1、第八章 钢结构深化设计方案第一节 钢结构深化设计管理一. 钢结构深化设计管理组织体系鉴于本工程新颖、复杂的钢结构体系，为保证不规则空间构件加工制作、现场安装的顺利进行，保证钢结构的施工质量，我们在总承包部框架下专门设置深化设计部，受项目总工程师直接领导，进行钢结构深化设计的对口管理。深化设计部的主要职责是对深化设计专业分包商进行系统、有效地管理；包括深化设计进度控制，满足材料采购、加工安装需要；审查校核深化设计图的质量，是否符合原设计的节点构造要求；并协调处理与其他专业之间的矛盾。保证图纸的正确性；确保钢结构工程的顺利进行。我们将依托中建集团所属的，具有国家甲级建筑设计资质的中国建筑设计研究院
2、的设计技术管理力量，在本工程项目总工程师的直接领导下，承担本工程的深化设计管理工作。二. 深化设计管理（一） 钢结构深化设计图和文件审批1. 深化设计分包商提交深化图和文件，供总承包商初审，如初审不合格，退回分包商整改后重新送审。2. 初审合格的深化图和文件，由总承包商签章发送原设计广州市设计院审批，审批结果分为A、B、C 三个等级：(1） A 级图纸和文件为正确无误，可以实施；(2） B 级图纸和文件原则上可以接受，但须稍加修改，经总承包商复审后方可交付施工；(3） C 级图纸和文件错误较大，不予接受，须重新设计，再经总承包商初审后发送原设计师审批。3. A 级和 B 级图纸和文件经复审无误
3、后须由总承包商加盖施工图批准章，方可出图交付施工。下图为深化设计管理流程图，该流程经过国内一些类似超高层工程项目的实践中，得到了充分的运用。实践证明该流程便于深化设计的质量、进度控制。方案设计图深化设计图案总承包审核协调中建集团设计研究院设计审批广州市设计院同意 非原则性正式施工业主 设计监理 吊装总承包 制作商深化设计管理流程图（二） 深化图设计的进度管理由深化设计部根据工程总体进度计划编制统一的钢结构深化设计出图计划，编制步骤如下：1. 根据施工总计划，统编制年、季、月出图计划，发给深化设计分包商，并要求其按此进度进行出图。2. 总承包商主管钢结构副总工程师，按期进行对口督促和检查；深化设
4、计部及时与工程管理部等部门协调，并及时调整落实出图计划。3. 总承包商深化设计部按时认真填写出图计划的实施记录。（三） 深化图设计的质量管理钢结构加工安装质量的好坏，在一定程度上与深化图设计质量有关，如果图纸不能保证应有的质量，必然影响构件的加工与安装质量，并导致不必要的返工现象。总承包商为提高深化图的设计质量，具体做法是：1. 根据原设计师要求，统一深化图的格式、表达方式及送审份数。2. 认真初审深化图及文件，严格遵循原设计意图。3. 坚持深化设计图纸的会签制度，只有当深化设计图纸准确无误、各工种都满意会签后才出图交付施工。4. 对已经广州市设计院审核批准的 A 类深化图，由总承包商统一发送
5、加工、安装方组织施工。同时，细致复核已经广州市设计院审核批准的 B 类深化图。（四） 深化图设计的信息管理对于广州东塔这样规模庞大的工程，钢结构深化设计图纸的数量相当可观，因此对深化图设计的文档和信息管理也显得尤为重要。我们将借鉴以往大型工程的管理经验，运用现代化的计算机信息管理系统，高效、准确地管理钢结构深化图设计信息。具体的管理措施如下：1. 深化图设计信息的输出文件的管理此类文件是总承包商在深化图设计管理中向业主、设计师和各分包商发出的各种有关深化图设计协调信息。我们将采用整合了深化设计管理流程的现场 OA 管理系统，统一进行信息化管理。文件最终由项目及公司领导审批签发，网上备案，统一输
6、出，同时原稿装订成册。2. 深化图设计信息输入文件的管理此类文件是在深化图设计管理中，总承包商收到的由业主、设计师和各分包商发来的有关深化图的各种信息。总承包商收到此类文件后，由收发员统一登记，上网流转，经部门签发后，随即转发相关专业技术管理人员。最终处理意见和文件原本返回信息收发处集中转发和归档备案。3. 深化图设计图纸管理由深化设计分包商提交的正式施工图，一经设计师审批同意，总承包商加盖施工章批准后，统一由深化设计部发送加工厂及钢结构安装分包商，深化底图由总承包商负责分类归档。第二节 钢结构深化设计实施深化设计工作为工程设计与工程施工的桥梁，需要准确无误地将设计图转化为直接供施工用的制造安
