异形空间扭曲钢管桁架模型空间拟合及优化设计

（北京市机械施工有限公司，北京 100045）

1 工程概况

如图1、图2 所示，十一届世界葡萄大会葡萄博览园北大门、北小门均为大悬挑空间扭曲管桁架结构，杆件之间采用相贯焊缝连接，造型类似于斜向放置的圆环。其中北大门最大悬挑距离接近34.5m，高约16m，北小门最大悬挑距离接近16.9m，高约8m，结构表面采用耐候钢板密拼。

图1 北小门实拍

图2 北大门实拍

异形空间扭曲钢管桁架的模型拟合与以往管桁架有所不同，按照以往管桁架建模的方法建出来的模型，在主弦杆对接节点处产生明显的折角，接口过度不圆滑。为保证设计的建筑造型及结构的美观，模型拟合是本次深化设计的重点、难点。

2 深化模型建立

利用计算机Tekla、CAD 和Rhinoceros4.0等软件相结合的三维空间实体建模技术，保证深化、制作、安装的精度，在工程的整个施工过程中，均采用同一个三维实体模型，确保各个阶段的精度达到设计要求。

考虑两个大门均为悬挑结构，最大悬挑距离34.5m，在结构自重作用下，结构的变形过大，影响整个结构的外形、构件的几何尺寸及受力情况，因此需要对结构反变形控制。结构反变形后，其空间三维坐标、杆件的几何尺寸均相应变化，故在深化设计中进行预起拱设计。

根据设计图纸提供的桁架各节点的三维坐标点（x，y，z），利用AUTOCAD 软件建立三维空间模型，然后用MidasGen进行桁架的受力分析，确定桁架各节点的预起拱值。根据预起拱值换算成三维空间坐标值，即把构件预起拱后各节点的三维空间坐标，重新利用AUTOCAD 软件建立实际的三维空间模型，即安装用模拟模型。

在AUTOCAD 软件中，将导入的桁架各节点的三维坐标点，用三点创建圆弧的方法构造出整体模型，根据运输及现场安装条件，将主弦杆长度控制在12m 以内，最终利用已创建出的模型，重新在连续的5 个坐标点中分别选择1 个两端的点和1 个中间的点，作为创建圆弧的3 个点，即通过将空间曲线转为多个半径圆弧，另外两个坐标点相应调整到圆弧上，偏差经设计同意控制在2cm 以内；同时为避免主弦杆对接节点及相贯节点焊缝集中，将创建出的圆弧偏离节点800mm，以此连续创建出整体模型。此模型即拟合弧线构件中心线，使不同半径的弧线中心线的对接处圆滑的过度，满足建筑要求。

本工程异形空间扭曲钢管桁架，其主要连接方式为管管相贯连接和管管对接节点。深化设计时按照主弦管对接、腹杆相贯于主杆，小管相贯于大管、薄壁管相贯于厚壁管的原则，对三维模型中所有相贯圆管的相贯顺序进行先后编号，并按照编号顺序依次进行圆管相贯线模拟切割，保证次管与主管间的焊缝长度，使节点受力更合理。

考虑现场管管对接节点安装快捷及提高安装精度，深化设计时，在三维模型中建立管管对接安装节点板，并于安装完毕后拆除。

最后把CAD 模型导入到XSTEEL 中生成整体的实体模型（图3～图6），根据设计图创建细部节点和混凝土基础，对模型进行碰撞检查，避免模型地中各杆件空间的逻辑关系出错，确保现场安装工作的顺利进行。

图3 北小门主视图

图4 北大门主视图

图5 北小门侧视图

图6 北大门侧视图

3 节点深化

节点深化要求如下。

1）单个节点重量应满足现场的起吊要求。

2）节点长宽高应满足运输要求。

3）绘制节点加工定位图及展开图。

4）节点各构件的拼装顺序（节点焊接遵循平面上由中间向四周方向施焊，立面上由下向上施焊的原则进行，焊接时尽量以中和轴为对称施焊）及焊缝形式与焊缝等级的合理确定。

5）通过节点有限元分析，得到节点强度符合设计要求，且具有一定的安全储备。

4 绘制加工详图及制作安装

结合加工制作工艺、运输条件、现场安装方案等要求，对构件进行合理的分段和编号，对整个结构进行分析，确定合理的拼装顺序和焊接顺序等。自动生成布置图、构件图和零件图，为图纸自动标注尺寸、详细的材料表，生成材料清单、构件清单、零件清单和表面积清单等报表，最后把整套图纸整理成册为加工制作、现场安装提供依据。

对于桁架腹杆，通过Tekla 把模型输出为DWG 文件，然后利用数控相贯线切割机的编程软件来实现相贯线的自动编制，最终完成腹杆相贯线的切割。对于桁架弦杆，因为弦杆均为弧线，所以通过Tekla 生成的图纸，再转成excel 表来指导弯管的加工制作。

通过XSTEEL 生成整体桁架布置图，以供现场安装使用。本工程由于建筑造型复杂，结构杆件多，且各杆件高低起伏，坐标之多，影响现场安装进度。本次深化设计中设计的各主弦管对接耳板，大大提高了现场的安装进度。因此，在钢结构深化设计的同时，不仅要考虑将施工图纸中各构件及连接节点按照1∶1 的比例输入模型，保证构件加工尺寸的准确性，还要考虑现场安装技术措施、安装方法及安装进度的提升。

5 结语

随着建筑市场的不断发展、进步，钢结构的建筑结构越来越多。结构造型多追求复杂、奇特、有创意，这对于深化设计来说也是一个更大的挑战。因此，对于深化设计人员来说，还要不断提高、扩展自身的专业知识，提升自己的专业水平，更好地为未来各种高难度的工程提供服务，创造出更加精品的工程。