1、二、 影响钢结构用钢量的主要因素在钢结构设计中,影响用钢量的因素主要有以下三点:1）刚度条件。一般来讲,设计时要求变形越小则用钢量越大。变形与构件的长度密切相关,即与工程结构的高度、跨度、柱距等方面有关。如单层轻钢结构厂房若控制跨度30m、檐口高度9m、柱距9m,则用钢量一般是比较节省的。2）整体稳定条件。过去传统钢结构设计往往采用拉压杆体系解决稳定性,现在设计中则较多采用拉杆体系支撑,现行的国家标准该问题规定不明,部分设计人员对结构件间在互相连接作用下约束效果考虑不够,易造成了为增加稳定性而加宽构件翼缘,使得实际用钢量比设计所需有所增加。笔者认为:设计时应适当考虑构件的相互约束（如设计刚架梁
2、时考虑檩条对梁的约束）,就可以把为解决整体稳定而多用的钢材节省下来。3）局部稳定条件。国标GBJl7-88钢结构设计规范用于轻钢结构设计是偏于安全的。国家标准CECSl02:98门式刚架轻型房屋钢结构技术规程及上海、北京等地制订的有关轻钢结构设计方面的技术规程在刚度和稳定性条件等方面也未作出具体规定,设计时,我们应综合考虑其结构安全性和用钢量,来确定结构设计。三、 常用的钢结构设计软件国内的钢结构软件水平相对较低，不过并不是一无是处，也可满足要求不高、结构较为简单的结构使用，且相对较为符合中国用户的习惯。国外著名软件，水平相对较高、对于用户的要求也相对较高，但是其结构严谨，前后处理均较为完善，
3、漏洞较少。目前美国市场的主流软件有STRAP、ROBOT、RISA、ETPAS、STAAD、GTSTRUL。这些软件水平相对较高，喜欢用那个软件全凭用户自己的好恶和习惯。不过现在在欧美，STAAD已远不如以前受追捧。轻钢结构最好用PKPM系列软件，PKPM界面通俗易懂。是目前市面上功能最强且内容最丰富的结构分析系统之一。大型钢结构三维设计软件中PRO/E也正异军突起，在钢结构设计软件中也占据一席之地。钢结构三维施工详图CAD/CAM软件STXT采用类似 CAD 的图形界面输入模型与荷载。该软件已经比较成熟，且操作比较直观。四、 STS 软件在钢结构设计中的结合应用1、STS 软件简介PKPM
4、系列软件是国内应用最广的一套一体化CAD 软件，曾获国家科技进步奖，是国内唯一自主平台的计算机辅助设计系统，现在已经成为了一个包括建筑设计、结构设计、设备设计，在结构设计中又包括多层和高层、工业厂房和民用建筑、上部结构和各类基础在内的综合CAD 系统，并正在向集成化和智能化的方向发展。中国建筑科学研究院PKPM CAD 工程部从1995年5 月开始组织力量，研究开发自主版权的钢结构CAD 软件STS ，该软件的研制以PKPM CAD 工程部自主开发的CFG中文图形支撑系统为平台，以PKPM 系列软件的PMCAD、PK 为基础。STS 的功能要求为： 是一体化的CAD 软件，功能包括从钢结构建筑
5、的模型输入、截面优化、结构分析、构件强度和稳定性验算、节点设计、直到施工详图绘制；软件可适用于多、高层框架，平面框架，连续梁，轻钢门式刚架，排架，框排架，支架，钢桁架等多种结构形式设计；还提供专业工具用于檩条、墙梁、抗风柱、柱间支撑、屋面支撑、吊车梁、蜂窝梁、组合梁等基本构件，梁柱节点、柱脚节点等连接的计算和绘图。用户包括各类设计院，钢结构企业，施工图审查单位等。图 1 钢结构设计软件STS主菜单STS软件要求操作简单，自动化程度高，界面友好，易学易用；施工图详图以标准图为准，并提供方便快捷的编辑工具；是PKPM 系列软件的一个模块，可以与其他模块接口；先使STS 成为国内主流的钢结构CAD