7、装图纸。同时，深化设计还将按照规范规定及安全、经济的原则，从节点构造、构件的结构布置、材质的控制等方面对设计进行合理优化，使设计更加完善。为确保广州东塔项目钢结构工程的顺利开展，我们已经着手开始深化设计工作。我们将在最短的时间内提供阶段性的深化设计图纸，提交结构设计师审核，以及时为落实备料和工厂加工做好图纸准备。一. 钢结构深化设计目的钢结构深化设计的目的主要体现以下方面：（1）通过深化设计，得出杆件的实际应力比，比较原设计使有的截面，使杆件的截面可以适当进行改进，以降低结构的整体用钢量。（2）通过深化设计，对结构的整体安全性和重要节点的受力进行验算，确保所有的杆件和节点满足设计要求，确保结构
8、使用安全。（3）通过深化设计，对杆件和节点进行构造的施工优化，使杆件和节点在实际的加工制作和安装过程中能够变得更加合理，提高加工效率和加工安装精度。（4）通过深化设计，将原设计的施工图纸转化为工厂标准的加工图纸，使杆件和节点进行归类编号，加工形成流水加工，大大提高加工进度。（5）通过深化设计，对栓接接缝处连接板进行优化、归类、统一，减少品种、规格。二. 深化设计原则深化设计具体原则如下：（1）深化设计根据设计院提供的施工图纸进行，如在节点图中无相应的节点时，请设计院补图或按照国家钢结构设计规范进行设计，但必须提交设计院认可。如需对节点进行优化，事先须得到设计院、发包人同意。（2）所提交的设计必
9、须包含详细的计算书及图纸，计算书及图纸必须由设计院签字及盖章。（3）深化设计的节点图纸应包括钢梁与钢柱、钢桁架与柱、主次梁节点、钢柱与基础、钢梁与混凝土构件、预埋件、支撑杆件等连接详图。（4）深化设计图纸应包括各个节点的连接类型，杆件的尺寸、强度等级，高强螺栓的规格、数量及强度等级，焊缝的形式和尺寸等一系列施工所必须具备的信息和数据。三. 深化设计流程深化设计人员组织原设计技术文件阅读 、 消化原设计技术交底安装方案交底制作原则工艺制定节点设计节点验算三维建模完成一批施工详图绘制和自校施工详图绘制原设计图纸阅读 、 消化深化设计原则制定 焊接原则工艺制定原设计确认施工详图校对 、 审核详图设计
10、问题书面提交原设计施工详图修改 、 送审原设计确认施工详图出图向车间工艺员交底车间技术服务提供符合要求的B I M 模型和资料开始下一批图纸设计深化设计完成提交完整图纸深化设计流程图四. 深化设计能力（一） 深化设计人员的配置为确保本工程的深化设计质量及进度，我们拟投入由具有资深设计经验的教授级工程师领衔的，包括多名高级工程师在内的从事多年深化设计的专业钢结构设计人员共计 50 余人，并可根据工程需要进行增援。拟投入本项目的主要深化设计人员具有多年大型钢结构设计经验，曾参与完成广州新电视塔、广州珠江城烟草大厦、北京电视台新大楼、珠江西塔等代表性超高层钢结构的深化设计，与包括 KPF、广州市设计
11、院等在内的众多国内外知名设计机构有深厚的交流，对像广州东塔这样的领先潮流的设计有深刻地理解，这对本工程钢结构深化设计的开展有着非常重要的帮助。拟投入的深化设计人力资源配备见下表。序号 职务（职能） 职称 拟投入本工程深化设计人数1 深化设计项目主管 教授级高工 12 项目主任工程师 高级工程师 23 项目焊接工程师 高级工程师 14 建模组 工程师 65 节点设计 一级注册结构工程师 46 施工图绘制组 工程师 40（二） 深化设计软件资源配备拟投入的深化设计主要软件资源配置见下表。名 称 功 能 公司现有数量ANSYS 10.0 分析软件 2MIDAS/GEN v7.3 网络版 分析软件 1
