背景与随想
欢迎阅读我的第六篇博客文章！ 按照惯例，我想在文中加入一些个人经历。 我们当中有多少人还记得自己第一次分析桁架的情景？ 我是在 18 岁那年，当时就读英国高中高年级（Sixth Form）第二年，正在备考 A Level。 科目是工程制图，所用方法是鲍氏记号法（Bow's Notation）。
有多少（资深）工程师还记得这种方法？ 几年之后，我在大学里制作的第一个结构体系就是桁架——当然，是和另外三名组员一起完成的。 我们对它进行了切割、钻孔、螺栓连接，并加载至破坏——需要补充的是，这并没有花多长时间！
桁架的形状和尺寸显然多种多样，所用材料也多到难以计数——还记得用吸管搭建的结构吗？ 但其共同点始终是节点——不仅在于应如何处理节点，还在于应如何设计节点。就其自身尺寸而言，桁架具有出色的承载能力，这也是它成为应对复杂工况的“首选”方案的原因之一！
我一直钟爱木材——很可能是因为我是一个热衷于历史建筑和施工的爱好者。 木材是最早用于建造桁架的结构材料。 木桁架可追溯到公元前 2500 年。 古希腊人将其用于屋顶，而它在中世纪建筑中也大量出现。
许多古老的什一税谷仓都是采用这些方法建造的。 节点由木构件自身通过传统的榫卯连接并配以木销等方式形成。 过去的工匠所能使用的工具相当有限，因而成就了立体的艺术作品，而不只是用来遮风挡雨的建筑。
从中世纪的庄园住宅到现代住宅，木桁架一直用于房屋建造。 发生巨大变化的是所用的方法和形式。 如今的现代屋面桁架构件纤细，并配有经过设计的节点连接板，与上图所示的桁架相去甚远。
探究钢桁架的发展历程，首先要从铁说起，包括铸铁和锻铁及其作用。 推动这一发展的主要行业是交通运输——想想（世界各地的）铁路。
世界各地分布着许多优秀的实例：
布鲁内尔的透镜式桁架——皇家阿尔伯特桥——铁
福斯铁路桥——钢
桥梁在巧妙而优雅的设计方面一马当先，那么在建筑领域，谁会挺身而出呢？ 1889 年，“铁娘子”在巴黎落成（也就是埃菲尔铁塔）。尽管它由锻铁建成，却可能是当今世界上最具标志性、体现桁架及桁架作用的建筑之一。
当然，现代结构越来越多地依靠桁架来应对特殊情况或实现大跨度。 桁架类型有多种，其中一些有专门的名称：
- 弓弦式桁架
- 扇形桁架
- 芬克桁架
- 复折式桁架
- 豪氏桁架
- 中柱桁架
- 双柱桁架
- Vierendeel 空腹桁架（桁架的一种形式）
- 华伦桁架
- 等等
结构分析、设计方法和材料都已发生变化，但复杂节点设计这一难题依然存在。 能够准确评估桁架（以及任何结构）所需承受的荷载至关重要。 许多桁架的根源在于几何形状，因此必须认识到几何形状同样是一个重要因素，有时还是建筑方面的因素。
IDEA StatiCa 能做什么？
（钢桁架中的）构件本身通常较为细长，因此会承受额外的效应，设计人员可能需要考虑采用更高级的分析方法。 在当今的结构工程领域，拥有一款既能满足所有这些要求、又易于使用的软件解决方案绝对必不可少。
幸运的是，我们有 IDEA StatiCa。 IDEA StatiCa Connection 能够安全高效地设计当今复杂的桁架节点——同时也支持先进的木结构节点（使用连接板）。 它可以通过名为 IDEA StatiCa Checkbot 的应用程序，调用多种有限元分析软件的分析模型。Checkbot 在有限元分析软件与 IDEA StatiCa Connection 之间建立了联系。 如果设计人员关注桁架中的构件，我们还有 IDEA StatiCa Member。 IDEA StatiCa Checkbot 同样可以驱动该解决方案。
IDEA StatiCa 适用于哪些场景？来看一个简单但必不可少的例子：
这些可能是当今道路网络中最被低估的结构。 它们要承受各种常规荷载类型：恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载和冰荷载。 此外还可能需要考虑动荷载。 所有这些都是为了设计出能够高效制造、快速安装的结构。
此示例已作简化，因为我们希望重点展示与 IDEA StatiCa 解决方案的交互。
步骤 1 – 有限元分析
结构在合适的有限元分析（FEA）软件中完成建模、分析和设计——本例使用的是 Autodesk Robot Structural Analysis。 完整的兼容软件列表请参阅我们的网站。
IDEA StatiCa Checkbot 插件是在 Robot 内部启动的。 对于其他兼容软件，大多数此类插件会自动安装，使用起来更加快捷方便。
步骤 2 – 导出到 Checkbot
在 Robot 中选择构件和节点，并将其导出到 Checkbot。如有变更，Checkbot 模型也可以与有限元分析软件同步。有限元模型中输入的外部荷载用于整体分析，而内力——轴力、剪力和弯矩——则传递到 Checkbot。导入 Checkbot 后，Connection 和 Member 均可使用这些数据。
在 Checkbot 中，您还可以将荷载效应可视化。
IDEA StatiCa Checkbot 中的构件也可以合并——因此，由较短长度拼接而成的连续构件可以合并在一起，用于节点设计。 在本例中，下弦杆构件已按此方式进行了修改。 相反，上弦杆则没有合并，因为其节点处无需这样做。使用必须以这种方式对连续构件建模的有限元分析软件时，这一功能非常实用。
步骤 3 – 设计并校核节点
节点可以在 IDEA StatiCa Connection 中设计和校核，构件则可以在 IDEA StatiCa Member 中校核。 构件定位一直是分析模型与实际情况之间的折中。 在制造过程中，构件的位置可能会移动，以便更容易焊接——这往往会导致分析模型出现问题。 在 IDEA StatiCa 中，我们可以修改偏心距来处理这种不一致。
在 Connection 中，查看模型类型（Model Type）时务必记得与分析模型保持一致。 如果要在传统节点板中使用单螺栓节点，则必须记得相应地将模型类型更改为 N,Vy,Vx——即不允许传递弯矩的类型。 不过，如果您的节点（如本例）可以承受弯矩，则可以省略这一步骤。
采用实际的设计荷载组合，对于建立安全高效的节点模型并完成规范校核至关重要。 通过四个简单的操作创建一个全焊接节点后，我们可以看到所有关键荷载效应（即我们的设计组合）都已依次校核，并且全部通过。
步骤 4 – 校核构件
第二个节点可以按类似方式设计，然后再在 IDEA StatiCa Member 中校核支撑。
不过，这也表明，在材料和节点效率方面仍有很大的优化空间，因为许多桁架构件为弥补缺乏高级分析的不足而存在过度设计的情况。
结语
桁架是结构工程的重要组成部分，其应用只会越来越大胆。 材料和施工方法的进步意味着未来几年将涌现新的设计和理念——我对此深信不疑。 我认为，IDEA StatiCa 以数据存储为核心的方式实现了两全其美：让有限元分析领域的专家继续开发世界一流的解决方案，而我们则链接其结果和模型，创建节点模型并进行构件校核——这正是我们最擅长的领域！
希望您喜欢这次对桁架世界的探索，也希望您了解 IDEA StatiCa 可以在多个方面为您提供帮助。 关于支撑的相关文章即将发布，敬请关注。
