鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：以沈陽展覽中心工程鋼結構施工詳圖設計及管理為例，闡述了鋼結構施工詳圖設計的繪制過程及管理方法。針對目前鋼結構工程中工程量大、工期緊張的特點，采用了三維設計軟件XSTEEL與CAD結合的優化方案，提高了構件轉化的準確度，為工廠順利加工提供有力條件，為現場安裝提供了準確的安裝圖紙，更好的滿足了鋼結構工程的加工及現場安裝的需要。
關鍵詞：鋼結構 施工詳圖設計 工程管理
鋼結構在我國國民經濟建設的應用范圍很廣，它在房屋建筑、地下建筑、橋梁、塔桅、海洋平臺、港口建筑、礦山建筑、水工建筑、囤倉建筑、氣柜球罐和容器管道中都得到廣泛應用；其中鋼結構建筑工程是我國建筑行業中蓬勃發展的一個既古老又嶄新的行業，是綠色環保產品，也是推動傳統建筑業向高新技術發展的重要力量。
鋼結構施工詳圖作為鋼結構工程中不可或缺的一部分，體現著至關重要的價值。鋼結構施工詳圖又稱加工圖或放樣圖。圖紙深度須滿足車間直接制造及現場安裝的要求。目前，詳圖設計的工作范圍逐步擴大，已從單一為加工廠提供詳圖制作，擴展到為物資采購部門提供材料報表、螺栓報表進行采購；與此同時還需協助工廠備料及輔助編制工程進度計劃。詳圖設計中使用XSTEEL三維建模軟件，能夠充分發揮其直觀、準確、仿真的優勢，消除安裝構件時存在碰撞的隱患，是以往單純CAD深化設計所不能比擬的。詳圖設計已成為連接原設計方、加工廠、項目部、物資采購等相關部門的重要紐帶。
1 工程概況
沈陽展覽中心(Shenyang Exhibition Centre)位于沈陽市蘇家屯區，展覽中心占地面積700畝，建筑面積16萬m2，其中室內展覽面積10萬m2,由8個面積為1.32萬m2的展廳組成，可容納5000個國際標準展位，可承接國際國內大型展會和各種大型活動，已成為東北地區最大的會展中心。展覽中心在建筑設計上采用的是“陳列式”結構，8個展廳既可以有機地融合在一起又可以互相獨立開來，即可以同時設展，每一個展廳也能獨自舉辦各種類型的展覽，這種設計方案在國內其他會展中心并不多見。沈陽展覽中心建設難度較大。其中，整個中心鋼結構工程總計8640t，164根鋼梁，每根鋼梁重40t左右，跨度80米。由于長度超長，必須分段制作、運輸，在現場拼裝，拼裝精度、焊接質量等要求極高（圖1）。
圖1 一榀屋面鋼梁（沈陽展覽中心鋼結構施工）
2 鋼結構施工詳圖設計
2.1 熟悉設計圖紙及設計交底工作
展覽中心詳圖設計任務為鋼結構屋面系統。屋面系統包括屋面鋼拱梁，屋面水平支撐，豎向支撐，屋面檁條。首先建模人員熟悉結構圖紙和建筑圖紙。對于設計圖紙上有疑問或矛盾之處，在設計交底會議上及時與設計人員溝通。
圖2 沈陽展覽中心屋面平面布置圖（沈陽展覽中心鋼結構施工）
2.2 屋面鋼結構建模
建模人員在接收建模任務的同時，需保證以下設計資料齊全：原設計圖紙或其他與原設計圖紙性質等同的文件，項目負責人的項目交底文件，編號系統文件，工期進度表，文件控制規定。按照工期計劃合理劃分建模區域及安排進度。
此工程分10個區A1、A2、A3、A4，B1、B2、B3、B4，C1、C3（見圖2）。由于屋面鋼拱梁的結構形式對稱，因此只需要對A1區和C1區進行建模及出圖工作。首先將各種類型構件設置不同狀態，顏色等級，方便構件過濾。然后開始屋面鋼梁建模，參考構件混凝土柱建模，屋面水平和豎向支撐建模，檁條建模。起始建立模型的時候，由一位建模人員負責添加軸網、新截面和新材質，且新添加的截面型材須符合標準。在搭建構件時 ，要在圖紙對應位置用彩筆做出標記。對于發生碰撞之處，拍成圖片，寫成聯系單，發往原設計協商解決。對于一些具有特殊要求的構件，要在材料表中特別說明，例如在鋼梁支座處包括了一塊80mm的厚板，此板要在材質上加Z向性能。在鋼梁中，不同厚度的鋼板在對接時，為防止焊接后產生應力及疲勞，應從板厚的一側或兩側做緩坡狀斜角的削薄處理，削薄坡度為1/4，這也是《鋼結構設計規范》的構造要求。在鋼結構施工詳圖深化設計中，建模人員不只是簡單、輕松地照搬照抄設計圖紙，還要熟悉鋼結構設計規范及鋼結構構造要求，將理論運用于實際工作中，更好更準確的完成鋼結構詳圖設計(圖3)。
