract：The massive structure detail is required in steel structure joint design and construction drawing. A post-processing system of steel structures is developed by 3D solid technique. The template concept and method are introduced into describing a variety of steel structure joints. 3D solid technique is used to build joints and 3D computer model components of steel structures. As the key technique of 3D3S CAD software for steel structures, the system has been successfully applied in detailing drawing design of construction of over thousand projects and achieved very good practicability.
Key words：steel structure; 3D solid technique; post-processing system; construction detailing drawing; 3D3S
0引言
完整的钢结构CAD软件包括前处理建模、计算分析和后处理施工图绘制等功能.大部分CAD软件所建立的模型和包含的信息主要根据结构计算分析的要求和特点进行规划和设计，忽略很多构造细节，对结构进行必要的简化，以符合对结构进行力学分析的要求.但是，要完成结构施工图的绘制，不但需要结构主要受力构件的信息，还需要所有构造细节特别是节点构造细节的详细信息.因而，绝大部分CAD软件的模型信息对于结构计算分析已经足够，但对于后处理及施工图绘制却远远不够.
基于上述实际问题，从实用和解决问题的观点出发，提出建立相对独立的后处理模型方法.这种后处理模型承接之前的分析计算模型，以能进行后处理作为主要功能，同时能反映整个结构完整的细部处理与构造信息.
钢结构的连接构造十分复杂，仅仅依靠二维施工图纸常常难以真实、准确地描述完整的结构和节点信息.本文建立全三维的实体结构模型，从主要结构构件到节点的板件、焊缝和螺栓等都用与真实结构完全一致的实体模型表示.用分解、分层和组合的方法组织节点的数据模型，这种模型具有可编辑、可修改的特点.所有施工图直接由该模型生成，以保证各个图的表达完整一致.
1节点设计系统的功能与结构
1.1系统的功能组织
该后处理系统独立于前处理及计算分析系统，通过接口从计算模型生成所有杆件的三维实体模型，同时提取计算结果数据，比如杆件的组合内力等.在已有的杆件实体模型之上，系统具备3大主要功能.(1)节点设计.将节点设计功能归属到后处理系统，使设计者能非常方便地进行自动或交互式的节点设计、节点编辑及复核、设计结果的图形与文本查询.(2)根据节点计算结果装配与编辑节点及构件的三维实体模型.该模型不但包含节点的强度与构件信息，还包括各个零件的加工制作信息.(3)施工图绘制模块在实体模型上进行构件与节点的归并与编号，提取并整理相关数据，进行投影、消隐、图纸绘制及标注.此外该系统还具备计算书、用钢量统计等辅助功能.系统各功能模块的结构见图1.
1.2实体对象的分类与组织
结构的实体模型是整个系统的核心数据库.从面向对象的思想出发，所有结构部件都以对象的形式表达.实体模型由杆件与连接节点这两种主要对象组成，而杆件与连接节点由多个子对象组成.这些子对象包括杆件（型钢或焊接组合截面）、板件、螺栓、锚栓和焊缝等.以杆件对象作为基类派生出具有不同功能的结构对象――梁、柱、支撑、檩条、抗风柱和拉条等；以零件对象作为基类派生出各种连接件对象――板件、螺栓、锚栓和焊缝等；每一种连接节点形式可以拆分成多个基本连接，比如当H形钢梁与H形钢柱刚性连接时，可以拆分为梁的上翼缘焊接、腹板螺栓剪力板连接和下翼缘焊接.
结构构件是杆件与连接件的组合体，其中连接件可能有加劲肋及其焊缝，其包含关系见图2(a).节点由1个或多个基本连接组成，而每个基本连接中可以包含多种连接零件，其包含关系见图2(b).
(a) 构件的对象组成
(b) 节点的对象组成
1.3开发环境与开发工具
在AutoCAD图形平台上，用ARX和VC++作为工具开发钢结构后处理软件系统.杆件基类从AutoCAD的AcDbEntity（实体类）继承，再加入工程所需信息，这样从软件编写角度充分利用AutoDesk公司产品AutoCAD的三维图形处理功能，减少工作量，用户从应用角度看到的是熟悉的三维实体，可以方便地进行操作.同时，加入特定的工程信息后，方便内部调用和杆件的处理.
作为同济大学钢结构专业软件3D3S的专用模块，该后处理模块与3D3S的计算模块相接并相对独立.
