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本文對(duì)鋼結(jié)構(gòu)、Tekla及建筑工業(yè)化廠商對(duì)于Tekla的開發(fā)和應(yīng)用情況進(jìn)行了簡要介紹,并對(duì)三維軟件與二維軟件在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)中的使用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。

鋼結(jié)構(gòu)類型

根據(jù)日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)編寫的《鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)總覽》一書,鋼結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)分為四類:

多高層建筑

包含:框架結(jié)構(gòu),支撐結(jié)構(gòu)、框架-支撐結(jié)構(gòu),筒體結(jié)構(gòu),巨型結(jié)構(gòu)。

小規(guī)模空間結(jié)構(gòu)

主要指桁架結(jié)構(gòu)。

空間結(jié)構(gòu)-組合張拉結(jié)構(gòu)

包含:空間網(wǎng)格,拱、穹頂,索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu),雜交張拉結(jié)構(gòu)。

體系化建筑

包含:樓房型體系化建筑,金屬框架系統(tǒng)建筑(即國內(nèi)門式鋼架系統(tǒng)),體系化桁架(即國內(nèi)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)),預(yù)制住宅,鋼龍骨結(jié)構(gòu)房屋。

我國鋼結(jié)構(gòu)主要用于工業(yè)建筑,如工業(yè)廠房,火電站,煉鋼廠,焦化廠,化工廠等。工業(yè)建筑都是服務(wù)于其特定生產(chǎn)工藝的,雖然這些建筑主要分為門式鋼架結(jié)構(gòu),框架-支撐結(jié)構(gòu)和塔架結(jié)構(gòu),但不同類型的建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜度差別較大。這主要體現(xiàn)在構(gòu)件截面尺寸多樣及節(jié)點(diǎn)形式復(fù)雜多樣。

這些年我國鋼結(jié)構(gòu)在民用建筑中的應(yīng)用有所增加,尤其是醫(yī)院、學(xué)校、商場(chǎng)、寫字樓等多層、高層、超高層建筑。我國民用鋼結(jié)構(gòu)正在朝著與日本相似的方向發(fā)展。

鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)與制作

鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)是把設(shè)計(jì)院的結(jié)構(gòu)施工圖轉(zhuǎn)化為制作加工圖的一項(xiàng)工作。

鋼結(jié)構(gòu)制作全過程見下圖。紅框加工圖即為深化設(shè)計(jì)的主要輸出成果。

加工圖按照內(nèi)容主要分為三類。

一般圖:平面圖,立面圖,預(yù)埋件圖等。

標(biāo)準(zhǔn)圖:節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)圖,焊接標(biāo)準(zhǔn)圖,各種附屬金屬件的配置、標(biāo)準(zhǔn)圖等。

詳圖:柱,大梁,小梁,間柱,支撐及其他構(gòu)件的詳圖。

國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)與日本大體相似,但輸出資料有諸多不同。

例如:國內(nèi)一般只制作詳圖和平、立面圖。連接標(biāo)準(zhǔn)圖及焊接標(biāo)準(zhǔn)圖等標(biāo)準(zhǔn)圖則直接使用設(shè)計(jì)院的結(jié)構(gòu)圖,并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)圖集。這樣的好處是減少了深化設(shè)計(jì)的工作量,缺點(diǎn)是缺乏對(duì)節(jié)點(diǎn)及焊接的進(jìn)一步優(yōu)化,相應(yīng)的工作量轉(zhuǎn)而由加工制作單位自行消化。

例如:國內(nèi)詳圖會(huì)在圖紙中表達(dá)零件圖及材料清單,這一點(diǎn)與歐美類似,而日本鋼結(jié)構(gòu)詳圖則不包含此項(xiàng)內(nèi)容。材料清單以單獨(dú)的文件形式提供。零件圖在放樣圖階段提供。

與加工圖密切相關(guān)的還有三項(xiàng)工作內(nèi)容:備料表,放樣圖,套料資料。

備料即材料清單,以單獨(dú)的文件形式提供。其內(nèi)容不但包括零件編號(hào)、構(gòu)件編號(hào)、材質(zhì),截面等基本信息,還包括裝配位置、焊接類型、焊縫長度、孔等更為詳細(xì)的信息。

