空间网格结构钢屋盖体育场钢结构深化设计方案

第八章深化设计方案

第一节钢结构深化设计

-概述

体育场钢结构工程为单层折面空间网格结构，由20个形状相近的结构单元双轴对称

构成，平面形状为椭圆形，平面尺寸285mx270m,屋盖悬挑长度51.9〜68.4m。

钢屋盖呈马鞍形，由外圈和内圈组成，最高点高度为44.1m,外圈高差为12m,内圈

高差为8.6m。主杆件为铸钢圆管和焊接钢管，直径范围为中700〜中1400mm,壁厚为12〜

140mm(未包括铸钢节点)；次杆件为焊接箱形截面杆件；节点采用焊接节点和铸钢节点

两种形式。

-深化组织机构

1钢结构深化设计组织框架图

组织31位参加过类似工程的技术人员进行体育场钢结构深化设计，组织框架如下图:

2深化设计人员岗位责任

(1)深化设计组长：负责整个项目深化设计的协调与管理；

(2)专家顾问组：负责重大技术问题的解决和把关；

(3)计算分析组：负责结构优化及节点分析与计算，预拼装及吊装方案设计与计算

等；

(4)施工详图设计、审核组：负责施工详图的设计，由审核工程师负责对图纸审核;

(5)工厂、现场配合组：负责工厂加工及现场安装等有关图纸协调、服务；

(6)软件开发组：针对工程结构特点开发一些辅助钢结构工程详图设计的程序。

三深化设计管理程序及质量、工期的保证措施

1深化设计管理程序

2深化设计质量的保证措施

加强设计过程质量控制，始终贯彻“预防为主，防检结合”的深化设计原则，落实各

级岗位责任制和三级审核制。

（1）整个工程全部采用计算机三维实体模拟建模，应用专业软件自动生成深化设计

细部图纸和相关尺寸数据；

（2）重点与设计院、加工厂、安装单位协调沟通，充分了解掌握加工厂和安装单位

的需求，使设计成果与具体需求吻合，将设计、加工、安装问题发现和解决在初期阶段，

少走深化设计弯路；

（3）做好深化设计应急预案，妥善解决各种突发情况；

（4）制定严格、科学的设计思路和实施方案；

（5）将各岗位人员全部纳入全面质量管理体制活动中并处于受控状态，按岗位责任

制的规定，围绕质量开展深化设计。

（6）深化设计图纸采用自审、互审、专业审核的三级审核制，项目设计人负责自审，

项目设计人之间互审，由专家顾问组对钢结构深化过程出现的重大问题进行讨论把关；审

核内容：原设计图及变更资料、计算模型及计算书、深化设计三维模型、深化施工图纸等,

包括如下细部：

a、结构及节点计算模型、计算书；

b、轴线及标高尺寸；

c、型材及板材规格尺寸；

d、材质;

