建筑会议中心钢网架与钢结构设计方法

建筑会议中心钢网架与钢结构设计方法

胡松波关杰

中机国际工程设计研究院有限责任公司湖南长沙410007

摘要：建筑会议中心加工制作是以钢网架与钢结构设计图作为基础，是否能够完善、准确性的进行深化设计对工程施工工期产生直接的影响。深化设计的周期以及深化设计的难度在很大程度上受到施工图结构体系、设计深度的影响。本文以某建筑会议中心作为案例，对建筑会议中心钢网架与钢结构设计方法进行全面探讨。

关键词：建筑；会议中心；钢网架；钢结构；设计方式

一、工程概况

某国际会议中心位于一线城市东部海边，具有独特的造型，建筑总体面积为14m2，分成地上4层与地下1层，建筑总体高度为58m；该国际会议中心以多支撑筒体大悬挑大跨度复杂空间结构体系为主要的主体结构形式。采用钢骨混凝土核心筒结构作为地上支撑筒体，会议中心的中央舞台、观众厅、宴会厅、会议厅、转换平台主要是选择钢桁架结构，弯扭箱形结构作为外围幕墙结构。通过H型刚截面作为桁架杆件与核心筒，弯扭箱形截面利用钢板焊接后用于幕墙构建。该国际会议中心具有结构形式复杂、建筑造型新颖等基本特征，大量多根H型杠杆空间汇交节点用于桁架构件、核心筒的施工中，通过分析节点构造、位置的区别，可以采用铸钢节点、复杂节点、一般节点来划分节点结构。幕墙选择的弯扭箱形构件具有体量大、数量多等基本特征，同时其扭曲构件具有多杆相交密集、超宽、超高等特点，所以，该工程的加工难度、深化设计难度较大，工程构造图如图1所示。

图1某国际会议中心工程构造图

二、核心筒与桁架的深化设计要点

（一）腹杆连接与桁架弦杆的设计要点

腹杆与桁架弦杆以米字型进行连接，在连接位置具有焊缝多、汇交杆件多等基本特征，为了防止出现焊缝重叠的情况，在深化设计之前要确保在节点位置相交的翼缘板与节点边缘距离高于150mm，且采用折板使位于节点两侧位置的翼缘板同时使用一块加劲板，按照强节点弱杆件的设计标准，采用折板操作，促进节点区域明显增加，竖向腹杆与斜向腹杆强轴相交时，可以通过节点板架构以及贴板封箱型等对策促进节点有所加强[1]。若竖向腹杆弱轴与斜向腹杆处于相交的状态时，可以将盖板封箱型添加在弱轴一侧位置，从而加强节点。采用深化设计的方式，可以获得焊缝重叠少、传力合理、节点构造简单等效果，与现场施工、加工的具体需求互相符合，为结构可靠性、安全性提供保障。

（二）核心筒空间和桁架复杂节点设计要点

该国际会议中心的会议厅边缘、转换平台桁架边缘、钢骨混凝土核心筒顶部位置均应用多根H型钢杆件空间汇交的空间复杂点，详细情况如图2所示。由于杆件间具有角度小、空间关系复杂等基本特征，加上节点位置具有较多的汇交杆件，若按照常规桁架节点的方式无法达到现场施工以及工程加工的需求。对杆件在节点位置的相关性进行分析后，并综合考虑节点构造与车间制作工艺、焊接工艺的相关性，通过相关措施完成空间复杂节点结构、构造等优化设计的工作，以期能达到现场施工、工程加工的具体需求。

首先，在杆件翼缘位置进行弯折处理，为了给在节点位置设置弦杆加劲板或者直腹杆提供便利，降低焊缝应力集中在节点的情况，应该把斜腹杆翼缘设计为＜30度的折角，还将和杆件翼缘有着相同厚度的加劲板增设在折角位置，为有效传递翼缘弯折后内力提供保障；其次，在节点位置杆件上下翼缘添加整版，以圆弧过渡的方式处理角部。若同一标高汇交杆件上存在较多的空间节点时，可以通过上述方式，促进节点位置焊缝明显减少，采用处理角部圆弧的方式可防止应力集中的情况；再次，在节点处杆件进行变坡处理，若节点位置弦杆没有相等的左右截面时，可以合理的把大截面杆件延长至小截面杆件方向，在出节点位置以1：4变坡的方式往小截面过渡；最后，局部节点位置应该进行H型钢封箱处理操作。因为非正交桁架节点以H型钢构件作为汇交的直腹杆，因此相互连接斜向腹杆时会以尖角呈现，出现应力集中的情况，无法保证焊接质量。通过封箱节点处理对策能够有效避免出现上述问题。

图2空间复杂节点设计图

三、会议中心幕墙钢结构深化设计要点

（一）幕墙结构设计难点

通常情况下，幕墙结构设计难点主要来自屋盖与幕墙连接节点、与桁架相交节点、弯扭构件相交节点等位置，设计难点主要体现如下：（1）两个扭曲构件相互连接时，相交扭曲面选取公共相交弧线的精度，对牛腿构件产生误差的数值有直接的影响；（2）全部采用弯扭类型的板件，外轮廓板与内加劲板相交时产生较小的夹角，控制构件定型定位有一定的难度[3]；（3）同一时间相交多个牛腿时，相交位置获得较小的夹角，内加劲板与牛腿板件焊接有一定的难度；（4）主体构件宽度方向没有超过400mm，设置3道纵向劲板后，造成施焊内部焊缝有一定的难度。