2节点的三维实体装配和设计
2.1基于模板的节点设计
2.1.1节点设计的特点与难点
钢结构体系由型材或预制构件连接而成，凡是在构件汇合的地方都存在连接节点.节点是钢结构构造中最复杂的部分，也是设计工作量最大的部分.(1)节点的形式多种多样.交汇在节点处的杆件少则2根，多则可达1柱4梁12撑.杆件的截面形式多种多样.杆件之间的方位和夹角各不相同.即使对于有相同方位、相同数量和相同杆件截面形式的节点，其连接方式还可以有多种选择.(2)节点的构造复杂.节点处除了杆件以外，还有板件、螺栓和焊缝等多种连接件.连接件的数量多，尺寸规格不尽相同，空间位置各不相同.针对上述节点设计的特点，程序采用以模板为基础的节点计算和装配方法.
2.1.2基于模板的节点计算方法
针对节点设计的特点，采用如下设计思路：根据用户选定的节点连接形式进行节点的初步设计，在设计完成后，允许用户对设计完成的节点连接进行修改，并提供验算功能.
节点由1个或多个基本连接构成，每种基本连接包括1个或多个连接零件群.连接零件群的方位、大小和范围都由基本连接确定，是固定的对应关系.连接零件是最基本的计算单元，有螺栓群和焊缝两类.例如，工字形截面的腹板高强螺栓连接是常用的基本连接，包括两个连接零件：连接节点板和腹板的高强螺栓；连接节点板和被连接板件的焊缝.通过螺栓和焊缝，节点板将腹板上的力和弯距传递到被连接板件.
对于组成节点的螺栓和焊缝连接，随着在节点中的位置和布置方位的不同，受力方向和方式以及计算用公式不同，构造要求也不同.如果针对每个基本连接都写出连接零件的计算方法，不但编码程序量加大，会增加不必要的程序负担，而且重复率大，没有可扩充性.因此，将焊缝和螺栓根据在连接杆件的位置和节点局部坐标中的方位分类，针对每种连接零件（包括焊缝和高强螺栓）形式，写出计算设计程序，确定相关的连接尺寸，即每种连接零件均按自己的计算公式库和参数选择的规则设计.连接零件并不为某个基本连接专用.如果要在节点库中加入新的节点形式，只要将新节点分解为基础连接加入设计即可.这种方法可增加节点设计程序的易扩充性和层次性，构成整个节点连接设计验算的内核.节点设计层次见图3.
2.2节点三维实体的装配方法
从上面的分析可知，模板中不仅要包含节点连接零件的数目和大小，最重要的还要包含这些节点组成要素的位置关系.针对节点模板，对每种基础连接都设置固定的连接关系，在节点设计完成后，就可以对节点元素在空间上进行装配，见图4.节点装配前后的实体模型见图5.
3基于三维实体的施工图绘制技术
利用三维实体表达设计结果，在此基础上绘制施工图可大大加强设计结果的通用性和易读性.施工图由三维实体投影得到，实现CAD设计中的“所见即所得”要求.基于三维实体的施工图绘制，主要包括取得相关实体、实体投影和标注3部分.在前面的设计部分，结构杆件和节点连接均已经用三维实体表示出来，并附加着工程信息存储在AutoCAD数据文件中.通过实体在数据库中的编号打开实体，读取绘图所需的信息，建立绘图模块的数据结构.
施工图的绘制还要求反映实体的前后遮挡关系，没有被挡住的用实线表示，否则用虚线表示，这就需要对实体进行投影.投影消隐算法分为3个步骤：(1)对每个实体独立地进行分析，消除每个实体中的自隐和自隐线面；(2)将每个实体中消除自隐线后的诸边与其他实体比较，找出可能被它们遮挡的部分；(3)确定由于实体间可能因相互穿透而必须添加的线是否可见.
该系统作为同济大学钢结构软件3D3S的核心技术至今已应用于数千个实际工程的施工图设计中，其中包括在建的同济大学21世纪教学科研综合楼，该结构是27层的高层钢框架结构，在3 d时间内完成主刚架全部的节点设计与施工图绘制工作.而通常情况下，完全手工绘制至少需要1个多月的时间，软件应用使工作效率与准确度极大地提高.结构中的主要节点形式为H形钢梁与方钢管混凝土柱连接、H形钢次梁与H形钢主梁连接、箱形钢梁与方钢管混凝土柱连接.图7(a)为软件绘制的节点施工详图；图7(b)为软件绘制的梁构件施工详图.
(a) 钢框架梁柱节点施工详图(b) 梁构件施工详图
4结束语
基于三维实体模型的后处理节点设计系统功能强大，能自动生成复杂钢结构节点的三维实体装配和节点施工图，解决复杂钢结构施工详图生成的困难，极大地提高施工详图绘制的效率和正确性.当然，包含全部后处理信息的三维实体数据量极大，对计算机的存储能力和运行速度要求较高，但随着计算机硬件工业的飞速发展，这些问题对该系统的应用并不构成本质上的困难.
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注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”