钢结构设计需实现结构和节点优化

建筑工程 设计文件编制深度规定中，对 钢结构工程 设计制图也有明确的界线划分，在业主委托设计单位进行结构设计时，若合同中没有具体关于深化设计的要求，则 钢结构的设计内容仅为钢结构设计图。因此，钢结构深化设计在更多时候需由加工、安装单位来完成，这也给加工、安装单位提出了较高的要求，特别是针对许多复杂的钢结构。由于深化设计人员缺乏对结构设计图的理解，在加工和 施工经验方面较欠缺，因此对节点、构件深化设计在图纸表达、节点构造设计方面并不一定合理。
　　
　　 明确深化设计内容
　　
　　钢结构深化设计图是构件下料、加工和安装的依据。深化设计的内容至少应包含以下内容：图纸目录、钢结构深化设计说明、构件布置图、构件加工详图、安装节点详图。
　　
　　钢结构深化设计说明一般作为工厂加工和现场安装指导用，说明中一般都应包含：设计依据、工程概况、 材料说明( 钢材、焊接 材料、螺栓等)、下料加工要求、构件拼装要求、焊缝连接方式、板件坡口形式、制孔要求、焊接质量要求、抛丸除锈要求、涂装要求、构件编号说明、尺寸标注说明、安装顺序及安装要求、构件加工安装过程中应注意的事项等。通过钢结构深化设计说明归纳汇总，将项目的基本要求展现给加工、安装人员。
　　
　　构件布置图主要作为现场安装用，设计人员根据结构图中构件截面大小、构件长度、不同用途的构件进行归并、分类，将构件编号反映到建筑结构的实际位置中去，采用平面布置图、剖面图、索引图等不同方式进行表达。构件的定位应根据其轴线定位、标高、细部尺寸、文字说明加以表达，以满足现场安装要求。当对结构构件进行人工归并分类时，要特别注意构件的关联性，否则很容易误编而导致构件拼装错误。构件的外形可采用粗单线或简单的外形来表示，在同一张图或同一套图中不应采用相同编号的构件，因细节或孔位不同的梁应该单独编号，对安装关系相反的构件，编号后可采用加后缀的方式来区别。
　　
　　构件详图主要作为生产车间加工组装用，根据钢结构设计图和构件布置图采用较大比例来绘制，对组成构件的各类大、小零件均应有详细的编号、尺寸、孔定位、坡口做法、板件拼装详图、焊缝详图，并应在构件详图中提供零件材料表和本图的构件加工说明要求，材料表中应至少包含零件编号、厚度、规格、数量、重量、材质等，在表达方式上可采用正视图、侧视图、轴侧图、断面图、索引详图、零件详图等。每一构件编号均应与构件布置图中相对应，零件应尽可能按主次部件顺序编号。构件详图中应有定位尺寸、标高控制和零件定位、构件重心位置等。构件绘制时应尽量按实际尺寸绘制，对细长构件，在长宽方向可采用不同的比例绘制，对于斜尺寸应注明斜度，当构件为多弧段时，应注明其曲率半径和弧高。总之，构件详图设计图纸表达深度应该以满足构件加工制作为最低要求，在图纸表达上应尽量做到详细。
　　
　　当结构施工图中已经有节点详图时，在深化设计时，可以不考虑这些节点的设计、绘制。但当结构设计图中节点不详或属于深化设计阶段增加的节点图，则在安装节点详图中还应该表达出来，以满足现场安装需要。节点详图应能明确表达构件的连接方式、螺栓数量、焊缝做法、连接板编号、索引图号等。节点中的孔位、螺栓规格、孔径应与构件详图中统一。
　　
　　钢结构深化设计是一项耗费大量人力物力的工作，国内目前有采用以下几种方式来做钢结构深化设计：AUTOCAD、StruCAD、Xsteel等专业软件，大大提高了钢结构深化设计的出图效率。
　　
　　 实现结构和节点优化
　　