6、软件，再扩充国外规范版本，走向国际软件市场。2、STS 软件的技术条件作为专业的钢结构工程设计软件，必须符合国家现行的规范、规程和标准。STS 软件的研制主要依据有：钢结构设计规范（ GBJ17 - 88）；冷弯薄壁型钢结构设计规范（ GBJ18 - 87）；高层民用建筑钢结构技术规程（J GJ99 - 98）；门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102 ：98）；轻型钢结构设计规程（DBJ08 - 68 - 97）；另外，STS 软件遵循常用钢结构设计手册、标准图的规定。3、STS 软件功能简介模型输入STS 的模型输入可以采用三维方法和二维方法。三维建模采用人机交互方式，引导用户逐层地
7、布置各层平面和各层楼面，再输入层高就建立起一套描述建筑物整体结构的数据，三维建模程序具有较强的荷载统计和传导计算功能，除计算自重外，还自动完成从楼板到次梁，从次梁到主梁，从主梁到承重的柱、墙，再从上部结构传到基础的全部计算，加上局部的外加荷载，可方便地建立起整栋建筑的荷载数据。三维建模提供的截面类型有中国和世界各国的标准型钢及其组合截面，焊接H 型钢（包括楔形截面） 、圆管、箱形、Z 形、槽形等自定义截面，钢管混凝土、钢骨混凝土截面等丰富的截面形式，适用于各种结构形式的需要。二维建模数据可以由三维建模的数据生成的平面框架、连续梁的数据文件自动生成，也可以用人机交互方式生成，能方便地建立起平面杆
8、系结构的模型。二维人机交互建模可以建立各种类型平面杆系的框架、门式刚架、排架、框排架、桁架、支架、连续梁等多种结构形式的模型，对于门式刚架、框架、桁架、弧形轴线还提供了快速输入向导来快速输入，可以输入各种作用形式的恒载、活载、风荷载（可以自动布置） 、吊车荷载（包括抽柱吊车荷载） 和地震计算参数。二维建模提供的截面类型除了三维建模的截面类型外，还包括冷弯薄壁型钢及其组合截面，实腹式组合截面，格构式组合截面，组合梁，任意截面等类型。截面优化截面优化就是在满足规范要求的前提下，寻找用钢量最小的截面尺寸。STS 软件可以对轻钢门式刚架和钢桁架进行截面优化。门式刚架中常采用变截面构件，所以优化的约束变
9、量有大端、小端高度，上、下翼缘宽、厚，腹板厚度7 个因素，STS 软件能在自动或人工定义的变化范围内，快速地寻找到用钢量最小的截面尺寸。桁架优化可以进行杆件分组，分为一组的杆件在优化后具有相同的截面。优化程序速度快，适用性较好。结构分析和构件验算STS 的三维、二维建模数据可以分别接口三维分析程序和平面杆系分析程序进行结构分析和构件验算。三维分析程序包括PKPM 系列软件的空间分析设计软件TAT 和SATWE ，二维分析程序是STS 软件自带的平面杆系分析程序。结构分析和构件验算时程序自动进行结构内力分析和组合，进行构件的强度、稳定性验算。STS 的平面杆系分析程序可以按照钢结构设计规范， 冷
10、弯薄壁型钢结构设计规范， 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程， 轻型钢结构设计规程来进行构件验算（后两种规程适用于轻钢门式刚架） .节点设计和施工详图绘制在内力分析完成后，STS 软件可以延用三维、二维内力计算结果进行连接节点设计和施工详图绘制。施工图绘制是钢结构设计工作量很大的部分，STS 的施工图根据标准图编制，图纸提供详细的尺寸标注，焊缝标注，螺栓排列，零件编号，以及材料表和图纸附注说明，还提供了专业的施工图编辑工具。施工图的绘制考虑了钢结构施工图的特点，绘图采用了多种比例。对于多、高层框架结构，可以用空间分析程序计算，也可以用平面杆系的分析程序计算，STS 分别根据这两种内力结果进行节点设