與國內(nèi)詳圖不同,日本的詳圖并不直接用于制作,只是用于表達(dá)和確認(rèn)最終成果物。在詳圖的基礎(chǔ)上會(huì)結(jié)合工藝進(jìn)一步制作成放樣圖,用于加工制作。

套料資料包含相應(yīng)的圖紙和表格。套料是將項(xiàng)目中用到的板材、型材等零件進(jìn)行組合,提高下料工作中原材料的利用率,減少損耗。

鋼結(jié)構(gòu)加工廠生產(chǎn)線與設(shè)備

鋼結(jié)構(gòu)加工相關(guān)設(shè)備主要有焊接設(shè)備,切割設(shè)備,矯正設(shè)備,除銹設(shè)備,鉆孔設(shè)備,坡口加工設(shè)備等。

除復(fù)雜節(jié)點(diǎn)部位和超厚板需要人工焊接以外,其他焊接均使用半自動(dòng)焊接及自動(dòng)焊接設(shè)備。

Tekla公司

1966年Teknillinen laskenta公司成立,起初承接自動(dòng)數(shù)據(jù)處理,咨詢,開發(fā),工程運(yùn)算等業(yè)務(wù)。

1980年Teknillinen laskenta公司更名為Tekla。

1990年Tekla推出用于工程運(yùn)算規(guī)劃軟件產(chǎn)品,稱為“X”產(chǎn)品系列。該系列產(chǎn)品最初為用于道路設(shè)計(jì)的Xroad及城市設(shè)計(jì)的Xcity。

1993年Tekla推出鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件Xsteel。該軟件經(jīng)過不斷技術(shù)積累與改良,在2004年更名為Tekla Structures(以下簡稱TS)。新版本軟件擴(kuò)展了功能,支持鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)。可以說,早在Autodesk收購Revit并在2002年開始推廣BIM概念之前,TS及其早期版本Xsteel就已按照BIM概念進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2011年美國Trimble公司收購了Tekla公司,并在2012年從AceCad公司收購了幾乎與TS齊名的StruCad軟件業(yè)務(wù)。StruCad軟件中的部分功能被整合到TS中,StruCad不再推出后續(xù)版本。從此,Tekla在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)領(lǐng)域稱雄。

相關(guān)資訊

Tekla在2000年左右進(jìn)入中國市場(chǎng),并于2004年開始在廣東和上海流行。盜版軟件的存在和使用加速了這一流行趨勢(shì)。至2007年,幾乎上海所有的鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)公司都已使用Tekla進(jìn)行工作。2010年上海世博會(huì),大量的鋼結(jié)構(gòu)場(chǎng)館都使用Tekla進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。

Tekla公司軟件產(chǎn)品

TeklaStructures

為任何可能的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建精確、易于施工的模型。

TeklaStructural Designer

使工程師可以經(jīng)濟(jì)高效地分析和設(shè)計(jì)建筑。

TeklaTedds

自動(dòng)執(zhí)行重復(fù)的結(jié)構(gòu)計(jì)算。

TeklaBIMsight

是一個(gè)免費(fèi)的施工項(xiàng)目協(xié)作專業(yè)工具,任何人都可以用它來組合模型、檢查沖突和共享信息。該軟件類似于輕量化模型工具。

TeklaField3D

是一個(gè)易于使用的 3D 工具,它可在移動(dòng)設(shè)備上使用建筑信息模型。

TeklaCivil

是一個(gè)基于模型的綜合性解決方案,可以滿足大型土木工程設(shè)計(jì)需要。

Tekla Structures

TS用三維的方式解決了二維工作難題。

二維工作方式的兩個(gè)難題。

一是工程師能力約束。無論是使用繪圖板還是CAD軟件,工作方式并未發(fā)生本質(zhì)改變,依然是以人腦輸出圖紙的方式工作,這使得深化設(shè)計(jì)對(duì)工程師的要求較高。工程師不但要有一定的鋼結(jié)構(gòu)背景知識(shí),還要有較好的空間想象和空間思維能力,否則難以保證工作成果的正確性。

