同濟大學在鋼結構設計領域采用了先進的3D3S實體建造及繪圖系統，該系統為學生提供了從設計到施工的完整解決方案，包括三維建模、結構分析、材料選擇、構件加工以及現場施工指導等環節，通過這個系統，學生能夠深入理解鋼結構設計的復雜性，并學會如何將理論知識應用于實際操作中，該系統還支持多種文件格式，方便與其他軟件進行數據交換，確保了設計過程的高效和準確性。

一、同濟大學3D3S鋼結構設計軟件

• 軟件概況
  • 3D3S鋼結構CAD軟件是同濟大學獨立開發的一套建筑CAD軟件，擁有自主知識產權，在建筑鋼結構設計領域具有獨創性，填補了國內該類結構工具軟件的一個空白，主要面向工業、民用建筑設計院、鋼結構設計制作企業等多類單位。
• 軟件功能系統
  • 3D3S鋼與空間結構設計系統
    • 可進行任意跨布置的輕型門式剛架系統的設計與繪圖，能考慮吊車、夾層、活載不利布置等情況。直接生成Word文檔計算書和AutoCAD設計和施工圖（不含加工詳圖），套用相關規程規范，如CECS102 - 2002《門式剛架技術規程》等。
  • 3D3S實體建造及繪圖系統
    • 可讀取3D3S設計系統的三維設計模型、讀取SAP2000的三維計算模型或直接定義柱網輸入三維模型。在門式剛架模型基礎上可增加夾層橫梁，提供多種節點形式供用戶選用，自動完成主剛架節點計算或驗算，進行節點和桿件類型分類和編號，還能自動完成檁條節點等的設置，可編輯節點并重新驗算，直接生成節點設計計算書和多種圖紙。
  • 3D3S鋼與空間結構非線性計算與分析系統
    • 適用于任意由梁、桿、索組成的桿系結構，可進行結構非線性荷載 - 位移關系及極限承載力的計算，預張力結構的初始狀態找形分析與工作狀態計算（包括多種索體系），桿結構屈曲特性的計算以及結構動力特性和動力時程的計算。
  • 3D3S輔助結構設計及繪圖系統
    • 涵蓋獨立基礎設計和驗算、條形基礎、鋼結構梁（多種類型梁的驗算）、鋼結構柱（多種類型柱的驗算）、支撐桿件驗算、壓型鋼板組合樓蓋設計和驗算、組合梁設計和驗算、鋼吊車梁（中小工作制吊車梁）的設計和驗算等，且均能直接生成計算書及AutoCAD設計和施工圖，套用相應規范規程。

二、同濟大學鋼結構設計原理相關知識

• 鋼材性能相關考點
  • 鋼材五項機械性能指標是屈服強度、抗拉強度、延伸率、冷彎性能、沖擊韌性。鋼材中氧、硫、磷等元素含量過多會對鋼材性能產生不良影響，如氧含量過多會使鋼材出現熱脆現象，含硫量過多高溫下會發生熱脆，含磷量過多低溫下會發生冷脆。冷作硬化和時效硬化會使鋼材強度提高，但塑性、韌性降低。鋼材在250oC度附近有強度提高塑性、韌性降低現象，稱之為藍脆現象，鋼材的沖擊韌性值越大，表示抵抗脆性斷裂的能力越強等。
  • 在鋼材選用方面，承受動力荷載作用的鋼構造，應選用綜合性能好的鋼材。焊接構造選用焊條的原則是，計算焊縫金屬強度宜與母材強度相適應，一般采用等強度原則。例如手工焊焊接Q235鋼，一般采用E43型焊條；焊接Q345鋼材時應采用E50焊條。
• 構件設計相關考點
  • 軸心受壓構件
    • 缺陷有剩余應力、初始偏心、初始曲率，屈曲形式有彎曲屈曲、扭轉屈曲、彎扭曲屈曲。對于綴條式格構柱，單肢不失穩的條件是單肢穩定承載力不小于整體穩定承載力。格構式軸心受壓構件的等穩定性的條件繞虛軸與繞實軸的長細比一樣。雙軸對稱的工字型截面軸壓構件失穩時的屈曲形式是彎曲屈曲，單軸對稱截面的軸心受壓構件，當構件繞對稱軸失穩時發生彎扭屈曲等。
  • 受彎構件
    • 梁的最小高度是由強度控制的。組合梁的局穩公式是按限制受壓翼緣板的寬厚比和腹板的高厚比原則確定。鋼梁在集中荷載作用下，若局部承壓強度不滿足應采取的措施是設置支承加勁肋。按正常使用極限狀態計算時，受彎構件要限制撓度。
  • 壓彎構件
    • 實腹式壓彎構件在彎矩平面內屈曲形式為彎曲失穩，在彎矩平面外屈曲形式為彎扭失穩。承受靜力荷載或間接承受動力荷載的工形截面壓彎構件，其強度計算公式中，塑性開展系數γ取相應值，且其翼緣板的局部穩定保證條件是根據單向均勻受壓板的臨界力導出的。

三、同濟大學鋼結構課程中的門式剛架結構設計

• 結構概述
  • 門式剛架結構是一種常見的鋼結構形式，具有結構簡單、受力明確、施工方便等特點。其發展歷程可追溯到20世紀初，未來將朝著高效、節能、環保等方向發展，同時新材料、新工藝、新技術的應用也將推動其創新和發展。
• 分析方法
  • 靜力分析方法
    • 有限元法將門式剛架結構離散化為有限個小的單元，通過求解每個單元的平衡方程來得到結構的整體響應，也可基于力學原理和數學公式，推導出門式剛架結構的靜力分析公式進行計算。
  • 動力分析方法
    • 通過模擬地震等動力作用下的門式剛架結構響應，分析結構的動力特性和抗震性能，具體包括模態分析法和時程分析法。
  • 穩定性分析方法
    • 線性穩定性分析基于線性化理論，對門式剛架結構的穩定性進行分析，確定結構的失穩臨界荷載；非線性穩定性分析考慮門式剛架結構的非線性效應，采用非線性有限元等方法對結構的穩定性進行分析。
• 優化設計
  • 目標是確保結構安全可靠、經濟合理、施工方便，同時滿足建筑和環境要求。方法包括采用數學建模、數值計算和計算機仿真等技術手段，進行多目標、多約束優化設計，如截面優化、節點連接方式優化、形狀優化、支撐體系優化等，并有相關的案例分析。
• 制作與施工
  • 制作工藝包括鋼材選擇、切割、彎曲，然后將各個鋼材部件組裝在一起并進行焊接，之后進行防腐處理。施工方面包括安裝鋼結構到基礎上，且要確保施工現場安全、整潔，準備好施工設備和材料，最后按照相關標準和設計要求對鋼結構進行驗收。

同濟大學鋼結構設計軟件操作指南

3D3S軟件在鋼結構設計中的應用案例

門式剛架結構設計的最新研究進展

鋼結構設計中的非線性分析方法