圖3 A1區和C1區三維模型（沈陽展覽中心鋼結構施工）
2.3 模型審核
模型審核是控制詳圖質量的有效措施。包括自審和專審。首先建模人員進行自審，然后由審核工程師進行專審。最終完成模型時，保證原設計圖的所有信息都有標記，防止遺漏任何信息。模型建完之后，需要自審模型，自審時通過材料清單，檢查材質等級，及構件編號。通過螺栓清單復核螺栓等級及長度；并提交模型自審單給審核人員。審核人員進入模型，開始審核工作，對于模型中構件定位及編號、截面型材，節點進行全面審核。最終提供審核單。建模人員針對審核問題做出修改，完善模型。
2.4 模型出圖
在確保模型完整、正確的基礎上，設置好圖框及材料表樣式，準備出圖。對于梁、支撐、檁條、豎桿，每種類型構件各出一張，提交技術中心進行審核批復，審核后開始正式出構件加工詳圖和安裝圖。一般要求首先完成安裝圖，通過繪制安裝圖再一次對原設計圖中的構件定位等進行核對，也是確保圖紙準確的有效措施之二。當所有圖紙完成后，提供構件表和目錄等清單，送審設計院審核。在等待審核回復意見的同時，也是我們對圖紙中構件組裝尺寸，說明進行審核的過程。在使用XSTEEL進行圖紙深化設計時，我們經常把重心放在模型搭建的質量上，往往忽視圖紙的質量。習慣性認為模型沒有任何錯誤，圖紙相應也會很好。其實不然，如果圖紙中漏掉零件標記，構件標記，焊縫錯誤，組裝尺寸不全，說明不夠詳盡，對于工廠加工而言，即使是一根精美的梁放在圖紙上，也是無法將其快速、準確、保質保量的制作出來。
3 施工詳圖設計中難點攻克
此工程的難點之一是工程量大而工期短。一般情況下完成如此大噸位的深化設計需要一個月的時間。經過對圖紙詳細了解，沈陽展覽中心屋面鋼結構由結構相同的8個大區A1～A4及B1～B4和2個小區C1、C3組成。我們只要選擇A1和C1開始建模及出圖即可，工作量減少到原來的六分之一，大幅度縮短了建模及出圖時間。因此，我們將轉化工期定為10天。這也是一次非同尋常的嘗試和挑戰。
眾所周知，大型展館是一個城市的精神象征，是一個城市的名信片。一般場館工程除了具備基本使用功能外，最重要的是要有一個讓人贊嘆不已、印象深刻的建筑外觀。吸引人們眼球的建筑形式當然是曲線造型。沈陽展覽中心也不例外，屋面結構采用平面鋼拱梁和空間鋼拱扭梁。兩種類型的鋼梁使得詳圖深化設計的難度大幅度增加。
詳圖轉化中普遍使用的是XSTEEL軟件，而該軟件在曲線形式桿件的轉化方面，尤其是曲線的平滑度方面存在著一些不足。如果直接用XSTEEL轉化平面鋼拱梁，就可能在尺寸精度上產生誤差。為了克服XSTEEL的缺點，我們先在CAD內放樣，將放樣尺寸導入XSTEEL軟件內，然后用CAD內的一些關鍵點控制XSTEEL構件的放樣尺寸及外觀。在平面鋼拱梁準確放樣的基礎上，使得兩個軟件的優勢充分結合，進一步減小或避免尺寸誤差。對于空間鋼拱扭梁的深化設計，我們直接采用CAD放樣出圖，并利用了CAD二次開發程序——空間點輸出坐標，不但對每段空間扭梁的組裝控制點給出三維坐標，而且還提供每個零件控制點的三維坐標，以及每個零件的平面展開圖及坐標。這種深化設計方法既忠于原設計的意圖又為工廠加工及現場安裝提供可靠數據（圖4）。
圖4 空間鋼拱扭梁三維軸側圖（沈陽展覽中心鋼結構施工）
此工程的難點之三是屋面水平支撐中使用的鋼絲繩索。由于鋼絲繩索在加工完成運到現場之后，就不能夠對于超出允許范圍的長度進行調整，一般來說只能再運送回索生產廠家進行修改。這樣既耽誤了工期也造成了費用和材料的損失。借助于XSTEEL模型精準的空間定位，我們可以非常準確及方便的測量出每根空間索的長度，避免了上述情況的發生。對索進行深化設計時，還需要注意索的長度是受力張緊情況下還是未受力松弛狀態下，兩者的長度是有區別的，配合錨具調節幅度考慮。積極配合專業的索加工廠，提供準確的數據。