11、计和绘制施工图。节点连接形式包括梁柱刚接、铰接节点，柱脚刚接、铰接节点，主次梁刚接、铰接节点，梁拼接节点、柱拼接节点等，这些节点又分别提供了多种做法供用户选择。节点设计是采用人机交互的方式输入节点形式，设计参数，程序自动计算螺栓数目，智能化的进行螺栓排列，计算有关焊缝的长度，厚度，自动进行节点加劲肋的设计，用户可以查询、修改设计结果。节点设计后进行梁、柱、节点的归并，施工图要包括梁施工图，柱施工图，柱脚和连接节点大样图。对于轻钢门式刚架，STS 能处理单跨、多跨、对称和非对称门式刚架。梁、柱截面可采用焊接H 形等截面或楔形截面形式，节点设计提供4 种梁柱刚接节点，2 种屋脊节点，4 种柱脚节点
12、，以及梁的拼接节点，柱牛腿的设计。节点设计可以全部自动完成，用户也可以修改节点设计结果，修改后还可以进行验算。施工图包括刚架整体施工图，柱脚和连接节点剖面图，异形腹板的放样图，以及构件详图。对于钢排架，STS 能自动收集吊车荷载，进行柱牛腿的设计，牛腿的尺寸允许用户修改。施工图包括排架柱施工图，柱脚剖面图，牛腿剖面图。对于钢桁架，STS 能设计由双角钢，单角钢，双槽钢，单槽钢组成的各种形式的钢结构桁架。自动作桁架的节点板连接设计和焊缝设计。画桁架的正立面，俯视图，节点大样图，现场拼接节点图和材料表。可作桁架对称设计，图面上详细标注支座构造，构件编号，节点板尺寸，焊缝长度和高度，填板数量等。设计
13、的结果可以交互修改。可以预设桁架起拱高度。对于钢支架，STS 能设计由焊接H 型钢、普通工字钢、标准H 型钢截面的立柱，双角钢，单角钢截面的支撑组成的钢结构支架。自动作支架的节点板连接设计和焊缝设计。画支架的正立面，俯视图，节点大样图和材料表。平面布置图绘制、用钢量统计对于采用三维建模的框架结构，在三维计算和全楼节点设计后，STS 软件可以根据全楼梁、柱、节点的归并结果，绘制各层梁柱平面布置图，标注梁、柱归并号，绘制各层构件表和全楼构件表。STS 还可以统计整个结构的梁、柱、支撑、次梁等构件的重量，绘制钢材订货表和钢材报价表。对于采用三维建模的轻钢门式刚架结构，STS 软件可以用人机交互的方式
14、布置屋面支撑、檩条、柱间支撑、墙梁，自动布置拉条，从而可以自动绘制屋面布置图和墙面布置图，统计整个结构的梁、柱、支撑、檩条、墙梁等构件的重量，绘制钢材订货表和钢材报价表。吊车梁、檩条、墙梁等其他计算、绘图工具STS 软件可以设计简支实腹式钢吊车梁，吊车梁截面可以是无制动结构，有制动板，有制动桁架三种形式，可以自动优选吊车梁截面，可以绘制吊车梁施工详图。STS 软件可以进行冷弯薄壁型钢檩条、墙梁的计算和施工图绘制，可以用人机交互方式绘制屋面支撑、柱间支撑、隅撑、抗风柱的施工图以及相关连接节点的大样图。自主图形平台，可与AutoCAD 图形文件互相转换STS 是国内唯一自主图形平台的钢结构CAD
15、软件，软件提供了专业的绘图工具和方便的图形编辑、打印环境，可以用OpenGL 方式来浏览结构整体模型，并且可以将STS 软件生成的T 图形文件（ PKPM 图形文件格式） 转化成Auto-CAD 的DWG图形文件，也可以将AutoCAD 生成的DWG图。五、 大型钢结构设计软件PRO/E1、 PRO/E钢结构设计软件的主要特点PRO/E三维设计软件通过与传统大型钢结构生产设计的结合应用，形成的大型钢结构三维设计与传统二维设计相比有了很大飞跃，集中体现在以下三方面：（1） 设计思路的开拓。基于PRO/E软件的三维设计采取自顶向下的设计思路，即先构架产品的整体框架模型，再依次进行单元件和零件的详细