二是圖紙關(guān)聯(lián)性約束。雖然在CAD軟件的幫助下可以大幅度提高繪圖效率,但是依然無法解決圖紙關(guān)聯(lián)性問題。例如平面圖,立面圖,剖面圖需要分別繪制。如果一處內(nèi)容發(fā)生修改,則需要分別修改平面、立面和剖面圖。

TS三維模型提供了新的工作方式。

有了一個(gè)直觀可見的三維模型后,工程師的大腦得到了一定程度的解放,深化設(shè)計(jì)工作不再依賴于空間想象和空間思維能力。三維模型使得構(gòu)件碰撞問題得以解決,工作成果的正確性得到了極大的保障。

引入三維模型后,三維模型成為了各種圖紙的關(guān)聯(lián)源頭,圖紙只是三維模型的二維表達(dá)。平面、立面、剖面圖可以自動(dòng)根據(jù)模型創(chuàng)建,且如果模型發(fā)生了修改,圖紙也會(huì)自動(dòng)更新。圖面中的很多內(nèi)容都支持模板定制,實(shí)現(xiàn)所需表達(dá)效果。

費(fèi)時(shí)耗力的節(jié)點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)中最為費(fèi)時(shí)耗力的就是節(jié)點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn)主要分為焊接節(jié)點(diǎn)、螺栓節(jié)點(diǎn)和栓焊組合節(jié)點(diǎn)。焊接節(jié)點(diǎn)主要使用在工廠,螺栓節(jié)點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)使用。節(jié)點(diǎn)形式復(fù)雜多樣,同類型的節(jié)點(diǎn)因截面大小又有不同的變化。例如焊接節(jié)點(diǎn)因要保證強(qiáng)度,所以對(duì)節(jié)點(diǎn)板尺寸、厚度、材質(zhì)和焊接長度有要求,此二項(xiàng)會(huì)隨構(gòu)件截面而變化。螺栓節(jié)點(diǎn)因要保證強(qiáng)度,所以對(duì)節(jié)點(diǎn)板尺寸、厚度、材質(zhì)和螺栓排布有要求。

在二維工作方式下,需要根據(jù)不同構(gòu)件截面尺寸繪制節(jié)點(diǎn)。若同規(guī)格構(gòu)件的布置有多種角度變化(例如支撐),則需要針對(duì)不同角度的構(gòu)件逐一繪制節(jié)點(diǎn),極其耗時(shí)。

TS豐富的節(jié)點(diǎn)庫進(jìn)一步強(qiáng)化了三維模型工作方式。

隨著節(jié)點(diǎn)庫的不斷完善,TS的三維模型工作方式為鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)帶來了前所未有的效率改變。不但提高了節(jié)點(diǎn)的布置效率,還使復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的處理變得簡單、準(zhǔn)確、可靠。

TS中的節(jié)點(diǎn)通過參數(shù)的方式進(jìn)行配置,且支持用戶自定義節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)參數(shù)自動(dòng)調(diào)整相關(guān)零件的長度與形狀。

下圖右側(cè)為TS中的節(jié)點(diǎn)庫。

TS的報(bào)告功能讓材料清單自動(dòng)生成

在二維工作方式下,材料清單是在人們制作完詳圖后,根據(jù)詳圖中的零件規(guī)格、材質(zhì)和數(shù)量手工制作的。

TS的報(bào)告功能使得材料清單可以隨時(shí)創(chuàng)建,并且可以根據(jù)需求自定義報(bào)告模板。

TS的自動(dòng)編號(hào)功能為模型提供了強(qiáng)大的編號(hào)支持

無論是報(bào)告還是圖紙,都需要表達(dá)構(gòu)件、零件編號(hào)。TS擁有強(qiáng)大的自動(dòng)編號(hào)功能,能根據(jù)材質(zhì)、尺寸規(guī)格、剪切處理等情況識(shí)別零件是否相同,并根據(jù)用戶設(shè)置或自動(dòng)分配流水編號(hào)。

TS的多用戶功能可以實(shí)現(xiàn)多人協(xié)同建模

在多用戶模式下,TS允許網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的多人協(xié)同建模,更新后可看到最新的模型狀態(tài)。原理與SVN版本控制系統(tǒng)類似。

以上各功能在TS的早期版本(2004年及之前)就已實(shí)現(xiàn),且快速、穩(wěn)定、可靠。

至此,TS已經(jīng)提供了鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)及材料清單所需的一切功能。

