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建筑鋼結(jié)構(gòu)曲面項目分類及深化難點展示

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建筑鋼結(jié)構(gòu)曲面項目的類型多種多樣，涵蓋不同的結(jié)構(gòu)形式、功能應(yīng)用和技術(shù)特點。本文所述的鋼結(jié)構(gòu)曲面項目指的是主體鋼結(jié)構(gòu)中包含曲面桿件或節(jié)點的項目，比如從設(shè)計角度通常按結(jié)構(gòu)類型分類，一般可分為：網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)（單層/雙層）、懸索與索網(wǎng)結(jié)構(gòu) 、空間桁架結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)（張拉式/充氣式）、空間鋼框架結(jié)構(gòu)。作為下游鋼結(jié)構(gòu)深化及加工企業(yè)，更直觀的分類是按深化及加工難度進行分類，下面結(jié)合公司近幾年參與的鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計及詳圖深化項目按深化流程（桿件、節(jié)點、出圖）分類進行描述，便于大家直觀了解建筑鋼結(jié)構(gòu)曲面項目的分類及難點。

主體鋼結(jié)構(gòu)的彎曲分為兩種情況，桿件彎曲或者桿件為直桿通過空間節(jié)點過渡，用空間折線近似模擬曲線。兩者又細分為幾種類型，下面分別展開說明：

1、桿件_直桿件

1.1比如網(wǎng)架結(jié)構(gòu)通常桿件為直桿，節(jié)點為螺栓球或者焊接球，設(shè)計階段工作量較大，加工階段技術(shù)比較成熟。比較有代表性的項目為廬山西海服務(wù)區(qū)游客中心鋼結(jié)構(gòu)造型大棚項目，其中間主體結(jié)構(gòu)為雙層網(wǎng)架。

1.2比如鋼管混凝土拱橋的拱肋通常用多段線擬合二次曲線，每一段拱肋均為直桿，相鄰的幾段在工廠焊接為一節(jié)，然后運輸?shù)浆F(xiàn)場拼裝。深化及加工和施工難度均較高。比如新建上海至南京至合肥高速鐵路工程上海至南京段滬寧合滬寧橋通項目。

2、桿件_彎曲圓管

彎曲桿件的截面類型又細分為圓管截面及板拼截面，圓管因其各向相同性，作為空間桿件時，其僅存在彎曲，不存在扭轉(zhuǎn)，可以降低加工難度，且便于連接，是比較理想的彎曲桿件截面類型。深化階段主要難點是如何在滿足設(shè)計師造型要求的前提下降低加工難度，比如采用分段法把一條空間雙側(cè)彎曲的曲線拆分為多段，每段在滿足變截面、拼接、運輸及吊裝要求的前提下，采用數(shù)學(xué)算法修正為單曲線，所謂的單曲線為平面曲線，曲線修正需確保修正后的曲線滿足設(shè)計師造型及受力誤差要求。其次以誤差為控制指標，在允許誤差范圍內(nèi)，還可以繼續(xù)降低加工難度，比如把平面多次曲線采用二次曲線替代，主要為圓曲線，比如把矢高較小難以加工的圓弧曲線修正為直線。因彎曲圓管往往存在相貫口，對于非圓曲線及直桿一般需要出展開模型，便于導(dǎo)出相貫線切割數(shù)據(jù)用于下料。深化及加工難度相對較高。比如上圖廬山西海服務(wù)區(qū)游客中心鋼結(jié)構(gòu)造型大棚項目兩側(cè)及檐口為單層網(wǎng)殼，含有彎曲圓管，下圖項目為邢臺市國際會展中心C展廳主鋼結(jié)構(gòu)，其屋面梁多為交叉單片桁架，腹桿為直桿，弦桿為彎曲圓管，用到了上述深化技巧，如下圖所示：

3、桿件_彎曲板拼截面

此處板拼截面指的是由翼緣板和腹板組成的截面，一般翼緣板與腹板平面為垂直關(guān)系，如H型、C型、箱型等，其除了彎曲問題外還牽扯扭轉(zhuǎn)問題，為保證力的傳導(dǎo)節(jié)點構(gòu)造也較為復(fù)雜。具體細分為一側(cè)彎曲和雙側(cè)彎曲。