16、设计。由于框架模型中多层次分布的骨架包含了整个产品的主要定位和参考信息，因此这种设计思路提升了产品主管对产品的整体把握能力。（2） 技术含量的提升。在PRO/E参数化设计技术下，由于所有点、线、面及实体等特征均通过可变尺寸参数和约束来控制，施工图的基本图面信息由三维模型自动生成，而且以骨架为首的尺寸和约束的改变将能快速驱动相关三维模型及二维工程图的关联性变更，因此与二维CAD技术下相对松散的图面信息组合方式相比，设计的严密性、精度及变更响应能力明显增强。（3） 可视化效果和过程控制力度的增强。三维设计将设计人员专业的三维空间想象变为直观的三维数字模型，使设计更贴近产品实物;而三维建模本身是对产
17、品制造和装配过程的数字化模拟，可使产品建造环节中的潜在工艺和技术问题在设计环节得到提前发现和解决。2、自顶向下的大型钢结构参数化三维设计流程在PRO/E软件自顶向下的参数化设计指导思想下，大型钢结构三维设计在流程上大体可分图1所示的设计准备、模型构造和图表生成三大节拍。 图1 大型钢结构三维参数化设计主流程2.1 大型钢结构的三维设计准备在以PRO/E软件为技术平台的大型钢结构三维设计过程中，设计准备节可按设计策划、方案设计和框架设计三个子环节依次进行。2.1.1 大型钢结构的三维设计策划在正式接到产品设计任务后，为保证后续设计环节正确有序的进行，需要进行包括以下四项主要内容的设计策划：（1）
18、 审图，首先应明确并及时消除设计院蓝图中潜在疏漏之处和不定因素，再针对钢结构横纵剖面的定位基准及板厚分布规律进行重点分析，然后签署审图意见，使设计蓝图具备三维设计条件。（2） 工艺拆分，即产品主管应结合厂内的工艺生产条件，进一步明确钢结构分/节段类型，并对各分/节段的横向和纵向进行板单元拆分及优化。（3） 制订出图计划，计划中应包含详细图纸目录、相关责任人及交图期。（4） 通用件规划，主要对在各分/节段间通用的零部件进行分类统计。2.1.2 钢结构产品三维框架模型的方案设计在PRO/E软件平台下，由于钢结构产品的三维框架模型实质上是一个自顶向下由装配件和骨架两类文件通过一定层次和一系列虚拟装配
19、关系组装起来的模型树，因此相应框架设计方案应主要包括装配树结构设计、骨架设计和装配关系设计三部分。第一：产品框架模型树结构设计。在大型钢结构产品的装配树结构设计环节，主装配结构通常为产品分/节段单元件三个装配级，骨架应分别布局于这三级装配组件下;同时结合产品的具体工艺及生产组织等特点，主装配结构可作适当调整。第二：产品框架模型骨架设计。在装配树结构设计完成后，首先应根据骨架的布局及联系和自顶向下的思路明确各装配级骨架之间的继承方案，保证骨架对整个产品模型具有足够的控制能力，然后针对典型骨架进行建模方案的总体规划，最后分别对各具体骨架的建模方案进行详细设计。第三：产品框架模型树装配关系设计。为确
20、保产品框架模型结构紧凑，应按照以下规则进行装配关系设计：（1） 按缺省装配、坐标系对齐装配、正装配（指三对装配面均对齐）和反装配（指两对装配面匹配、一对装配面对齐）顺序依次选用装配类型;（2） 装配特征优先参考骨架;（3） 根据零部件（在斜轴侧视角下）独立显示时结构侧可见的原则确定与上级装配体的正反装配关系。2.1.3 钢结构产品三维框架模型设计产品框架模型的方案设计完成后，可进行框架模型的三维设计，通常相对完整的框架设计依次可分为以下两个主要流程：（1） 架构产品顶级装配，依次包括创建产品总装配体、创建并编辑产品的纵、横向总骨架、创建并装配产品的各分/节段装配件;（2） 对各分/节段进行框架