12、MIDAS/GEN v7.3 单机版 分析软件 4ETABS v9.5 分析软件 43D3S 8.0 分析软件 4MTS 分析软件 4Xsteel 14.1 设计软件 18AutoCAD2004 设计软件 59Pro/Engineer WF4.0 设计软件 2五. 深化设计软件的选择与应用（一） 深化设计软件的选择目前国际上高层、超高层钢结构深化设计常用的软件主要有专业的结构深化设计软件和通用设计软件两大类。前者在国内应用最为广泛的是 Xsteel，部分用户在用 Strucad；后者以 AutoCAD 为代表。常用深化设计软件的功能及优缺点如下表所示：软件名称 产地 主要功能 优点 缺点BoC
13、AD 设计软件 德国真正的双向关联，可以进行较为复杂的节点、构件的建模刚刚进入中国Xsteel 设计软件 芬兰 国内应用广泛Strucad 设计软件 英国 专业的钢结构软件， 国内有部分用户复杂空间结构建模困难，复杂节点、特殊构件难以实现SDS/2 设计软件 美国通过三维智能钢结构建模，迅速得到零件、安装、总体布置图及各构件参数，零件数据、施工详图自动生成，具备校正检查的功能 具备按美标设计节点的节点库，设计美标节点快速方便功能相对较弱，国内应用较少Autocad 绘图软件 美国 二维平面图绘制、三 维实体建模 复杂节点建模、立体建模，应用比较广泛自动化程度不高，出错率高，效率低根据本工程的结
14、构形式及构件特征，拟选择 Xsteel 设计软件作为深化设计的主要应用软件。使用 Xsteel 不仅是考虑到能方便、快捷的进行整体模型、能准确快捷的导出深化图纸，主要考虑该软件在国内应用广泛，可以与参与本工程的相关单位共享数据。更为重要的是，Xsteel 数据可以方便地转化为其他软件接收的格式，非常适合本工程建筑信息模型系统管理工作。（二） 深化设计软件的应用Xsteel 软件应用时一般按以下 6 个步骤进行：1. 结构整体定位轴线的确立首先必须建立结构的所有重要定位轴线空间单线模型，该模型必须得到原设计的认可。对于本工程所有的深化设计时必须使用同一个定位轴线空间单线模型。定位轴线创建软件界面
15、2. 结构整体初步建模 在 Xsteel 截面库中选取钢柱或钢梁截面，进行柱、梁等构件的建模。构件截面编辑软件界面3. 节点参数化自动生成 钢梁及钢柱创建好后，在钢柱、钢梁间创建节点，在 Xsteel 节点库中有大量钢结构常用节点，采用软件参数化节点能快速、准确建立构件节点，能大大减少深化时间。当节点库中无该节点类型时，而在该工程中又存在大量的该类型节点，可在软件中创建人工智能参数化节点以达到设计要求。参数化节点软件界面4. 构件编号 当节点全部创建完毕，将对整体工程构件进行编号。Xsteel 可以自动根据预先给定的构件编号规则，按照构件的不同截面类型对各构件及节点进行整体编号命名及组合（相同
16、构件及板件所命名称相同） 。从而大大减少构件人工编号时间，减少人工编号错误。构件编号软件界面5. 出构件深化图纸 Xsteel 能自动根据所建的三维实体模型对构件进行放样，其放样图纸的准确性极高。 构件自动出图软件界面6. 图纸更新、调整自动生成深化图纸具有很强的统一性及可编辑性，软件导出的图纸始终与三维模型紧密保持一致，当模型中构件有所变动时，图纸将自动在构件所修改的位置进行变更，以确保图纸的准确性。图纸更新软件界面第三节 构件及节点特点分析本工程钢结构主要由巨柱、角柱、伸臂桁架、环形桁架、核心筒预埋钢柱、核心筒钢板剪力墙、楼层梁等组成，如下图所示：塔楼主要构件组成图一. 构件特点分析本工程
17、构件主要截面形式多样，主要截面形式有巨形双箱体、单箱体角柱、矩形、异形H 型以及普通 H 型，其中巨形双箱体、单箱体角柱主要分布在外框筒，转角型箱形仅在混凝土核心筒内，其余主体结构构件均为各类拼接或轧制 H 型构件。塔楼中主要构件的外形尺寸超大，如巨型箱形钢柱其净尺寸达到 35005600mm，环形桁架均为跨楼层的大型桁架，平面尺度较大，另外核心筒内的转角型箱形剪力墙板外形尺寸也较大，特别是桁架区域，构件构造比较复杂，主要构件体现了超大、超重、超宽的特点，主要构件截面分布和形式见下图示。构件类型 截面形式 截面尺寸 分布钢板剪力墙 -20、-16 107 层屋顶核心筒角部劲性柱H1100600
