浅谈钢结构深化设计的技术应用

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摘要： 本文阐述了钢结构深化设计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，并以大连世界贸易大厦项目为例，探讨了钢结构图纸深化设计在工程中的具体应用。

Abstract： This paper expounds the importance of detailed design on ensuring the construction the quality of engineering， introduces the implementation method of the steel structure deepening design， taking Dalian world trade building project as an example， discusses the application of detailed design of steel structure drawings in engineering.

关键词： 钢结构；深化设计；方法

Key words： steel structure；detailed design；method

中图分类号：TU393 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）17-0126-04

0 引言

近年来随着现代建筑材料及施工技术的快速发展，钢结构工程由于具有强度高、刚度大、自重轻、便于标准化加工、施工周期短、造型美观等特点，越来越广泛的应用于高层、超高层建筑、大跨大空间建筑以及大型公共建筑中，如北京奥运会主场馆-鸟巢、水立方、上海金茂大厦、天津体育中心等等。钢结构构件节点的数量及种类多，造型和受力复杂，它的每一个构件都需要施工详图，即所谓的钢结构深化设计。因此，深化设计在钢结构施工中占有重要地位，深化设计的好坏不仅是对设计图纸的贯彻和执行，更是对设计图纸的补充和完善，将直接影响到整个工程的进度和质量。

1 钢结构深化设计的主要内容及意义

1.1 深化设计的主要内容 深化设计是在钢结构工程原设计图的基础上，结合工程情况，构件制作，运输及安装等施工工艺和其他专业的配合要求进行的二次设计。主要包括：主体钢结构节点设计，绘制施工详图，解决核心筒钢结构与外部框架钢结构的相互关系，复杂节点，使其构件在工厂加工及现场安装过程中能够顺利进行，作好土建钢筋预留洞，机电设备留洞，幕墙连接件等前期工作。

1.2 深化设计的重要性与必要性 深化设计是钢结构设计与施工中不可缺少的一个重要环节，它贯穿于设计和施工的全过程。提供施工详图，配合制定合理的施工方案，临时施工支撑设计，施工安全性分析，结构变形分析与控制，结构安装仿真等工作。对于提高设计和施工速度，施工质量，降低成本，保证施工安全等起着积极作用。施工详图的设计质量，直接影响着钢结构构件的制作和安装。尤其是现在，市场行情大多数工程处于边设计边施工阶段状态，工期比较紧迫，设计院一次图纸设计又不能配套完成。因此深化设计这一环节更是起着举足轻重的作用。钢结构的构件制作及安装必须有安装布置图及制作详图（即施工详图）， 施工详图要详细地设计钢结构的每一个构件，为钢结构制作单位和安装单位提供必要的，更为详尽的，便于进行施工操作的技术文件。通过图纸的深化设计，使复杂分散的节点细化成为有规律的、一目了然的施工图。使施工过程中每个构件的制作与安装都能顺利进行，使工程能够保质保量地完成。

2 钢结构深化设计的实施方法

2.1 深化设计的一般思路 根据设计院提供的设计图纸及其他资料，在不改变结构本来的形式及布置方式，不改变构件规格、材料种类及节点类型的前提下，对各个节点的细部尺寸、焊缝坡口、分段杆件等进行深化设计。经过深化设计，可以得到各个零部件详细的尺寸规格、拼装位置，然后对各个杆件进行分类、编号，选择科学合理的节点拼装顺序、各连接部位的焊缝坡口形式，最后绘出拼装详图，确定生产加工工艺。

总之，深化设计是对施工图纸的有力补充。在满足结构安全、建筑外观造型的前提下，深化设计既给出了合理的施工方案，又联系了实际施工工艺，是保证后面工序顺利进行，保质保量完成工程任务的必要环节。

2.2 深化设计采用的软件和设计方法 目前广泛使用的钢结构计算及详图设计软件主要有：PKPM系列计算程序、3D3S、Tekla Structures、AUTOCAD等。

利用AUTOCAD和Tekla Structures等软件，对设计图纸按照1：1的比例放样、建模，详细观察各梁柱节点钢柱及钢筋情况，考虑施工中可能遇到的问题。深化设计加工图采用的是TEKLA STRUCTURES软件，通过软件进行1：1实体建模，在三维模型中，检查人员可以很方便地发现钢构件与钢构件之间、钢构件与钢筋之间的空间位置关系有无错误。TEKLA STRUCTURES软件将加工详图转换为AUTOCAD格式，然后在AUTOCAD软件下进行标注、整理，形成深化设计图。

2.3 深化设计步骤 ①编制图纸目录。②编制设计总说明。③绘制安装平面布置图。④编制构件号。⑤绘制构件详图（焊缝计算及标注、编制高强螺栓表、编制材料表）。⑥编制构件表。

3 钢结构深化设计在工程实例中的运用

钢结构图纸深化设计是钢结构施工前的首要工作，在满足结构施工质量和使用要求的基础上，通过对原设计图纸的深化设计，确定科学合理的钢结构制作安装及运输方案，提高了施工效率，减少了制作安装周期和对其他专业的影响，保证了施工质量。下面以大连世界贸易大厦项目钢结构工程为例，浅述钢结构图纸深化设计在工程中的具体应用。