e、连接节点的正确性及合理性；

f、螺栓规格尺寸及孔位；

g、焊缝的正确、合理性；

h、视图对应关系及表达的完整性；

i、与原设计的一一对应关系；

j、设计变更资料的处理；

k、图面排布和整套图纸的完整性。

3深化设计工期的保证措施

（1）为保证工期，安排主要设计人员对图纸进行研究，并做好人员筹备安排，为正

式深化设计作准备。一旦接到中标通知书，马上进入深化设计状态。利用订立承包合同前

的时间段，完成线模型、节点初步选型及验算、重难点攻克及对原设计图的深入透彻理解,

准备好设计技术交底资料等。

（2）根据加工安装的顺序，分阶段进行图纸深化设计和提交设计图纸，具体分为备

料图及材料清单的提供、预埋件的深化设计、主体钢结构深化设计、辅助钢结构深化设计

四个阶段。每一阶段图纸完成后及时提交施工详图到安装、设计单位进行确认，审核后及

时反馈审核意见，根据审核意见修改调整后发图施工。

（3）由长期配合的人员组成深化设计项目部，缩短准备和相互磨合的时间，安排数

量充足的深化设计人员，根据每个设计人员的专业特长，合理分工，人尽其才；

（4）同时建立多个模块、各类人员交叉作业；

（5）密切关注工程进展动态，及时调整深化设计人员的分工与数量，确保整个工程

的顺利进行；

（6）加强与设计院和加工厂的协调沟通，在深化设计初期阶段及早发现和解决问题,

充分了解、掌握加工厂和安装单位的需求，使设计成果与需求吻合，少走深化设计弯路；

（7）派驻加工厂和施工现场提供技术服务，做好各方面的沟通协调工作，及时准确

地了解原设计、施工现场的设计变化，及时反应到深化设计成果中；

（8）做好深化设计应急预案，妥善解决各种突发情况。

（9）制定严格、科学的设计思路和实施方案，作好深化设计总体部署。

4深化设计周期安排

本工程钢结构深化设计图纸量约为300张A2图，每批图纸的深化设计周期约为40天。

深化设计周期安排

序号深化设计阶段日历天备注

1深化设计项目部组建/合同订立前进行

2继续熟悉图纸、提出疑问/合同订立前进行

3重难点攻克、确定深化方案/合同订立前进行

4节点初步选型及验算/合同订立前进行

5结构单线建模/合同订立前进行

6由原设计及招标人交底2合同签订后第二天

7交底后进行调整2/

8计算机实体建模5/

9节点构造设计及计算、建模11交叉进行

10生成深化设计图12交叉进行

11三校、三审8交叉进行

12分批送原设计审核/合同订立后30天起

13深化设计周期40

四深化设计应用软件

1AutoCAD绘图软件

AutoCAD是现在较为流行、使用很广的计算机辅助设计和图形处理软件。在CAD绘图

软件的平台上，根据多年从事钢结构行业设计、施工经验自行开发了一系列详图设计辅助

软件，能够自动拉伸各种杆件截面，进行结构的整体建模；构件设计自动标注尺寸、列出

详细的材料表格；节点设计能够自动标注焊接形式、螺栓连接形式、统计出各零件尺寸及

重量等。体育场钢结构球型支座及铸钢节点深化设计比较复杂，采用灵活性能比较好的CAD

绘图软件进行详图设计。

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2Xsteel绘图软件

TeklaStructures(Xsteel)软件属于建筑信息模型(BIM),它将原设计、深化设

计的过程按平行模式进行了流程化处理，很大程度上提高了深化设计效率并降低了错误

率。Xsteel软件大致可归为以下四类功能：

（1）结构三维实体模型的建立与编辑；

（2）各种节点三维实体模型的连接与装配；

（3）构件、零件的编号与加工详图的绘制；

（4）用钢量统计；

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Xsteel工作环境

3Sap2000计算分析软件

结构整体计算选用了美国ComputersAndStructures公司研制开发的大型有限元程

序SAP2000。计算模型采用空间三维实尺模型；网格的钢构件选用三个节点，六个自由度

的frame单元，该单元可以考虑拉（压）、弯、剪、扭四种内力的共同作用。拉索采用索

单元（仅受拉，不受压和不受弯）模拟，胎架则采用仅受压、不受拉的frame单元模拟。拉

索和网架之间的撑杆采用拉压二力杆单元。为了更能准确模拟拉索张拉，考虑了结构的大

变形和应力刚化的影响。计算表明，这样模拟具有很高的精度。

£3SAP2000

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Sap2000工作环境

4Ansys节点有限元分析软件

体育场钢结构工程的典型节点设计采用ANSYS有限元计算软件进行分析，建立计算模

型时，考虑到实体模型直接由AUTOCAD导入，计算采用适合于复杂模型自由划分网格的单

元，每个结点三个自由度，即X、Y、Z方向的位移，如图所示。单元具有塑性、大变形、

应力强化等性质。

BISOT«bl«ForMasrXel

10结点S0LID92材料的应力一应变曲线

计算中考虑材料非线性。构件材料大多Q345B、Q390-B,Q390GJ-C、LX420、GS-20Mn5V

钢，屈服准则为适合金属材料的Mises及其相应流动准则，定义材料为双线性等效强化，

根据钢材强屈比和延长率的规范规定，确定钢材强化阶段的切线模量及为弹性模量的

