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Tekla Structures在空间曲面钢结构中的应用

梁振华

(上海陆华钢结构设计事务所 200092)

摘 要：Tekla Structures是国际知名度非常高的一款三维真实模拟软件，近年来随着国内建筑蓬勃发展的需要，许多对建筑外观造型较高的钢结构项目越来越多；本文通过数个借助Tekla Structures软件完成深化的实际项目，通过深化过程中的建模和出图表达以及参考数据来与大家探讨在空间曲面钢结构中的应用。

关键词：Tekla Structures 空间曲面 钢结构 深化设计

Tekla Structures是一款功能十分强大的三维真实模拟软件，除了被广泛的高效率使用在外形或杆件截面较规则的厂房、民用高层、框架等项目外，还可以充分利用Tekla Structures直观、作为数字化真实模拟进行不规则外形结构的深化设计。具体的步骤和工序大致如下：识图和理解设计意图构建三维模型、将模型转化为图纸、后期工厂工地服务。以下我们分别从这几方面来探讨：

1、 使用Tekla Structures进行空间曲面钢结构建模

对于较规则的工程项目，例如厂房、民用高层、框架等，一般而言不需要借助其他的软件的协助来提供定位，因为Tekla Structures具有的轴线和参考点等命令本身就可以很方便的控制。但是，如果是一些异形的结构，特别是含有空间曲面造型的项目，我们往往会觉得Tekla Structures定位还是比较麻烦，这时候如果有需要的话，我们可以先在Auto Cad里定义好关键的控制点和参考线，然后再实行导入Tekla Structures。对于一些复杂的建筑，最好让设计方帮忙提供内力计算和分析时构建的Dwg文件或其他的可导入Tekla Structures的模型文件，这样，可以节省大量的工作强度和时间。

对于空间曲面的建模来说，会频频使用到切换工作面和创建视图平面，由于在这过程创建的平面视图基本上在出图表达的时候都会用到，所以，我们尽量在创建视图的过程中就及时进行命名保存。相对于外形或杆件截面较规则的厂房、民用高层、框架等项目，我们在做异形结构时命名保存的视图将不是一个数量级的，这样，我们在保存命名的视图时最好要清晰明了，否则简单用标高或者字母表示的话，出图的时候根本不知道哪些需要哪些不需要。

往往我们在做异形结构时，由于目前Tekla Structures还不支持使用一段圆弧或者一个圆或者一段样条曲线来做为轴线定义，所以不管是空间曲面还是平面内曲面的结构形式，我们都会使用到放射性的轴网。轴网的做法与常用的做法一样，只不过我们需要多次转换一下UCS罢了。

接下来的杆件的模拟或者板材的模拟都是通常的做法，不过基本上都是做到设置为当前的基准面上去。或许我们会频频使用到线与面的交点和线与杆件的交点，在低版本

的时候这个命令只能够单次使用，升级了版本之后可以选择好一个面之后创建多根直线与指定的面或杆件相交，非常方便，明显提高了效率。在景观桥的项目里，做索穿透曲管的过程中，这个命令非常有帮助。

借助于精准的定位，我们将江苏宜兴景观桥项目中的索的长度与实际施工时的测量长度控制在了20毫米的误差范围内（与钢结构厂家加工的精度也有很大关系）。由于钢丝绳索在加工好运送到现场之后就不方便对超出允许调节的长度进行调整，一般来说需要再运送回索生产加工厂家进行整改，既耽误工期，也造成费用和材料损失，所以，借助于Tekla Structures的模拟，我们可以非常方便的测量出每根索的长度。

对于软件本身来说，Tekla Structures无疑是可以做到非常精确的（大家可以在“单位和十进制”里进行设置调整），但是，也不是所有的情况下我们都非得把模型做得与实际情况一模一样，有的时候“模糊”处理一下会有事半功倍的效果。弧线形构件的接合（例如：弧线形楼梯）往往会出现两杆件间存在小小的间隙。如果我们努力的去调整，即使费很大的劲也未必能够吻合，在设计交底的时候特别告知加工和安装方实际的理论偏差值，在放样下料的时候考虑一定的余量进行适当调整也是非常好效果的。这需要我们紧密协调、灵活处理。

在做幕墙时，业主只给出了幕墙柱的中心线，一条空间曲线，要求：考虑到外墙需要挂墙板，柱的实际误差只允许控制在10毫米范围内。对于一些异形的结构和构造，业主往往都会给一定的自由度让深化去发挥，虽然对于本项目的柱我们可以允许有不大于10毫米的误差，但是这10个毫米同时也是对深化工作的很严格的限制。所以，每个人做的幕墙尺寸都会不一样。