2007年,TS發(fā)布了13.0版本。該版本的一個(gè)重要特征是開放了API。雖然該版本的API開放程度有限,但已涵蓋了軟件大部分主要功能,具有重大意義。

API的開放使得用戶可以更加自由靈活地使用Tekla模型中的數(shù)據(jù),并結(jié)合自身業(yè)務(wù)進(jìn)行深度開發(fā)。這使得TS成為了企業(yè)可以依托的數(shù)據(jù)生產(chǎn)平臺(tái)。

相關(guān)資訊

Revit被收購之前,前東家Revit Technology Corporation計(jì)劃提供完整的解決方案,提供設(shè)計(jì)人員所需要的全部功能。這個(gè)想法針對(duì)美國或局部地區(qū)是可以的,但是如何兼顧全球的市場(chǎng),卻非一個(gè)公司所達(dá)到。Autodesk已有多年的全球?qū)嵺`和戰(zhàn)略,深知API的重要性,唯有API 能實(shí)現(xiàn)全球不同的標(biāo)準(zhǔn)和需要。所以Autodesk收購Revit后在2005年推出了Revit8.0 ,并開始提供API。

FICEP集團(tuán)及其成員公司Steel Projects

FICEP公司是鋼結(jié)構(gòu)二次加工生產(chǎn)線技術(shù)的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者,于1988年成功安裝了第一條自動(dòng)化生產(chǎn)線。其成員公司Steel Projects專注于加工技術(shù)軟件研發(fā),并推出了鋼結(jié)構(gòu)加工管理軟件PLM。Tekla開放API后,PLM結(jié)合Tekla軟件進(jìn)行了深度開發(fā),實(shí)現(xiàn)Tekla模型無縫導(dǎo)入,并通過FICEP自動(dòng)化的物流系統(tǒng)及數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)高效加工。極大地減少了鋼結(jié)構(gòu)加工的人工工作。

HGG公司將Tekla模型與自研設(shè)備對(duì)接

荷蘭HGG公司是3D剖面切割領(lǐng)域的先驅(qū),向用戶提供切割設(shè)備與服務(wù)。

其他Tekla用戶案例

關(guān)于三維模型的應(yīng)用

Clark Pacific公司使用Tekla來贏得商業(yè)機(jī)會(huì)并讓投標(biāo)更準(zhǔn)確。首先通過創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目的概念模型,這個(gè)模型由一個(gè)個(gè)的預(yù)制構(gòu)件構(gòu)成。然后運(yùn)行一系列報(bào)告,可以直接由Tekla模型生成Excel報(bào)告。估算員會(huì)編制一份匯總報(bào)告并加入成本元素。Tekla Structures能快速創(chuàng)建一個(gè)建筑的概念模型,可以利用可視化的、基于模型的方式來展示和進(jìn)行進(jìn)一步精準(zhǔn)的算量,從而贏得客戶的信任。

ClarkPacific公司是美國一流的建筑和結(jié)構(gòu)預(yù)制混凝土設(shè)計(jì)-建造商。從1963年起, Clark Pacific公司已經(jīng)伴隨著西海岸的發(fā)展完成了2500多個(gè)項(xiàng)目。

關(guān)于報(bào)告功能的應(yīng)用

High Concrete集團(tuán)使用Tekla Structures創(chuàng)建生產(chǎn)圖紙以及零件和項(xiàng)目級(jí)物料清單(BOM)。該團(tuán)隊(duì)從Tekla Structures運(yùn)行報(bào)告,然后通過自動(dòng)化流程將它們加載到SAP公司的ERP系統(tǒng)中。借助TeklaStructures,High Concrete 集團(tuán)的BOM更準(zhǔn)確,從而使公司有更多時(shí)間購買和準(zhǔn)備供應(yīng)品。

High Concrete是一家擁有近50年預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的家族企業(yè),是美國建筑和結(jié)構(gòu)預(yù)制的主要生產(chǎn)商。