21、设计，依次包括在分/节段下创建并编辑分/节段骨架、创建并装配各横纵向单元件以及在各单元件下创建并编辑相应骨架。对于复杂产品，在保证对产品有效控制力度的前提下，可对分/节段以下框架设计任务进行并行设计分工，以缩短设计周期并有助于设计人员平稳进入设计角色。2.2 大型钢结构产品三维实体模型构造根据大型钢结构产品零件特征简单而装配结构关系复杂的特点，分/节段三维实体建模应遵循以下规则：（1） 缺省装配和骨架参照优先：即对新创建的零部件尽可能采用缺省装配，以降低装配难度;零件的实体特征设计及装配尽可能参照骨架，以保证骨架对模型自顶向下的有效控制。 某桥的三维模型（2） 零件实体特征的生成以拉伸为主、挖
22、补为辅：即对于矩形板或型材，通常根据横截面特征拉伸生成实体;而对于异形板，通常先按基本外形轮廓沿板厚方向拉伸成实体，再通过局部挖补得到异形实体特征。在以上建模规则下，分/节段的三维实体建模可按以下流程进行：（1） 创建并用缺省装配关系装配首次出现的单元件;（2） 完成各单元件下零部件的创建装配及特征建模;（3） 引入并装配重复出现的单元件和通用件;（4） 完成分/节段散件的创建、装配及特征建模;（5） 填写分/节段三维模型的材质、规格及工艺路线等工艺信息;（6） 对三维模型进行完整性和正确性检查及模型完善;2.3 大型钢结构三维设计的图表生成根据大型钢结构由零件单元件分/节段的制造模式，设计人
23、员需依次提供下料、装配制作施工图。2.3.1 完善零件图的出图流程目前下料施工图主要由自主开发的套料软件通过套料设计生成，PRO/E软件主要通过零件分离向套料软件提供带有工艺信息和标识的零件平面图，零件分离主要包括三个流程：（1） 零件后处理：按产品装焊工艺要求，对零件边缘加放余量、补偿量等工艺信息，得到零件的下料轮廓;（2） 生成零件平面视图;（3） 完善零件图：在零件二维平面图上增加坡口、关键尺寸等标识信息。2.3.2 制作施工图的出图流程及主要技术方案目前制作施工图均采用规定形式，以下列以单元件图册的出图流程：（1） 创建图册文件并添加各单元件三维模型作为对象关联;（2） 生成各单元件视
24、图;（3） 完善单元件图面信息，包括创建球标、画辅助线、出示意图、标注尺寸、符号和插入注释等。前一页单元件图完成后，后续单元件出图可按照（2）（3）步骤依次进行。分/节段制作图的出图特点主要在于关联对象为分/节段三维模型，有专门配套表内页，且三维模型与图册页面呈一对多关系。在用PRO/E出单元件和分/节段总成图过程中，针对常见技术问题提出以下解决方案：（1） 复杂视角和剖面的定义：通过在三维建模环境下分别通过重定向视图工具和视图管理器中实现，当视角方向与剖面垂直时，可在同一视图中配合使用;（2） 视图辅助信息的生成：首先在绘图环境下根据BOM表球标，实现了视图中各零部件的快速自动关联标识，其次