做不规则外形的结构是一个挑战自己、挑战思维的过程，有很大程度上，需要建模型的时候就得考虑到后面的安装需要，否则，尺寸和图纸会脱离实际，纯属于理论状态可用。我们可以学习和借鉴在幕墙柱模拟中的处理经验，柱的上段打有一个Φ12螺栓孔，下段打二个Φ12螺栓孔，此孔既用于判断柱构件安装方向（扭曲的管不易判断柱上、下头），同时也是安装时控制柱对接定位的快捷办法：只要两个螺栓孔和另外一个螺栓孔在一条直线上，柱子被认为是对接到位的。这个办法应用得比较巧妙。

折线形的截面往往需要进行圆滑过度，一般我们可以通过以下两种途径来实现： 1） 创建折形梁，然后选中折角，使用倒角命令作成圆弧过度 2） 直接创建直梁，调节直梁的半径属性，注意将段数修改掉

一般来说，后面这种做法更灵活，方便复制、编辑、修改，当然这些都视个人习惯而定。

虽然说是不规则的造型，但是如果我们往往也还是可以发现其中的一些有规则的东西，例如说杆件的布置、节点的类型??通过确定这些关系和应用，我们会明显的提高工作效率。对于时间允许又有能力的软件操作人员来说，做适当程度的开发和应用也是事半功倍的。

2、 使用Tekla Structures进行空间曲面钢结构出图

模型构建好之后，只能说我们自己的深化人员按照设计的意图表达给了电脑，不等于表达给了加工厂，所以我们还需要把三维模型转化成平面图纸，对于空间异形结构，除了给出详尽的平、立、剖面之外，给出一个三维立体轴测视图也是很有必要的。

由于造型复杂，所以编号的控制需要比规则的项目详细分类。如果在模型建立的过程中科学的控制和指派了构件编号，这样就可以在运输和现场堆放中十分有序。不会出现构件堆放紊乱的毛病。同时，由于同一区域的构件均堆放在指定范围，这样有助于吊装时更充分的组织和利用吊机，提高作业效率，减少台班费用。

转换成图纸之后，可能相对来说板的零件图会比较简单和容易表示。如果杆件是圆管，一般我们会有两种选择：如果采用数控加工，我们需要给定相贯管件的型号和角度，当然长度也是必须的；如果是采用手工加工，通常是打印出纸板，套箍在管上进行直接号样，除了给出长度之外，我们还需要应用Tekla Structures里的零件展开属性对杆件进行贯口展开。需要注意的是：无论是上述两种方法的哪一种，我们都需要注意相贯的管与被贯的管的大小尺度（型号）和相贯的角度，避免出现由于管壁厚度产生的余长，我们往往在使用Tekla Structures显示相贯管的长度时都会使用净长，这样方便加工。但是，如果有过大的管壁余长时，我们必须对其进行折减，否则会给安装带来很多不便和困难，即使焊接上，焊接的强度也很有可能达不到设计强度。

除了板材和圆管外，使用比较多的还有箱形截面、H型截面和矩形截面。对于此类截面我们尽量给足视图面来表达，一般比较好处理，不过譬如大剧院项目屋顶使用的矩形的方管截面，由于整个体形是一个螺旋曲线造型的话，会导致杆件的每一端都不一样，我们在做切割表达的时候需要选择到最长的一个点，然后把矩形截面的四个面上的相对切割距离都表达出来。

对于一些复杂的构件，表达的视图多，标注的尺寸也多，在标注图纸的时候需要我们尽量的控制图纸量。既要表达透彻、清晰，又不要冗余、罗嗦，尺寸要细致而不烦琐，比起简单的梁、柱、支撑来说，不规则的构件更显功力，往往需要贯彻整个深化的思想，最重要的一些工作点、工作线、参考点都必须核对尺寸。因为往往不规则的构件的投影一眼看上去都有点乱哄哄的感觉，所以需要做一些修饰和处理，总之，尽可能的把图纸表达得清爽一些。图面的表达和整洁统一更能够显示出驾驭软件的熟练程度和技巧。

涉及到索的表达时，需要注意索的长度是受力张紧情况下还是未受力松弛状态下，两者的长度是有区别的，配合锚具调节幅度考虑。索的长度是非常重要的，需要特别谨慎小心，积极配合专业的索加工厂，提供详尽的数据。否则修改和重加工都非常麻烦。

3、 使用Tekla Structures配合加工和现场安装

Tekla Structures可以非常高效的为工厂进行套料，异形结构里的诸多不规则杆件一般都会导致较高的损耗，合理的进行统计和安排能够最大限度的节约成本。

在构建好的Tekla Structures模型里，我们可以很容易的直接查询和过滤指定构件，譬如提供重心位置，查看运输长度等。

由于各种原因，在加工或安装的过程中如果需要有材料代换，Tekla Structures可以