4 施工詳圖深化過程中與項目部及工廠的配合
詳圖深化過程與項目部的配合，項目部對于鋼梁的長度提出了要求，要求鋼梁長度不得大于15m，因此為了滿足該要求，我們對于鋼梁進行了分段，經過多方考慮，最終確定了將鋼梁分成7段，并在相應位置設置了連接吊耳，為現場的安裝提供了有利條件。由于此鋼梁安裝完畢后，要用混凝土灌漿，因此我們在鋼梁的相應位置處設置灌漿孔、振搗孔、出氣孔。灌漿孔的設置滿足了現場混凝土的施工要求。
詳圖深化過程與加工廠配合。在沈陽展覽中心鋼梁的截面形式為“日”字型。鋼梁內部通長隔板的焊接形式為雙面角焊縫，而箱型構件內隔板無法保證雙面角焊縫。工廠實際裝配順序為:
1→2→3→4→5（圖5），故考慮裝配焊接實際可操作性，詳圖深化過程中，建議將3號隔板采用單面坡口焊縫形式。此優化方案得到了設計院的認可。
圖5 隔板焊縫優化方案
5 鋼結構施工詳圖管理
5.1 工程編號管理
對于工程中使用的構件編號，要根據整體工程綜合考慮，項目編號管理包括零件、構件編號系統、圖紙編號系統、報告編號系統。例如構件編號中要設定零件前綴、構件前綴、構件名稱等內容。無論在國內工程還是國外工程中，詳圖中的編號設置都應全面、明確、具體。由于工程項目具有唯一性、多樣性等特點，編號系統必須根據各個項目的不同結構形式及特點進行編制，不能統一。在工程管理中設置編號系統至關重要（表1）。如果一個工程由多個子項組成，科學的控制和指派構件編號，能夠使加工廠便于按照工期進度制定切實可行的加工計劃，能夠讓我們合理安排打包方案及構件運輸計劃，能夠使我們查找和清點構件變得更加容易。在安裝過程中，由于同一區域的構件可以堆放在指定范圍內，這樣有助于吊裝時更充分的組織和利用吊機，提高作業效率，減少機械臺班費用，降低成本。
表1 沈陽展覽中心編號系統表
注：前兩個XX表示區號，后兩個XX表示流水號例如SBC-SYHZ-A101表示A1區01圖
5.2 工期控制管理
根據現場安裝方案及甲方工期要求，對于深化設計的工期做出合理安排。確保工程順利完成。沈陽展覽中心總噸位8640t，使用施工詳圖轉化軟件為Auto CAD和XSTEEL。深化設計工期為10天（表2）。
表2 沈陽展覽中心工期進度
5.3 文檔控制管理
在國外工程中，外方的文檔控制工作很嚴謹，專人負責，流程清晰，文檔分類詳盡。我們在向國外工程學習的同時，結合國內工程特點也進行了文檔控制工作。在接收原設計單位提供的圖紙時，藍圖需要加蓋設計院出圖章及設計人員資質章。所有文件由文檔控制員通過正式公共郵箱發出或接收郵件。各工程項目要使用不同的郵件編號，并使用統一格式。收發郵件要有記錄單。文控資料中明確出抄送的相關部門，文件有記錄可尋。在工程過程中及結束時，這些過程中控制的技術資料及來往信函在工程結算、決算及索賠方面起著重要作用。同時也是工程風險控制及合同管理的有效措施。在內部傳遞文件時使用FTP平臺，方便了與各個部門之間的資料傳遞，提高了工作效率。
6 結語
綜上所述，通過對沈陽展覽中心施工詳圖深化設計及管理的介紹，總結了鋼結構施工詳圖深化設計中需要完成的工作內容及重點。根據實踐經驗及科學管理，完成了深化工期為10天的目標。在平面鋼拱梁和空間鋼拱扭梁的詳圖深化設計中，將CAD軟件與XSTEEL軟件的優勢充分結合，為今后空間曲線結構的深化設計積累了豐富經驗。沈陽展覽中心工程被中國建筑金屬結構協會評定為“建筑鋼結構金獎”。
參考文獻
[1] 《鋼結構工程施工與質量驗收實用手冊》2003
[2] 《鋼結構設計規范》 GB 50017-2003
[3] 《鋼結構工程施工質量驗收規范》GB 50205-2001
[4] 《建筑鋼結構焊接技術規程》JGJ81-2002
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