25、通过线草绘或偏置视图边界获得视图的辅助线信息，解决了辅助尺寸的标注问题，再者通过建立标准符号库解决了焊缝等符号的标识问题;（3） 示意图的生成：由于示意图通常包含工艺信息，在理论三维模型中体现代价很大甚至无法体现，为此提出两种解决方案：第一，三维模型关联生成法，即先根据示意图的特征建立相应三维模型，然后将三维模型关联到绘图中，生成相应视图;第二，图元绘制法，即在绘图环境下通过线草绘等功能获取示意图图元信息。3、系统集成环境下的大型钢结构三维设计在与传统大型钢结构生产设计的结合应用过程中，PRO/E作为设计软件，主要提供更先进的设计平台和产生更好的信息载体，而三维设计价值的充分体现还有赖于整个设
26、计管理体系的架构。鉴于此，采取了先将PRO/E软件与数据管理软件集成，然后以数据管理软件为信息管理中枢，实现三维设计信息对套料软件等系统软件有效控制的总体集成方案。通过系统集成，大型钢结构三维设计尤其在组织工作模式和套料管理方面产生了积极影响。3.1 大型钢结构三维设计组织工作模式的改善在仅有PRO/E软件的环境下，大型钢结构产品的三维设计主要采用文件共享的工作模式。即在共享工程项目文件夹中建立框架模型总装配体、各分/节段和通用件子文件夹，各团队成员然后在共享文件夹上进行相应分/节段的三维设计。而在系统集成的环境下，团队三维设计主要采取本机建模与定期入库相结合的方式。即先将产品的框架模型入库到
27、数据库，再通过数据管理软件将分/节段设计任务分给设计人员，设计人员通过身份验证访问数据库，找到相应设计任务并提取相应的框架模型到本机，便可在本机进行三维建模，待建模到一定阶段再将设计数据送回数据库，实现数据更新。这种系统集成的三维设计工作模式更有助于提高团队三维设计整体效率和数据管理控制力度。3.2 大型钢结构套料管理模式的改进在系统集成前，PRO/E软件主要向套料软件提供完善零件图，套料设计的管理主要通过经验控制;而在实现了系统集成后，由PRO/E软件产生的三维设计信息作为信息载体的作用在套料设计环节得到了充分的发挥。通过管理软件的数据处理，套料任务的创建、套料零件清单的编辑以及套料零件装焊
28、去向的记录均可在产品三维模型的模型树上进行，而套料任务中零件的筛选也可严格按照产品三维模型中定义的材质、板厚等工艺参数进行，从而实现了三维设计信息对套料设计的准确管理控制。六、 钢结构三维施工详图CAD/CAM软件STXT简介钢结构三维施工详图CAD/CAM软件STXT，采用人机交互的方式建立实际结构的三维模型，包括主要构件（梁、柱、支撑等）和细部连接零件（螺栓、焊缝、连接板、加劲肋等），所有构件和连接零件采用了和真实结构相同的实体模型来表示，要绘制的施工图（构件施工详图、零件下料图、安装节点图、平面布置图、立面布置图、零件清单等）都可以由三维模型自动生成；可以产生用于数控机床加工的零件数据文
29、件。STXT软件可以通过自动设计生成、对话框快速创建、自定义创建三种方法建立细部连接数据，快速创建的节点类型有258种；可以接口PKPM结构设计软件（STS，PM，SATWE，TAT，PMSAP）的模型和内力、STS全楼节点设计结果，进行详图设计。建设部组织的专家验收委员会一致认为该项目的研究成果填补了国内空白，总体上达到了国际先进水平。软件适用于钢结构制造加工单位，钢结构施工单位，钢结构设计单位。用STXT进行单层工业厂房详图设计 用STXT进行多、高层钢结构详图设计用STXT建立的梁柱节点三维模型用STXT建立的主次梁节点三维模型七、 结语通过各种软件与钢结构三维设计的结合应用，传统钢结构的生产设计在设计思路、技术含量以及组织工作模式等方面上都有明显提升。随着应用的不断深入，各种钢结构软件的技术潜力和集成优势将得到不断的挖掘和显现，三维设计流程将得到进一步优化，三维设计的技术含量将得到进一步提高，三维设计信息的使用价值将得到不断提升，传