3.1 工程概况 大连世界贸易大厦，建筑总高度242米，占地7000m2，总建筑面积100000m2，塔楼地上50层，地下4层；裙楼8层，局部9层，是一座规模宏伟，造型现代的超高层钢结构建筑，也是大连市标志性建筑，中国东北第一高楼。

3.2 工程的特点与难点 该工程结构体系采用钢筋混凝土筒体和钢框架组成的钢-钢筋混凝土混合结构，并在第30层和第45层设置钢结构外伸刚臂及腰桁架和帽桁架，使内筒剪力墙与外框架协同工作，在不加大内筒面积的情况下满足结构的刚度要求。由于结构构件是由混凝土和钢材两种不同材料组成，使结构整体的受力和变形情况十分复杂，连接节点也是五花八门，形式多种多样。结构体系要具备必要的承载能力及合理的侧移刚度，结构构件的设计要满足受力的合理性及施工的可行性，构件断面选材大多为箱型、十字型、圆管、H型等多种形式。连接节点的设计要考虑传力便捷，有足够的延性和强度，便于安装，拼接应等强，同时还得考虑所用材料和场地限制，与各个相关专业之间的协调配合。此外，深化设计还必须配合整体项目的施工进度，并考虑钢结构材料的采购、构件制造加工及运输等方面对施工的影响，以确保设计施工紧密衔接。所有这些都是确保工程质量及施工进度的关键所在。

3.3 设计节点优化 一个复杂的建筑物绘制施工详图的工作量比较大，需要几个人共同完成，为了使连接节点统一，方便制作、安装单位进行标准化管理，要根据构件的连接形式和规格使连接节点的尺寸一致。本工程设计人员根据各施工单位的意见进行探讨、总结及相关资料的查询，把不完善、不确定、不合理的地方进行修订，制定出标准连接节点。根据本工程的特点，连接节点归纳如下：

3.3.1 梁与柱刚接连接

①H型柱强轴与H型梁连接：翼缘剖口焊，腹板高强螺栓连接（图1）；

②箱型柱强轴带悬臂梁与H型梁连接：悬臂梁段与柱全焊连接，与中间梁段翼缘焊接，腹板用高强螺栓连接（图2）；

③H型柱强轴带悬臂梁与H型梁连接：悬臂梁段与柱全焊连接，与中间梁段翼缘焊接，腹板用高强螺栓连接（图3）；

④十字形柱与H型梁连接，翼缘剖口焊，连接板与梁腹板用高强螺栓连接（图4）；

⑤H型柱弱轴带悬臂梁与H型梁连接：悬臂梁段与柱和与中间梁段均为全焊连接，腹板用安装螺栓定位（图5）。

3.3.2 梁与柱连接（铰接连接）

①H型柱强轴与H型梁连接：连接板与梁腹板用普通螺栓定位（图6）；

②H型柱弱轴与H型梁连接：连接板与梁腹板用普通螺栓定位（图7）。

3.3.3 主梁与次梁连接（全部为铰接连接）

H型次梁与H型主梁的简支连接，次梁腹板伸入主梁翼缘内，腹板用普通螺栓加焊缝连接，连接形式见（图8，图9）。

①当主梁翼缘板宽度200≤b/2≤250时（图8）；

②当主梁翼缘板宽度b/2

3.3.4 支撑连接

①斜杆为双槽钢或双角钢组合截面与工字型柱强轴和工字型梁连接（图10）

②斜杆为双槽钢或双角钢组合截面与工字型柱弱轴和工字型梁连接（图11）

③斜杆为双槽钢或双角钢组合截面与箱型柱和工字型梁连接（参图10）

3.4 实施效果及应用价值 通过对大连世贸大厦高层框架的特点、难点的详细分析、论证，结合施工现场场地受限制和业主的要求高等条件，研究和确定了高层建筑结构连接的标准节点，成功的完成了世贸大厦地下4层，地上50层的钢结构详图设计及构件制作，并通过工程实践得到了验证。该工程的成功实践为高层框架钢结构的深化工作提供了切实可行的方法和措施，经济效益和社会效益明显，具有很好的应用价值。

4 结语

钢结构深化设计是连接设计图纸与工程施工的桥梁，工程施工过程中，深化设计人员要注重与设计单位的沟通，不断对设计图纸补充和完善，确保工程顺利高效地完成。因此，对合格设计人员的培养也是一项长期工作，设计人员只有通过不断对新技术、新材料、新工艺的学习和进行在职培训，积累设计和施工经验，逐步提高业务水平，才能满足深化设计工作的要求。

参考文献：

[1]伍军.大连世贸大厦结构设计[J].建筑科学，2004（5）：35-38.

[2]中国工程建设标准化协会组织译.钢结构设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[3]中国建筑标准设计研究所.多、高层民用建筑钢结构节点构造详图：01SG519[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.