一种钢结构节点智能设计方法与流程

本发明涉及节点设计技术领域，具体为一种钢结构节点智能设计方法。

背景技术：

钢结构作为一种装配式建筑，可以在工厂加工、焊接，在现场螺栓连接，是一种成体系的装配式结构。但在现场采用螺栓连接时，节点设计工期长、工作量大、计算复杂，导致当前国内钢结构建筑通常为现场焊接，严重降低了钢结构的装配率。因此，研发一种通用的、智能的钢结构节点设计方法和软件，必将促进装配式钢结构的进一步发展。

实际工程中，由于节点形式各样，类型繁多，各国规范计算方法不尽相同，也无法采用通用有限元等方法进行分析设计。现存的软件都只是涉及非常简单标准的连接，远远不能满足实际工程需要，更不能进行全过程的自动化节点设计。对于绝大多数节点，需要有经验的工程师花费大量时间和精力进行手工计算和设计。因此，钢结构项目的节点设计通常成为一个详细设计阶段工作耗时最长、人力耗费最多的工作。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种钢结构节点智能设计方法，使得智能化自动化节点设计成为可能，建立起了结构设计和详图设计的关系，实现了钢结构节点的全过程自动化设计。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种钢结构节点智能设计方法，包括以下步骤：

s1、导入结构设计数据：将结构设计得到的有限元模型及结果作为输入数据导入到节点设计软件中。

s2、判断位置关系：根据节点编号、节点坐标信息、单元信息，单元编号、单元截面、单元荷载信息数据，对在结构设计阶段打断的单元进行组合，以此将若干个单元合并形成一个构件，生成新的构件编号，同时对构件进行属性定义并生成位置关系信息。

s3、确定连接关系：根据构件的几何属性和构件荷载信息，将构件划分为柱、梁、垂直支撑、水平支撑、平台立柱、吊杆等。根据节点连接构件群以及构件荷载信息、构件截面、构件属性，确定节点连接类型，相应的连接类型有梁梁、柱梁、垂直支撑、水平支撑、立柱吊杆、柱脚等。

s4、完善连接节点信息：包括连接板的可用厚度，连接板材质，连接螺栓的规格、等级和规格，焊接材料等信息形成完整的可用连接节点信息。

s5、节点设计：根据连接节点信息，在节点类型库中逐级过滤，并根据预设条件，选择最优的节点连接类型。对所有节点逐个自动设计，最终完成整个项目的所有节点自动设计。

s6、生成节点设计文件：自动设计或者手动设计的节点连接，在验算合格或者其他的操作之后，保存为节点设计文件。节点设计文件的文件结构是固定的，每一行包含一条信息，使用者也可以根据文件结构说明，直接编辑节点设计文件，来批量修改和编辑连接信息和相关的构件信息。

s7、输出数据文件：节点设计完成之后，可以生成pdf计算报告和dxf格式的节点图文件；一个阶段的设计完成之后，可将设计的节点连接自动统计到excel文件中，用于汇总整个项目的节点设计信息。

s8、输出模型：将该节点模型导入到商业详图软件中，在详图软件中自动生成对应的三维节点模型。

优选的，所述步骤s1所导入结构设计结果数据包括结构节点编号、节点坐标信息、单元编号、单元材料、单元截面、单元属性、单元截面旋转方向、单元荷载信息等。

优选的，所述步骤s5中节点设计时，可以自动过滤并优选节点类型。

优选的，所述步骤s5中节点类型包括柱梁节点，梁梁节点，柱脚节点，拼接节点，垂直支撑节点，水平支撑节点，吊杆节点等类型。

优选的，所述节点设计步骤s6中节点设计文件包括了节点连接构件群所有节点连接的信息和相关的构件信息。

本发明提供了一种钢结构节点智能设计方法，具备以下有益效果：

本发明采用智能化自动化的节点设计方法，实现了构件群自动生成，节点类型自动选择，自动设计，自动出图，自动生成报告，自动导入商业详图软件的全流程，大大缩短了节点设计的工期、减小了节点设计投入的人力物力，建立起了结构设计到详细设计之间的联系，助力了装配式钢结构发展。