18、/3002040 H250400/2002040 等 7种截面规格33 层 106 层核心筒角部劲性柱H11003002040H2502002040 等 7 种规格 33 层 106 层环形桁架柱 共计 6 榀； 2324 层、4041 层、5657 层、6768 层、7980 层、9294 层50070030302002001616 等多种规格伸臂桁架核 心 筒外 框 柱 外 框 柱伸 臂 桁 架 伸 臂 桁 架 共计 4 道； 2324 层、4041 层、6768 层9294 层角柱2000150025800110030 等多种规格角柱(B568 层) 角柱(6894 层) 角柱(9410
19、6 层) 角柱(106顶层)箱型剪力墙 -50、 -40、-25、-20、-16 等 （B532 层）核心筒内劲性柱-50、 -40、-25、-20、-16 等 （B511 层）巨形箱型柱56003500502400115020 等多种规格(B568 层 ) (6894 层 ) (94106 层 ) (106顶层) 二. 节点特点分析本工程在 23、40、56、67、79、92 层设有 6 道巨型框架式强力结构，这些结构由巨柱、角柱、伸臂桁架、环形桁架、核心筒体系组成，构件大，交汇点多，导致此处节点复杂且尺寸大，形式多样。对本工程主结构起关键作用的受力复杂、难度较大的节点主要有：巨柱与伸臂桁架
20、相交节点、巨柱与环形桁架相交节点、伸臂桁架与核心筒预埋箱型剪力墙相交节点、角柱与环形桁架相交节点等重要节点。这些节点进行深化时主要考虑的是避免尺寸过大造成重量过重、影响运输。具体分布和形式如下所示：主要节点分布与形式巨型柱与环状桁架、伸臂桁架相交节点核心筒内剪力墙与伸臂桁架连接节点角柱与环状桁架连接节点环状桁架中主要连接节点第四节 深化设计重点、难点分析本工程结构体系为巨型框架、巨柱、伸臂桁架和核心筒体系结合而成，主要结构为钢骨混凝土结构，钢结构构件断面尺寸大、节点复杂，与伸臂桁架相连的巨柱及预埋钢柱大部分节点尺寸超出极限运输尺寸，造成分段无法直接运至现场，而现场并不具备拼装条件，这给钢结构制
21、作及安装带来了极大的困难；同时，本工程为超大型综合工程，钢结构制作、安装、混凝土施工、幕墙以及设备安装各专业工种均紧密相关，互相影响，存在大量的交叉施工。这一切都给钢结构深化设计带来了很大的困难，克服这些困难是深化设计的难点也是重点。具体体现在以下几个方面：一. 节点深化（1）本工程中巨柱与伸臂桁架、环形桁架等相连的关键节点尺寸大部分均为超宽、超高、超重，造成包含这些节点的柱分段尺寸超限，无法整体运输。如何在深化设计时解决这个问题是本工程最大的难点重点。典型桁架区节点示意图（2）上述节点构造较为复杂，内部加劲板较多，尤其大量使用了 130mm 厚的 Q345GJC 钢板，节点组装时焊接量大，焊
22、缝处理要求高，特别是 130mm 厚板有许多十字型焊缝，容易产生层状撕裂，造成节点破坏。桁架区复杂节点焊接部位示意图（3）本工程主结构部分分段重量大，连接节点现场高空焊接工作量大，焊接坡口大小、方向，以及如何设置安装临时辅助连接件，为高空安装创造条件是本工程的难点之一。辅助连接件安装示意图二. 与其他工种的配合本工程为超大型综合工程，结构主体采用钢骨混凝土结构。钢结构构件制作时必须考虑相关工种的需求，为后道工序创造条件。钢结构制作尤其和钢结构安装以及混凝土浇筑关系密切，同时还要考虑压型钢板施工、幕墙工程、管道设备工程等的有关要求，并予以积极沟通、配合。深化设计时充分考虑与各工艺工种间的配合将是