3.1、一側(cè)彎曲指的是翼緣板或者腹板中的一者存在平面外彎曲，另一者僅在平面內(nèi)彎曲或者為直板條，其不存在扭轉(zhuǎn)，僅存在彎曲，除了不能扭轉(zhuǎn)拼接，其他深化難點同桿件_彎曲圓管，當彎曲半徑較小且桿件長度≥3m時可以采用型材截面，當彎曲半徑較大時一般采用焊接鋼，大批量且為規(guī)則圓弧時也可采用型材熱彎，其平面外彎曲板均需要出展開圖。包含：

3.1.1翼緣板為曲面，腹板為平面，常規(guī)為拱形；比如萬華寧波高性能材料研究院實驗樓項目的主龍骨。

3.1.2腹板為曲面，翼緣板為平面，常規(guī)為平臺圓弧梁（如上圖中間頂部的圓形觀光室外平臺梁），還有特殊的一種情況為波紋腹板梁；比如新建合肥至新沂鐵路（安徽段）定遠站擴建工程候車廳鋼屋蓋項目中的直波紋腹板梁。

3.2、雙側(cè)彎曲指的是翼緣板、腹板均存在平面外彎曲，其存在扭轉(zhuǎn)，翼緣板、腹板均需要出展開圖，根據(jù)其展開圖及加工難度不同，又細分為如下7種情況：

3.2.1單側(cè)展開后為直板條，當腹板展開后為直板條，通常為旋轉(zhuǎn)樓梯；比如菲律賓卡巴那圖安醫(yī)療中心醫(yī)院項目及贊皇縣槐河防洪綜合整治工程監(jiān)測塔項目。

3.2.2單側(cè)展開后為直板條，當翼緣板展開后為直板條，通常為弧形波紋腹板梁；比如新建杭州經(jīng)紹興至臺州鐵路溫嶺至玉環(huán)段溫嶺西站站房項目。

3.2.3雙側(cè)展開后為直板條，如扭轉(zhuǎn)柱，通常為裝飾柱或者雕塑柱；尚未碰到待碰到后以留言形式補充例圖，如網(wǎng)友有做過的希望能留言分享。

3.2.4單曲+扭轉(zhuǎn)，雙側(cè)展開后均為弧形板條的一種情況，指的是桿件的中心線共面，為一條平面曲線，但是截面與此平面之間存在一個固定的或者變化的扭轉(zhuǎn)角度；比如沂河源文化中心建設(shè)項目B區(qū)部分屋面梁。

3.2.5雙曲無扭轉(zhuǎn)，雙側(cè)展開后均為弧形板條的一種情況，指的是桿件的中心線不共面，在平面內(nèi)及平面外均彎曲，但截面與視圖平面無扭轉(zhuǎn)，此種情況一般為造型需要，加工難度比較高，調(diào)圖要求高，深化應(yīng)盡量避免此種情況出現(xiàn)；比如萬華寧波高性能材料研究院實驗樓項目的部分檐口龍骨。

3.2.6雙曲+扭轉(zhuǎn)，雙側(cè)展開后均為弧形板條的一種情況，指的是桿件的中心線不共面，在平面內(nèi)及平面外均彎曲，截面與視圖平面存在扭轉(zhuǎn)角度，此種情況一般僅作為銜接過渡段，加工難度非常高，調(diào)圖要求高，深化應(yīng)盡量避免這種情況。其存在一種特例，其腹板每一段平面均垂直于一個視圖（通常為俯視圖）平面，此種特例相對會比較好加工，如無法避免，建議深化盡量優(yōu)化為此種特例類型；比如榆林市文昌和順嘉府商業(yè)改造項目水滴形采光頂項目的紅色箱型曲梁。