附图说明

图1为本发明工作流程简图。

图2为本发明工作流程详细说明图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的实施主要包括以下八个步骤：导入结构设计数据、判断位置关系、确定连接关系、完善连接节点信息、节点设计、生成节点设计文件、输出数据文件、输出模型。

下面结合图2详细说明本发明的实施过程。

如图2所示，一种钢结构节点智能设计方法，包括以下详细步骤：

s1、导入结构设计结果数据：将结构设计得到的结果作为输入数据导入到节点设计软件中，导入结构设计结果数据包括结构节点编号、节点坐标信息、单元编号、单元材料、单元截面、单元属性、单元截面旋转方向、单元荷载信息等。

s2、判断位置关系：根据节点编号、节点坐标信息、单元信息，单元编号、单元截面、单元荷载信息数据，对在结构设计阶段打断的单元进行组合，以此将若干个单元合并形成一个构件，生成新的构件编号，同时对构件进行属性定义并生成位置关系信息。

生成位置关系的步骤如下：

a)通过节点坐标信息，将连接到同一个被连接构件（主构件）非端部的相关构件归集在一起，组成一个连接到被连接构件（主构件）非端部的节点连接构件群，同时对所有相同类型的构件群进行编号。

b)对剩下的节点编号，将相同节点编号的相关构件归集在一起，组成一个连接到构件端部的节点连接构件群，同时对所有相同类型的构件群进行编号。

s3、确定连接关系：根据构件的几何属性和构件荷载信息，将构件划分为柱、梁、垂直支撑、水平支撑、平台立柱、吊杆等。根据节点连接构件群以及构件荷载信息、构件截面、构件属性，确定节点连接类型，相应的连接类型有梁梁、柱梁、垂直支撑、水平支撑、立柱吊杆、柱脚等。

确定连接关系的步骤如下：

a)根据某个节点连接构件群编号所包含的构件编号，得到对应编号构件的截面信息、荷载信息、构件属性等数据，然后根据规则判断该构件是主构件（被连接构件）或是次构件（连接构件），一个节点连接构件群编号中只有唯一的主构件（被连接构件）和一个或多个次构件（连接构件）。

b)对于非端部的节点连接构件群，主构件（被连接构件）是明确和唯一的。

c)对于端部的节点连接构件群，需要根据连接群里面各个构件的截面信息，荷载信息，相对位置信息，构件属性等数据来确定。如果另一侧有构件，则中间构件为主构件（被连接构件），两侧构件为次构件（连接构件）；如果另一侧均有构件，则依据荷载信息和截面信息作为判断依据，弯矩值大的、截面大的构件为主构件（被连接构件），其他为次构件（连接构件）；如果另一侧均没有构件，则依据截面信息作为判断依据，截面大的构件为主构件（被连接构件），其他为次构件（连接构件）。

d)在确定主构件（被连接构件）和次构件（连接构件）后，将节点连接归类，即归集到前文列举的连接类型中。

s4、完善连接节点信息：确定了节点连接关系，加入节点连接构件群包含的所有构件相对位置、截面、旋转方向、材料、荷载等信息。确定连接件的信息，包括连接板的可用厚度，连接板材质，连接螺栓的规格、等级、焊接材料等信息形成完整的连接节点信息。

s5、节点设计：按照节点连接构件群编号，根据完整的连接节点信息在节点类型库中自动选择节点连接类型，自动完成节点设计。节点连接类型包括柱梁节点，梁梁节点，柱脚节点，拼接节点，垂直支撑节点，水平支撑节点，吊杆节点等。节点连接除了可以自动设计，也可以使用者手动设计，手动设计的步骤和自动设计一致，不同在于需要手动输入各项数据，然后验算节点连接是否满足承载力的要求，如果不满足，手动调整各项数据，直到满足要求为止。

