新进展：国内首创《网架工具箱》让异形钢结构建模无所不能！
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导读：《自编软件工具箱提升网架建模效率100倍》发布已有一月有余，我的精品课《跟着大师学设计》基于PKPM、3D3S、mst、midas和自编软件网架工具箱进行异形钢结构建模设计更新完结。且已经加餐2期，后继续更新，在此感谢30多位朋友的订阅和支持。
今天，笔者给大家带来《异形钢结构建模技术研究》新进展，希望能够在同行中抛砖引玉，引发大家共鸣，如有不当，欢迎批评指正和交流。一、异形钢结构的应用与发展
钢结构是工程结构中应用比较广泛的一种建筑结构形式，主要应用在仓储、煤棚、机库、工业厂房、体育场馆、会展中心、影剧院、车站、航空港、大型商场等建筑中。特别热门的建筑有机场航站楼、会展中心、奥运场馆和世博馆等。在我国，异形钢结构几乎遍及各地。近年来，随着大型公共建筑的兴起，管桁结构因其外形丰富、结构轻巧，传力简捷、制作安装方便、经济效果好，已逐步代替网架网壳而成为当前应用较多的一种结构体系。随着钢结构应用的逐渐广泛，异形钢结构的使用也日益增多，钢结构的理论分析已逐步实现由近似计算到精确分析，由等效静力分析到直接动力分析，由线性分析到非线性分析的转变，且异形钢结构的建模能力已成为衡量一个设计师设计水平和能力的重要标志。二、异形钢结构的简介
网架结构节点铰接，杆件为轴力构件，具有结构规律，杆件和节点规格化，便于工厂生产，便于工地安装的优点。网架结构属于高次超静定结构，能跨越较大跨度，设计主要采用的规范为《空间网格结构技术规程》JGJ 7-2010，根据弦层数的不同，网架可分为双层网架、三层网架和多层网架。双层网架比较常用，典型剖面如下：
网架结构根据基本网格单元的逻辑构成可分为桁架和角锥两大类，其中正放四角锥网架刚度大且杆件和节点类型少，使用最为广泛。
网架的网格高度与网格尺寸由跨度大小、荷载条件、支撑间距和建筑功能等因素决定，网架的矢跨比一般1/12~1/20，网架杆件的夹角一般不宜小于30°。网壳结构就整体受力而言比较接近受弯的平板，单元仍主要承受轴力构件，但整体是受弯结构，杆件轴力比较大。网壳结构是主要承受薄膜内力的壳体，以合理的体形来抵抗外荷载的作用，因此相对网架来说，能跨越更大的跨度。另外网壳具有外形美观，富于表现力，更受建筑师和业主的喜欢。
网壳根据外形一般分为：筒壳、锥面壳、球壳、椭圆壳、双曲抛物面壳和不规则的异形壳等。下图为常用壳的杆件布置。
1）球面的矢跨比不宜小于1：7；
- 2）双层球面壳的厚度可取跨度的1/30~1/45。
管桁架分平面管桁架和空间管桁架两大类，和普通桁架不同点在于连接节点为相贯焊接。相对比网架，管桁架杆件少，节点美观，体态轻盈，在会展中心和体育馆等大型公建中应用较为广泛。管桁架的高度取跨度的1/16~1/30，矢高可取跨度的1/3~1/6。空间管桁架截面常为三角形，与平面管桁架比，三角桁架提高了侧向稳定性和抗扭刚度，且外表更加美观，跨越空间更大。三角形管桁架分正三角形和倒三角形两种。倒三角管桁架由两根上弦通过斜腹杆与一根下弦连接，再在节点处设置水平系杆，而支座多在上弦处，从而构成了上弦侧向刚度比较大的屋架。这种截面中，上弦两根杆件，通常上弦受压要考虑稳定系数，下弦受拉不存在稳定问题，因而倒三角管桁架是一种合理的截面形式。另外，这种形式的两根上弦贴靠屋面，下弦只有一根杆件，给人以轻巧的感觉，同时这种截面形式也能减少檩条的跨度。因此，倒三角形管桁架为大量实际工程采用。正三角截面管桁架主要优点是上弦为一根杆件，连接檩条和天窗比较方便。网架、网壳和管桁架对比汇总