　　随着科学技术的发展，建筑钢结构越来越复杂，如何安全合理地实现构造复杂的结构和节点成为深化设计的难点和重点。这也对钢结构深化设计人员和加工制作厂家提出了更高的要求，不仅要求设计人员有丰富的专业知识，还应对加工工艺、安装过程有全面的了解。因此这不仅要求深化设计人员能熟悉设计程序，根据设计图进行详图绘制，还能综合工厂加工制作、现场安装等综合因素，发现问题、解决问题。在钢结构深化设计过程中，深化设计人员需同结构 设计师保持良好的互动关系，不断完善和调整结构方案，为加工、安装创造较好的条件。在满足结构合理的情况下，构件的深化设计需为加工和安装提供方便。
　　
　　结构设计的构造设计不太合理。箱形梁与柱连接时，通常采用多高层民用建筑钢结构构造图集01SG519中页17上节点2的做法，但有时箱形梁构件窄而高(如宽度500毫米，高1200毫米)，此时若仍采用图集中的做法，那在实际操作中就会有困难，由于梁高而窄，工人现场焊接箱形梁下翼缘时，焊接没有空间，即便能焊接但质量也难以保证，因此必须考虑其他连接方式。
　　
　　钢筋与柱脚底板穿孔塞焊后作为整体预埋件先预埋，然后圆管柱与埋板现场焊接，并且需将柱脚钢筋与圆钢柱内壁焊接。按节点做法要求，在实际操作中也会遇到很多问题，埋板顶标高会有施工误差，钢柱安装时柱底标高没法调节，且不易定位，钢管直径为600毫米～800毫米，钢筋与圆管柱内壁现场根本没法焊接。针对该节点做法，经与设计多次沟通，最后达成如下做法，先预埋地脚锚栓，钢柱安装时通过地脚锚栓调整标高，钢柱调整到位后将钢筋与柱内壁焊接，由于柱内钢筋已加长至1100毫米左右，从圆管柱上端进行钢筋与柱内壁焊接。总的来说，这种方法既达到了柱脚受力要求，也达到了现场安装方便的目的。
　　
　　构件制作、加工难以实现，焊缝密集，应力集中。某多层钢结构箱形柱与钢梁刚性连接，梁翼缘对应的横隔板贯穿箱形柱，由于与柱相连的钢梁截面不完全相同(有些梁高仅差50毫米或100毫米)，所以有些横隔板相距很近，钢柱都被横隔板分成一小段。由于钢柱均为40毫米厚以上的钢板，因此当横隔板间距在100毫米～300毫米左右时，钢柱节点域处焊缝非常多，应力集中也很明显，为保证节点传力，也为尽量减少焊缝，我们建议设计单位将其改为如下做法：隔板间距小于150毫米时，与钢柱相连接的钢梁采用变截面，当隔板间距不小于150毫米以上时，在箱形柱焊接内隔板，这种做法受力较合理，又能方便加工、制作，减少焊接量。
　　
　　运输、安装工艺具有特殊要求。构件深化、加工完成只是完成了整个项目的一部分工作，很多工作还需在现场完成，能不能顺利完成安装，这也表明深化设计是否合理、构件加工是否满足精度要求。由于运输、安装要求，诸如构件分段点的选择，构件单元运输长度的确定，构件在工厂组装还是现场散装，安装吊点位置和做法确定，构件最大重量确定，工具施拧的最小空间考虑，复杂钢结构在深化设计阶段预起拱考虑等等，所有这些工作要在深化设计阶段考虑完全。
　　
　　一个项目的顺利完成，是多方面共同努力的结果，既要有精确的结构理论计算，又要有实际工程经验的指导。在这过程中，钢结构的深化设计起着中间纽带的作用，深化设计与结构设计必须互动，不断完善设计，使工程建设能优质高效地进行。因此，合格的深化设计人员的培养是一项长期的工作，需在设计水平、施工经验方面逐步积累。深化设计不仅仅是根据结构设计图依样画葫芦，而是在了解结构设计人员意图的情况下，使深化设计既满足结构受力要求，又能方便加工、安装。