關(guān)于模型數(shù)據(jù)應(yīng)用

MidlandSteel公司利用生產(chǎn)軟件管理鋼筋制造中的“彎曲和切斷”。由于Tekla提供了把準(zhǔn)確的模型數(shù)據(jù)與不同行業(yè)軟件鏈接的解決方案,Midland Steel可以直接把可建造的模型的數(shù)據(jù)發(fā)送到生產(chǎn)線上,并能通過模型生成進(jìn)度時(shí)間表。

MidlandSteel 是英國和愛爾蘭增長最快的鋼筋制造商,提供了多種不同的鋼筋產(chǎn)品及配件,包括切割和彎曲的鋼筋,標(biāo)準(zhǔn)和特殊的構(gòu)造和預(yù)制鋼筋籠。

結(jié)語

類是面向?qū)ο笳Z言的程序設(shè)計(jì)中的概念,是面向?qū)ο缶幊痰幕A(chǔ)。類是對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中一類具有共同特征的事物的抽象。與二維線條不同,三維實(shí)體就具有類的概念,因此很適合表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界中的建筑對(duì)象。面向?qū)ο缶幊痰牧餍序?yàn)證了面向?qū)ο笏枷敫子陂_展工作。BIM軟件的流行也驗(yàn)證了三維的優(yōu)勢(shì)。

本文對(duì)鋼結(jié)構(gòu),Tekla及建筑工業(yè)化廠商對(duì)于Tekla的開發(fā)和應(yīng)用進(jìn)行了簡要介紹。從案例來看,三維軟件似乎已全面取代了二維軟件,事實(shí)是否如此?

我們?cè)賮砜匆幌落摻Y(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)中的三維軟件與二維軟件使用現(xiàn)狀。

對(duì)于復(fù)雜度不高的鋼結(jié)構(gòu)深化項(xiàng)目,僅需使用TS而無需使用二維CAD軟件便可完成工作。但對(duì)于復(fù)雜的大型項(xiàng)目則不一定。這不但與項(xiàng)目復(fù)雜度相關(guān),也與各國鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展程度和規(guī)范化程度密切相關(guān)。

在國內(nèi),因?yàn)樵攬D規(guī)范化程度不高,所以為各種軟件創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。只要軟件能幫助用戶快速、準(zhǔn)確地完成工作,就會(huì)得到用戶的認(rèn)可。所以Tekla在中國市場(chǎng)快速發(fā)展并取得了成功。對(duì)比之下,日本鋼結(jié)構(gòu)已發(fā)展成熟,規(guī)范化程度很高。二維CAD時(shí)代所形成的表達(dá)風(fēng)格已經(jīng)成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),這對(duì)BIM軟件在圖紙的本地化上變成了一種束縛。這也是Tekla用了二十多年才慢慢打開日本鋼結(jié)構(gòu)市場(chǎng)的根本原因。雖然Tekla在技術(shù)上有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),但面對(duì)要求繁雜的各種圖面表達(dá),Tekla也只能慢慢完善其圖紙功能。因此,在日本大型鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中,雖然模型是可以完全依賴三維軟件而創(chuàng)建,但圖紙還是無法脫離對(duì)二維CAD軟件的依賴。

此外,建模時(shí)間成本也是影響全面三維化的一個(gè)關(guān)鍵因素。日本鋼結(jié)構(gòu)有完善的施工用的配套附屬零件,而這些零件都是需要在詳圖中進(jìn)行表達(dá)的。如果對(duì)所有這些零件都進(jìn)行建模,則需要耗費(fèi)大量的時(shí)間且意義不大,因?yàn)橛枚SCAD軟件可以又快又好地完成這項(xiàng)工作。

面對(duì)激烈的市場(chǎng)競爭和緊張的工期,深化設(shè)計(jì)工作也逐漸以“迭代”方式開展。先利用三維BIM軟件的優(yōu)勢(shì)快速、準(zhǔn)確地生成一般圖與主結(jié)構(gòu)詳圖,經(jīng)各方確認(rèn)后先開展主結(jié)構(gòu)的下料加工,然后在此期間,利用二維CAD軟件完善詳圖中配套附屬零件的繪制工作。

由此可見,在未來相當(dāng)長的一段時(shí)間,依然會(huì)是三維結(jié)合二維,而不是取代二維。

下圖為日本某大型民用鋼結(jié)構(gòu)建筑中的主梁。


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