3.2.7彎曲+變截面，此種情況可能與上述3.2中的幾種情況組合，形成更復(fù)雜或者優(yōu)美的彎曲桿件；比如蘭陵縣東城新區(qū)蘭溪西路吳坦河大橋工程主拱。

4、桿件_整體彎曲

有些項目會存在一組桿件協(xié)同彎曲的情況，單獨一個零件的彎曲并不復(fù)雜，難點主要在如何協(xié)同彎曲，減少零件種類及提高定位精度上。比如蕪湖市軌道交通1、2號線疏散通道項目，比如中山北路站天橋項目。

曲面項目中桿件與桿件之間的連接節(jié)點均為空間構(gòu)造，實際深化中，需要結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗及加工施工經(jīng)驗，確保深化節(jié)點安全、易加工、易施工，對理論經(jīng)驗與實踐經(jīng)驗要求比較高。其可以細分為幾種類型，下面分別展開說明：

1、節(jié)點_螺栓球及焊接球節(jié)點

螺栓球及焊接球節(jié)點作為網(wǎng)架項目的典型節(jié)點，與桿件組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性高，構(gòu)造靈活，適合大跨度建筑，在曲面項目中具有明顯優(yōu)勢。其難點主要在設(shè)計階段，一般按鉸接模擬計算，加工技術(shù)成熟。

2、節(jié)點_鑄鋼節(jié)點及3D打印節(jié)點

鑄鋼節(jié)點及新興的3D打印節(jié)點均屬于剛接節(jié)點的一種，深化需協(xié)調(diào)設(shè)計單位及節(jié)點加工單位尋找合適的角度及構(gòu)型，確定最終方案，深化工作量較大，加工技術(shù)成熟。比如浙大邵逸夫醫(yī)院紹興院區(qū)1號樓大門雨棚項目及新建徐州至淮安至鹽城鐵路鹽城站站房項目。

3、節(jié)點_鼓型折板節(jié)點

鼓型折板節(jié)點屬于新興節(jié)點，節(jié)點通過在扭轉(zhuǎn)腹板之間插入中心圓管，使腹板得以連續(xù)，在扭轉(zhuǎn)翼緣板之間通過折彎多面板過渡，使翼緣板得以連續(xù)，使得桿件實現(xiàn)剛接連接。適用于曲面屋蓋及曲面幕墻的H型鋼桿件單層網(wǎng)殼節(jié)點構(gòu)造。比如曲阜源盛農(nóng)林有限公司新型足球烯溫室大棚項目。

4、節(jié)點_自定義節(jié)點

自定義節(jié)點一般用于特定項目，滿足特定項目的結(jié)構(gòu)受力要求和建筑造型要求，深化需協(xié)調(diào)設(shè)計單位及節(jié)點加工單位尋找合適的角度及構(gòu)型，確定最終方案，深化工作量較大，加工難度較高。比如新建徐州至淮安至鹽城鐵路鹽城站站房項目的立體桁架下弦折彎節(jié)點。

5、節(jié)點_融合式節(jié)點

融合式節(jié)點指的是桿件與桿件之間沒有獨立的節(jié)點，節(jié)點板及加勁肋分屬于主次桿件，用于連接主次桿件，通常可以由常規(guī)相貫線節(jié)點、鉸接節(jié)點或剛接節(jié)點變形得到，深化階段需熟悉相關(guān)節(jié)點設(shè)計規(guī)范及構(gòu)造要求，工作量較大，加工階段連接板定位難度較大。比如新建徐州至淮安至鹽城鐵路鹽城站站房項目的立體桁架腹桿與弦桿連接節(jié)點，沂河源文化中心建設(shè)項目B區(qū)屋面梁中的曲梁連接節(jié)點。

至此鋼結(jié)構(gòu)曲面項目按深化難度及深化類型分類已歸納完畢，如有遺漏或者知識盲區(qū)未涉及到的情況，還望行業(yè)相關(guān)領(lǐng)域網(wǎng)友予以補充。以上分類均為建模階段所需考慮，在滿足設(shè)計及加工施工要求的前提下，深化應(yīng)通過各種途徑盡量降低加工難度。至此深化工作已完成一半，下面講解出圖階段的難點。