三、常用设计软件的介绍
异形钢结构体型复杂，模型较大，计算工况多，选择合理的软件就成为了大跨度钢结构设计的首要问题，目前通过计算机软件可以完成的工作有：进行有限元分析计算得到内力和位移，根据规范进行截面优选和构件验算，2、后处理提供给用户内力、位移查询，内力、位移图显示，振型显示，节点设计,构件节点施工图、加工图自动生成，计算书自动生成等功能（后处理）。目前常见的软件有MSTCAD、MIDAS和3D3S，各自的的优缺点见下表。四、异形钢结构软件的建模方法
大跨度钢结构体量大，空间造型灵活多变，结构建模工作量极大，成为影响工程师的效率关键工作量，特别是异形曲面网格建模难度更大。为解决异形钢结构的建模问题，本人专门编制了建模程序《网架工具箱》。比如，通过网架工具箱根据设计师给出空间曲面的主要控制曲线，程序自动生成光滑的曲面，再对这些曲面进行网格划分连接，如下图：
本程序具有方便灵活快键的特点，各功能模块设计合理，使用方便，并创造性的归纳出三种建立复杂的空间曲面模型方法，并通过程序加以实现。1、spline—>wjdf—>wjpm—>wj23；（剖面曲线、等分、形成二维剖面、生成三维模型）
2、spline、spline—>wjcz—>wjdf—>wjlx；（两条控制曲线、曲线插值、等分、批量连线）
3、spline、spline、spline、spline—>wjqm—>wjf2l—>wjcl。（周边四条控制曲线、生成曲面、面变成直线、消除重复直线）
五、总结
目前，所有的网架软件均采用“自下而上”的建模方式，从点-线-面-空间，从离散点，一维的线，再到二维的面，这种方式符合工程师的常规思路，从剖面到立体，从规则到空间。此方式的缺点显而易见：仅适合相对规则的结构，若异形则需要大量的人工干预，模型完成以后，如果需要调整则需要从头再来，效率低。《网架工具箱》针对大跨度钢结构建模难的特点，通过CAD的二次开发，创新的提出新的建模的思路，采用“从上而下”的建模方式，根据结构边界生成连续的空间面，通过网格划得到上弦，再通过增加角锥生成空间的网格模型。优点：生成的面是连续的，修改方便，让结构工程师有更多的精力集中在结构的选型和概念设计上，对于需要大量时间和精力的建模部分由程序完成，极大地提高了建模效率。《网架工具箱》中，“曲线弦长等分”、“剖面生成”、“二维变三维”、“曲线插值功能”、“点阵导入生成模型”等诸多功能，均为国内首创。比如：曲线弦长等分功能，过去软件大都采用投影法或者弧长等分法，得到的杆件长度不一，使得构件的种类繁多，生成的结构不规则。《网架工具箱》采用“二分法递归”求得任意曲线的弦长等分点，此功能在国内尚未见到类似程序，且程序具有算法优、速度快、等分效果好、适用性强的特点，具有很高的使用价值。网架曲面功能实现了任意曲面函数的建模，将复杂的问题简单化。此功能适用于任意函数，对XYZ均可分别定制，建模非常灵活和高效。
最后，发布一个钢结构学习包（持续更新中，如果遇到链接失效请联系仿真秀平台任意客服），希望对钢结构学习的朋友有所帮助。如何得到钢结构学习包？请直接在本文附件下载。
作者：Coolzhb，国家一级注册结构工程师，仿真秀专栏作者声明：本文首发仿真秀App，部分图片和内容源自网络，如有不当请联系我们，欢迎分享，禁止私自转载，转载请联系我们。
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