1/100,比采用理性弹塑性模型更接近于实际。钢材料的应力-应变关系如上图所示。

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Ansys工作环境次杆件节点分析示意图

5solidworks软件

SolidWorks是Window原创的三维设计软件。其易用和友好的界面，能够应用在整个

产品设计的工作中，SolidWorks完全自动捕捉设计意图和引导设计修改。在SolidWorks

装配设计中可以直接参照已有的零件生成新的零件。无论设计用“自顶而下''方法还是〃自

底而上”的方法进行装配设计，SolidWorks都将大幅度地提高设计的效率。SolidWorks有

全面的零件实体建模功能，其丰富程度有时会出乎设计者的期望。用SolidWorks的标注

和细节绘制工具，能快捷地生成完整的、符合实际产品表示的工程图纸。体育场钢结构工

程的典型节点如下：

solidworks工作环境示意图

五深化设计依据与原则

1设计依据

业主提供的招标文件及相关技术资料；

设计单位提供的原设计图及相关技术文件、招标及答疑文件；

体育场钢结构工程除满足以上所列规范和规程外，尚应按国家相应的设计和施工现行

标准、规范和规程执行。

2计算设计总则

2.1节点设计的原则

（1）设计文件无明确要求时，所有节点按等强连接设计；

（2）节点设计要尽可能响应原设计，如发现原设计确需改进，则提出合理化建议，

由原设计审核确认后，方可按合理化建议的节点形式设计；

（3）设计过程中有义务对原设计进行合理优化；

（4）所有节点的设计，除满足强度要求外，尚应考虑结构简洁、传力清晰以及现场

安装的可操作性；

（5）材料长度不够引起的对接焊缝，其拼接位置应满足《钢结构工程施工质量验收

规范》（GB50205-2001）的要求；

3主杆件分段原测

1）由于受运输条件的限制，分节长度不大于18000mm；

2）每根主杆件附带米字形节点或次杆件牛腿，牛腿长度不小于300mm,,同时相邻两

牛腿间间距不小于300mm；

4）除结构图注明外，单节接长长度不小于2500mm,

5）现场拼接处设置临时安装耳板和连接板；

6）暂不考虑后装区域构件的分段；

7）分节位置不能选择在主杆件的变截面处；（铸钢节点除外）

3.2马道构件的分段原则

分段方法：马道所有杆件和小件在加工厂拼装和焊接，分段长度根据运输条件尽量分

长，分段点在同一单元格内，上下悬的分段点错开，立面两根斜腹杆和平面一根斜腹杆为

4临时耳板和吊耳板及连接板的设置原则

4.1铸钢节点区域

采用耳板和耳板相组合为吊耳板，便于制作和安装焊接，不再另做吊耳，相对应的主

杆件起端耳板可参照附图执行，耳板到端口的距离根据壁厚和坡口做相应调整，同时考虑

对接口处坡口间隙，连接板的长度也做相应调整，见附图和说明；

4.2主杆件接口

所有主杆件连接，原则上按照常规的连接方式，由深化单位自行设计，安装单位不做

具体要求，可参照附图执行，耳板到端口的距离根据壁厚和坡口做相应调整，连接板的长

度也做相应调整，见附图和说明；

4.3特殊主杆件接口

根据现场安装施工需要，肩峰与肩骨间主杆件同肩峰铸钢节点在现场组合成“八”字

形后高空安装，吊耳在安装过程中受力增加，该部分主杆件吊耳根据深化重量调整加大；

4.4主次杆件和小次杆件

每端设置一个单吊耳，考虑到安装单元内局部构件组合后高空安装，耳板和连接板位

置和尺寸可参照附图执行，深化单位深化后可根据单元内构件重量进行优化。

4.5节点计算取值及方法

4.5.1节点计算材料强度的设计取值：

(1)板材的强度设计值(N/mm?)

材料(厚度t)抗拉、抗压和抗弯(ft)抗剪(fv)端面承压(fee)

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Q345

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GB

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Q390

36WtW50315180415

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(2)焊缝的强度设计值(N/mm2)

母材对接焊缝角焊缝

焊缝等级为下列级别时的

材质厚度

抗压抗拉和抗弯抗剪抗拉、压、剪

一级、二级三级

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17WtW35295295250170200

Q345

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Q390

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4.5.2焊接连接

1)角焊缝有效焊厚(h)

(1)直角焊缝的有效焊厚(he)示意图:

(2)斜角焊缝的有效焊厚(he)示意图:

有效焊厚(he)

两焊角边

60〜90°91-100°101-106°107-113°114-120°

的夹角

有效焊厚

0.7h0.65hf0.60h0.55hr0.50h

(he)fff

2)角焊缝的有效面积(A,)

A,=h.XL.(L*为有效焊缝长度)