23、本工程的重点之一。（一） 与现场安装的配合本工程很多关键节点均须现场高空焊接，由于节点复杂，节点钢板较厚，导致节点及杆件现场焊接操作困难。为保证现场焊接质量，必须在进行节点深化设计时与现场安装技术人员在构件现场焊接方法、形式及焊接顺序、节点的安装工艺孔设置、坡口形式等方面密切配合，取得一致。本工程核心筒内有钢板剪力墙，深化设计时必须考虑钢板剪力墙现场连接节点，不仅要保证钢结构质量，还要安装方便快捷。解决措施：通过总包与现场安装单位紧密联系，在深化设计前确定每个节点及构件的焊接顺序、焊接坡口的大小及方向、安装工艺孔的设置位置及尺寸、钢板剪力墙现场连接节点等，并在深化设计时完全反映到三维模型及图纸
24、上。 （二） 与混凝土施工的配合本工程主体结构均需浇筑混凝土，混凝土的浇筑措施将影响钢结构中构件的布置，节点的设计。例如灌浆孔和透气空的开设，模板连接器的位置，钢板剪力墙在楼面上高度等。解决措施：通过总包与混凝土施工单位配合，确定混凝土的浇筑方案、钢筋穿孔及混凝土管道铺设位置、大小、高度等，在钢结构深化图纸中反映出钢筋穿孔、连接器、各管道孔的位置及尺寸，防止钢结构在施工现场开孔及焊接。模版固定件图（三） 与幕墙、设备安装施工的配合本工程的外立面几乎都是玻璃幕墙结构，且造型复杂，有许多幕墙支撑体系与主结构相连，因此在考虑钢结构节点时应同时对幕墙支撑与主结构相连的节点进行深化；本工程钢结构最复杂的
25、部分位于机械/避难层，各种机械设备的底座均要预先设置，而设备的选型往往是变化最大的。解决措施：钢结构节点深化设计时尽早与幕墙设计结合，明确与幕墙相关的节点型式；与原设计充分沟通，并取得招标人的理解，在机械/避难层钢结构节点深化设计时选择可调节性好，比较保守的节点型式，以适应今后设备型号尺寸变化对结构的要求。第五节 施工详图设计一. 施工详图设计（一） 详图设计1. 利用深化设计软件对本工程建立三维实体模型，尤其是节点部位。根据设计提供的内力进行节点设计和验算。并由软件自动生成构件详图，再通过人工干预对图纸进行调整和修改，形成最终的深化设计图。典型钢柱节点图主要节点形式2. 构件详图设计应根据节
26、点设计图进行，如在节点设计图中无相对应的节点时，可按照钢结构连接节点手册选用，但必须提交原节点设计工程师认可。3. 节点设计详图应包括柱与柱、梁与柱、梁与梁、垂直支撑、水平支撑、桁架、支座和托架等连接详图。4. 节点设计详图内容应包括各个节点的连接类型，连接件的尺寸，高强度螺栓的直径和数量，焊缝的形式和尺寸等一系列施工详图设计所必须具备的信息和数据。5. 安装布置图：(1） 安装布置图应包括平面布置图、立面布置图、桁架现场装配布置图、地脚螺栓布置图、楼梯布置图等。(2） 安装布置图所包含的内容有构件编号、安装方向、标高、安装说明等一系列安装所必须具有的信息。6. 构件详图，它至少应包含以下内容
27、：（1）构件细部、重量表、材质、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，螺栓直径。（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）方向：构件的对称和相同标记（构件编号对称，此构件也应视为对称） 。（6）图纸标题、编号、改版号、出图日期。（7）加工厂所需要的信息。7. 详图必须给出完整、明确的尺寸和数据。8. 整个结构和每件构件的螺栓清单中需包含以下内容：(1） 螺栓尺寸（直径、长度、重量） 、净重量。(2） 构件编号，详图号，连接部分（W 或 F） 。W：腹板部分 F：翼板部分9. 螺栓长度的确定，按照国家规范进行计算。10. 焊缝表达(1） 详图中所有焊缝标注形式应符合建筑钢结构焊接规程（JGJ81-2002）规定。(2） 本工程中普遍使用的典型焊缝形式应在焊接基准图中集中反映（其中包括焊缝的类型、高度、坡口尺寸等） ，当使用的焊缝形式在焊接基准图中没有反映的，应在详图中进行标注。11. 重量计算重量计算须按照国家及业主所规定的相应规范和文件进行重量计算。