节点自动设计的步骤如下：

a)取得连接件的信息，包括连接板的可用厚度，连接板材质，连接螺栓的规格、等级，焊接材料等。

b)按照顺序取出次构件（连接构件）与某一个次构件（连接构件）的信息，得到次构件的连接类型、截面、材质、荷载等信息。

c)依据连接类型，在对应的连接类型库中选择节点连接类型。这些连接类型包括了各种样式的刚性连接节点、半刚性连接节点、铰接节点。连接类型包括了美国钢结构节点设计类型、欧洲钢结构节点设计类型以及中国钢结构节点设计类型。

d)在选择节点连接类型时，需要根据构件荷载来选择合适的类型，如构件荷载显示该节点为刚性连接，则选择刚性连接节点类型；如显示该节点为半刚性，则选择半刚性类型；如显示该节点为铰接，则选择铰接类型。

e)节点连接类型的自动设计，核心是连接件（连接板材、螺栓、焊接材料）的设计。节点设计不会改变连接构件的信息，但有可能会根据连接类型削剪连接处的构件截面，也可能会对连接处的构件局部加强。

f)选择连接件时，首先根据连接构件的连接位置，选择对应的连接螺栓和螺栓群排布，连接螺栓需要和连接位置构件的厚度相匹配，螺栓群的排布要符合规范要求，经济合理。确定连接螺栓之后，则选择对应的连接板材，根据连接类型布置合适的尺寸和位置，连接板材需要与连接螺栓相匹配。最后在需要焊接的位置设计焊接形式，选择焊接材料。在整个过程中连接位置构件的尺寸、连接螺栓和连接板材以及焊接形式要保持匹配，在规范要求的合理范围内。

g)连接件（连接板材、螺栓、焊接材料）的初步设计完成之后，载入次构件的荷载，验算连接位置连接构件、连接螺栓和连接板材以及焊接是否满足承载力的要求。当应力比过高或者过低时，则优化连接件信息，以获得合理的应力比水平。

h)每一项验算都是在前一项验算的基础上进行的，如果后一项验算增加的值导致了该项与前一项值不在规范要求的合理范围，需要修改前一项的值，再从前一项开始，进行循环验算。

i)在验算过程中，可以根据情况载入所有工况的包络值，也可以载入每一种工况值进行验算。

s6、生成节点设计文件：节点设计文件的文件结构是固定的，每一行包含一条信息，使用者可以根据文件结构说明，直接编辑节点设计文件，来修改或者完善连接信息和相关的构件信息，节点设计文件包括了节点连接构件群所有节点连接的信息和相关的构件信息。

s7、输出数据文件：将节点设计成果生成pdf计算报告和dxf格式的cad文件。节点连接设计完成后，可以对节点连接构件群所有节点连接出具pdf报告，也可以对节点连接构件群某个节点连接出具pdf报告。也可以对节点连接构件群所有节点连接出具cad图纸，cad图纸格式是dxf格式。一个阶段的设计完成之后，程序可将设计的节点连接统计到excel文件中，根据要求，可以按照时间顺序、节点连接类型、和截面特性等统计到excel文件中。

s8、输出模型：将设计好的节点连接导入到详图设计软件中，在详图设计软件中生成对应的节点模型，详图工作者以此模型为基础，利用商业详图软件生成工厂制作图。

软件可以对设计结果批量处理，包括出具pdf报告和出具cad图纸等，可以选择的规范有ec3、aisc、gb。

综上可得，本发明采用自动化智能化的节点设计方法，实现了节点自动选择，自动设计，自动出图、自动生成报告、自动将节点模型导入商业详图软件的全流程，大大节省了节点设计的工期、减少了投入的人力，助力了装配式钢结构发展。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。