Tekla在钢结构中的深化设计及使用问题初探

李龙起

(许昌学院 土木工程学院, 河南 许昌 461000)

随着BIM(Building Information Modeling)技术的不断发展，我国建筑业迎来极大变革和挑战.传统的建造方式已经越来越难以适应建筑结构信息化和数字化建造发展的要求.使用Tekla Structures进行钢结构详图深化已成为从设计施工图到钢结构加工制作以及施工的良好过渡.Tekla Structures是由芬兰Tekla公司开发的一款钢结构详图设计软件，2004年以前的名称是Xsteel，2011年被天宝公司收购，目前Tekla Structures已经成为BIM软件中使用广泛、尤以钢结构深化设计见长的三维建模软件，同时由于该软件功能强大，可以应用于钢结构工程从设计到施工的全过程信息化管理[1].Tekla Structures 具有交互式建模、结构分析、设计、自动Shop Drawing以及BOM(Bill of Material)表自动产生等功能.由于Tekla 的图纸与报表均以模型为准，而在三维模型中软件使用者很容易发现构件之间连接有无错误，所以它保证了钢结构详图深化设计中构件之间的正确性.Tekla Structures能够方便的应用于海上结构、工业厂房、住宅楼、桥梁、体育馆及摩天大楼的模型创建.阿联酋首都阿布扎比国际机场、曼德拉行人桥以及中国的鸟巢、CCTV央视大楼、上海环球金融中心等许多建筑都使用Tekla Structures进行了钢结构详图深化设计(图1).

图1 Tekla Structures详图深化设计案例

1 Tekla深化设计基本流程

随着我国钢结构市场的不断发展，钢结构建筑急需高水平的项目管理，同时对钢结构专业人才的需求也越来越多.钢结构构件的工厂化生产、加工、运输以及现场安装等都有设计深化的需求.目前国内多数钢结构设计单位的设计施工图只能达到构件设计和典型节点设计的深度[2]，设计单位提供的图纸已经无法满足国内大规模建设和海外工程投标的需要，使用Tekla Structures进行结构深化设计已成为多数详图深化设计人员的必备技能.Tekla 结构深化设计和构件加工的基本流程如图2所示.

1.1 创建轴线

本研究以常见的单层钢结构工业厂房为例，介绍Tekla Structures在钢结构详图设计深化中的应用流程.通常情况下，单层钢结构厂房的梁、柱构件尺寸标准且没有异形构件，基本节点建模相对简单.因此，在充分识读设计施工图的基础上，只要创建出一榀钢架的三维模型就可以很容易生成单层厂房的整体模型.本研究选取的单层厂房模型跨度为24 000 mm，柱距为6 000 mm，建筑高度为14 000 mm，采用变截面门式钢架.在Tekla软件中选择中国环境和钢结构深化后可执行如图3所示轴线的创建.

图2 Tekla 结构深化设计和构件加工流程

图3 单层厂房轴线布置图

1.2 Tekla创建结构构件和节点连接

单层厂房门式钢架主要有钢柱、钢架梁、抗风柱、柱间支撑、水平支撑、系杆、檩条、拉条、隅撑、吊车梁等几部分组成.Tekla使用“五步建模法”可完成钢结构梁、柱、桁架节点等构件的创建.

“五步建模法”是Tekla零构件建模搭建最常用的方法和步骤：即按照找到零件平面—设置工作平面—选择截面属性—确定零件起点和终点位置—调节零件位置关系这五步的建模方法，在杆件信息创建完成后(图4)，可在杆件间创建节点连接.

图4 横向框架建模

Tekla系统提供600多种节点形式满足用户的使用[3]，并支持自定义参数化节点。面对复杂的大型钢结构节点，可以通过Tekla提供的二次开发接口Tekla open API使用C#编程开发智能化节点连接.当所建模型较大时可以使用软件自身的碰撞检查来查看模型是否有其他未连接节点.钢架的节点主要包括柱脚节点以及梁柱端板连接，上述两种节点的创建灵活简单.柱脚节点连接和梁柱端板连接如图5所示.

图5 柱脚节点连接和梁柱端板连接

1.3 钢结构数字化加工与制造

建模完成后，Tekla可自动进行材料表和清单报告的出具，能够生成数控设备识别的NC数控数据文件，其包含了数控设备能够识别的加工零件的冲钻孔、开槽、切割等坐标信息.通过从Tekla模型中调用施工详图、零件图以及布置图，导出CAM软件图纸用于零件的排版下料和制作.Tekla的DSTV格式能够同常见数控设备直接对接，并以非常高效的自动化加工方式完成对钢结构零部件的精确制造[4].以Tekla为代表的建筑信息建模(BIM)正在发展成为建筑施工、工程设计和建筑设计群体所采用的制作、传播和分析建筑模型流程，未来以云计算、大数据、移动互联网和BIM等技术为支撑，并借助移动互联网技术、物联网技术实现设计、制造、施工多方协同管理，通过数据的整合分析实现项目全过程动态实时管理，规避项目过程各类风险成为建筑业发展不可避免的趋势.

2 Tekla建模过程问题探讨

在本次单层厂房檩条节点创建过程中，需要使用系统组件中的1号冷弯卷边搭接节点，建模过程中出现所建立的檩条的檩拖相当长的现象并已超出视图范围(图6).该问题与檩拖下方的工字型钢梁的建模方法相关，这样就出现需要重新返工建立钢梁模型的不便.因此，这种Tekla建模的“不可逆性”如遇设计变更则会带来极大不便.另外，Tekla软件还存在智能化节点编制困难，节点操作定位频繁，不能编组，存在修改工作量大的问题，对异型变截面构件、空间弯扭的大跨度钢结构建模存在局限性，仍然需要CAD软件的辅助使用[5].Tekla的人机交互与软件使用人的钢结构专业知识、软件掌握程度有直接的关系，如果使用人不能准确理解结构设计师的设计理念、掌握钢结构施工工艺，这对详图设计的影响是非常大的.

图6 柱脚节点连接和梁柱端板连接

3 结论

(1)Tekla具有强大的三维建模、碰撞检查以及后续与加工制造数字化对接能力，可提高详图设计的效率，受限于使用人的专业认知可能造成模型的重复修改.

(2)由于Tekla 后续的图纸与报表等创建均以模型为基础，因此Tekla三维模型创建的准确性是整个结构详图深化的关键.

(3)未来的建筑业以云计算、大数据、移动互联网和BIM等技术为支撑，并借助大数据、移动互联网技术、物联网技术实现设计、制造、施工多方协同管理，已成为推动建筑业发展的新方法、新方向和新技术.