3）角焊缝的强度计算式

当力垂直于焊缝长度方向时：

当力平行于焊缝长度方向时：

注：氏为正面角焊缝强度设计值增大系数，结构承受静力和间接动载时工・=1.22；

结构承受动载时=1.0；

对接焊缝的强度计算：由于在节点设计原则和焊接节点连接形式的设定中已指定对接

焊缝，为全熔透一级焊缝，因此不必进行焊缝强度计算。

六深化设计格式

1深化施工详图的表达内容：

1.1图纸目录内容

（1）深化设计图号

（2）构件号、数量、重量、构件类别

（3）图纸的版本号以及提交的日期

（4）其它资料

1.2钢结构深化设计总说明内容

（1）工程概况及设计依据（主要为遵照的设计、施工规范、规程）；

（2）钢材、焊接材料、螺栓、涂料等材料选用说明、依据及建议；

（3）加工、制作、安装及除锈涂装（包括防火）的技术要求和说明；

（4）焊接、除锈、涂装等工艺的质量要求；

（5）构件的几何尺寸以及允许偏差；

（6）焊接坡口形式、焊接工艺、焊缝质量等级及无损检测要求；

（7）加工、制作、安装及涂装（包括防火）需要特别强调的事宜；

（8）构造、制造、运输等技术要求；

（9）图例说明；

（10）其他需要说明的内容。

1.3结构及节点计算书

在结构的整体分析及计算过程中，对结构形式、结构布置、材料种类、节点类型向设

计单位提出详细的建议；对焊接连接、螺栓连接、节点板和加劲肋进行计算和完善；给出

详尽合理的预拼装及吊装方案；

1.4构件加工图内容

（1）构件细部、材料表、材质说明、构件编号、焊接标记、连接细部、锁口和索引

图等;

（2）螺栓统计表，螺栓标记，螺栓规格；

（3）轴线号及相对应的轴线位置；

（4）加工、安装所必须具有的尺寸；

（5）安装方向；

（6）图纸标题、编号、改版号、出图日期;

（7）加工厂及安装所需要的必要信息。

1.5零件详图

尺寸表达完整，须满足加工要求。

2深化设计图视图方向

\3B.

针对于本工程深化设计的视图方向

3图纸、文书的尺寸设定

体育场钢结构工程的图纸和资料均使用A系列纸张，即AO、AKA2、A3和A4,具体

尺寸规格如下：

AO：841mmX1189mm

Al：594mmX841mm

A2：420mmX594mm

A3：297mmX420mm

A4：210mmX297mm

4绘图通常采用的比例

索引图：1/200、1/400、1/60

构件详图：1/20、1/30、1/50

局部详图：1/5.1/10

安装布置图：1/100,1/50

七深化设计步骤

针对体育场钢结构工程的特点以及以往工程的设计经验，将根据具体的设备和工艺状

况，采用国际上较流行的通用有限元程序SAP2000作为验算程序来进行较核，对结构形式、

结构布置、材料种类、节点类型向设计单位提出详细的建议；节点验算采用通用有限元程

序Ansys10.0进行分析，对焊接连接、螺栓连接、拱支座、节点板和加劲肋进行计算和

完善，给出详尽合理的预拼装及吊装方案；采用AutoCAD和Xsteel软件相结合的方式完

成体育场钢结构工程的深化设计，自动生成满足加工和工艺所需的施工图纸、数据。

1结构分析

导入SAP2000的计算模型

恒载作用下结构整体变形分布图

1.2节点验算采用通用有限元程序AnsysW.O进行分析

（1）按荷载规范选取恒载、活载、风载（左风与右风）、地震荷载（按地震反映谱

分析得到）、温度荷载，在个荷载工况及组合下进行结构线形分析，校核应力及位移是否

满足规范。

（2）结构自重（考虑一半的活载下）的自振分析，找出结构的薄弱环节。

（3）进行控制荷载组合下的极限承载力分析，反应结构的薄弱环节。

（4）考虑材料弹塑性特性的变形分析，跟踪结构的加载路径，确定实际承载力。

肩谷点铸钢节点有限元计算模型图单元等效应力图

背谷点铸钢节点有限元计算模型图单元等效应力图

50000500CO

背峰点铸钢节点有限元计算模型图单元等效应力图

2深化设计

2.1铸钢节点采用AutoCAD设计详图

根据原设计图进行主结构的三维实体建模；按铸钢件设计图在杆件节点处对铸钢件支

管分段，并按杆件受力性能划分主次，使次要杆件被主要杆件裁切（差集），从而自动生

成杆件端口的空间相交曲线；第三步，对其节点杆件进行合并，使之成为一个整体的构件

（并集），并根据设计图纸的要求对其构件的相交线进行倒角；第四步，形成深化设计图。

利用三视图原理，投影、剖面生成深化图纸上的所有尺寸，包括杆件长度、断面尺寸、

杆件相交角度均是在杆件模型上直接投影产生。因此，钢结构深化图在理论上是没有误差

的。

2.2相对简单的次结构采用Xsteel软件设计详图

AutoCAD与Xsteel中的实体模型可互相导入，两套软件设计出来的构件，理论上数据

完全吻合。软件对话框如下图所示:

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2.2.1整体三维实体模型的建立与编辑

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