1、出圖_展開圖

翼緣板及腹板展開圖是彎曲板拼截面桿件出具加工下料圖必要的一環(huán)，隨著激光切割機的普及，部分加工廠開始要求展開圖中包含螺栓孔及各種空洞，用于簡化工藝、提高精度。這是行業(yè)的趨勢，深化階段需考慮，比如沂河源文化中心建設(shè)項目B區(qū)屋面梁中的曲梁展開圖。

2、出圖_板定位

板定位包含構(gòu)件圖中的零件板定位及布置圖中的構(gòu)件定位。定位空間一塊板所在平面通常有2種表述方式，首先需要確定坐標系，可以為全局坐標系，也可以是局部坐標系。

1、幾何表示法：包含原點坐標Orign(x1,y1,z1)，法線方向向量Vz（x2,y2,z2），板平面初始方向向量Vx(x3,y3,z3),共計9個參數(shù)，使用這9個參數(shù)即可描述空間任意板平面，這里所說的板平面是指有邊界，帶方向的板所在的平面。

2、XYZUVW(Yaw,Pitch,Roll)表示法：Yaw Pitch Roll按照工具坐標系點位旋轉(zhuǎn)，幾何表示法并非最簡化的表示法，其Vz與Vx存在相關(guān)性，理論上可以通過UVW3個旋轉(zhuǎn)角度替代Vz與Vx 6個參數(shù)，其是可以相互轉(zhuǎn)換的。UVW的取值范圍均為-180°~180°，此表示方式常用于機械控制，現(xiàn)有幾何理論應(yīng)尚沒有統(tǒng)一定義，各個廠家及行業(yè)的轉(zhuǎn)換方式會有所不同，有待從數(shù)學(xué)理論角度統(tǒng)一轉(zhuǎn)換公式，常用的一種描述方式如下圖所示：

以上兩種表述方式各有利弊，但是都是嚴謹?shù)模瑢嶋H應(yīng)用中主要用于確定空間板定位，對于行業(yè)技術(shù)人員一般無需完全理解其含義，只需要會運用即可。比如當在構(gòu)件圖中定位一塊空間板時，可以套用兩種表示法的任意一種，當你能讀出不共線的3個點坐標，或者1個點坐標+2個方向向量，或者1個點坐標+3個垂直視圖或剖面圖中的旋轉(zhuǎn)角度時，即代表定位完成，可以用于檢查是否定位充分。具體采用哪種表述方式根據(jù)實際情況及車間使用習慣可自由選擇。當技術(shù)人員空間幾何理論知識扎實時，在曲面建模及出圖方面會有優(yōu)勢。

成果及意義

綜上所述，本文按深化流程（桿件、節(jié)點、出圖）分類對鋼結(jié)構(gòu)曲面項目進行了整理歸納，希望以此可以為設(shè)計師進行曲面項目設(shè)計及深化同行進行曲面項目深化提供更多思路。相關(guān)深化工作既是一個技術(shù)活也是一個體力活，吾輩當共勉。

鋼結(jié)構(gòu)曲面項目在整個鋼結(jié)構(gòu)加工行業(yè)中占比是非常少的，上文中未列舉到的其他類型項目也有其各自的特點，后續(xù)有機會再單獨展開討論。鋼結(jié)構(gòu)曲面項目一般出現(xiàn)于大型公共建筑（體育場館、機場、車站等）、文化與展覽設(shè)施（劇院、博物館、展覽中心等）、商業(yè)綜合體、高層建筑曲面幕墻等。其主體鋼結(jié)構(gòu)深化的好壞直接關(guān)乎造型效果及加工施工難度，聘請專業(yè)的深化設(shè)計公司可以更好地應(yīng)對項目進行中遇到的技術(shù)難題，規(guī)避潛在風險，體現(xiàn)了現(xiàn)代化項目管理體系下的專業(yè)化分工要求。

在此感謝客戶的信任與支持，有幸為客戶助力，也為大家提供一個交流的窗口，謝謝。

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