（二）幕墙结构设计流程

（1）弯扭零件展开图设计。弯扭构件深化设计工作中零件展开图占据非常重要的位置，扭曲板件长、宽分别为5m、2m，扭曲板两条对角线空间最大的垂直距离为≤0.4m。要按照焊接检测和组拼要求、构件加工精度要求、加工工艺要求等完成零件展开图的设计工作。通过分析不同试验的结构，通过Rhinoceros软件完成零件展开图的设计工作，对弯扭构件加工精度给予有效控制，为弯扭构件加工质量提供保障。通过分析设备工艺的实际情况完成等分处理，在展开图上直接对应标示不同等分点的平面坐标值，且将不同等分点的竖向坐标值有效的提供，通过对角线数据良好的控制以及校核加工过程的精度；对于扭曲较小的构件成形图可以通过三点形成一平面的方式直接定义，前三点与第四点标示构成平面之间的竖向坐标值。

（2）内加劲板定位图与展开图的设计要点。弯扭构件深化设计工作中内加劲板定位图与展开图的设计具有一定的难度，通过在线模型可以将构件外表面上内加劲板具体定位的相关性全面反映，但不能构成内加劲板的下料尺寸[2]。因为外板扭曲，在给予壁厚后无法将壁厚直接的减掉，在外板扭曲面增加厚度是比较有效的方法，通过求差集的方式将内加劲版要求减少的厚度减去[4]。采用AutoCAD2010软件可以将三维处理功能良好的补充，特别是在扭曲面赋予厚度设计中开发这项功能，能够更为良好的补充工程模型处理，对于其他模型处理存在的不足可全面弥补。

（3）牛腿及弯扭构件的组拼图设计要点。通过空间三维坐标来代表弯扭构件组拼图，为了与车间加工工艺的需求互相符合，构件长边、构件短边、构件厚度分别采用水平X方向、水平Y方向、竖直Z方向来表示。通过相对坐标表示牛腿的组拼定位图，坐标水平面为主构件与牛腿的接触面。

（4）若弯扭构件节点特别复杂，则要采用焊接工艺流程图来处理。因为构件自身需要密集的增加劲板且大幅度的连接牛腿，因此要全面对比、分析、研究后，按照先后顺序合理调整焊缝施焊，确保主要焊缝质量能够与设计要求互相符合。若焊缝局部有着特别严格的要求且不能保障焊缝质量时，则需要全面优化构件模型，为良好解决工艺问题提供保障。完成构件成型后要直接给予预拼装，从而保障顺利开展现场安装施工。

四、钢网架与钢结构的设计展望

综上所述，我国建筑会议中心银网架与钢结构的施工技术已经达到发达国家的基本要求。最近几年，随着我国逐渐深入研究钢结构分析理论以及快速发展计算机技术，为钢结构设计方法的发展与研究提供良好的条件。建筑会议中心高技术发展趋势是目前设计人员需要关注的问题。内容上，高技术化的设计原则主要包括表皮、结构、空间等技术处理原则。空间上，建筑会议中心高技术发展主要在建筑空间简练、有序等方面体现，重视会议中心空间的灵活性以及向同性。结构方面，建筑会议中心的高技术化则在综合运用现代建筑美学、力学方面体现，不但能够与建筑实用的要求互相符合，同时要与建筑结构美学全面符合。在表皮处理技术方面，建筑会议中心的高技术在全面运用现代化外墙材料体现，尤其是出现新型复合材料，为建筑会议中心外观设计的改变奠定良好的基础。

五、结束语

大型复杂钢结构工程设计工作中节点深化设计占据非常重要的位置，核心筒和桁架节点由于具有较多的汇交杆件导致深化设计难度有所加大，为了促进节点深化设计能够与刚度、强度的设计要求互相符合，则需要按照焊接条件与节点焊接工作来完成深化设计工作。现今，大多数工程在进行建筑设计时过分重视建筑效果，导致会出现弯扭构建、复杂节点深化加工的难题，因此，相关设计部门对弯扭构件、复杂节点的问题要有效处理，从而改善成本控制以及施工工期的问题，为提高钢网架与钢结构深化设计水平奠定良好的基础。

参考文献：

[1]汪道金，曾繁娜.大跨度屋面钢网架（壳）结构施工技术[J].施工技术，2010，39（02）：24-26+29.

[2]周光毅，刘进贵，刘桂新等；大连国际会议中心关键施工技术[J].施工技术，2011，40（04）：32-36.

[3]叶鹏.施工实测缺陷对网架结构性能的影响研究[D].长安大学，2013.

[4]夏培，程志敏，周观根，雷振宇.大连国际会议中心钢结构深化设计方法研究[J].钢结构，2012，03：37-40.

作者简介：

胡松波（出生于1982年12月-），男，汉族，硕士研究生，工程师，主要从事混凝土结构设计和钢结构设计。

关杰（出生于1982年5月-），男，汉族，本科，工程师，主要从事混凝土结构设计和钢结构设计。