空间曲面

2024-10-07

空间曲面（共6篇）

空间曲面篇1

一、前言

近年来, 随着国内劳动力成本的提高, 单元式幕墙与框架式幕墙之间的成本差距已经缩小, 而另一方面, 随着市场对建筑幕墙品质要求的不断提升, 单元式幕墙质量一致性好以及施工速度快的优点开始突出起来, 这些有利的因素开始推动单元式幕墙在高层、超高层建筑中逐渐普及。

单元式幕墙在工厂完成单元组件制作, 将面板安装在单元组件框上, 而单元组与主体结构的连接构件安装在单元组件内侧, 在吊装时单元组件与主体结构的连接在内侧操作。单元组件间靠相邻两单元组件相邻框对插组成。

不过, 单元式幕墙使用也有局限。其构造复杂, 不适合做多规格少批量的生产。所以一般都希望尽量能统一规格, 以形成一定的加工批量。另外单元式幕墙密封系统采用等压腔原理, 其比普通框架式的密封胶封闭工艺要复杂, 对单元板块互相插接后所形成的腔体也有严格的要求。这就要求立面造型尽量简单。所以一般情况下, 单元式幕墙适合用在立面规整、造型简单的建筑中, 而立面复杂的建筑则多使用框架式幕墙。

以往的高层和超高层建筑大都符合单元式幕墙的使用条件, 一般都是较大的体积和较为规整的立面。但人们总向往能够得到与众不同的东西, 所以像鸟巢、央视大楼这一类造型奇特的建筑便应运而生了。这对我们来说, 意味着市场正在形成一个新的需求, 有必要进行这一领域的技术探索和研究。

二、技术难点

在之前的许多项目中, 由于建筑表现的需要, 有时需要将一些扭曲的复杂空间曲面应用于建筑外表。这一类项目的幕墙构造也是采用平板材料来模拟空间曲面, 对于圆锥、圆球一类的规则空间曲面, 还可以采用一组梯形平面板块来模拟, 但对于不规则的复杂空间曲面则往往只能采用三角形的平面板块来模拟。

这种情况主要是因为复杂空间曲面很难划分出四点共面的四边形板块, 因而相邻四边形板块边缘就不能彼此完全重合, 从而无法形成有效密封。而三角形的板块不存在顶点不共面的问题, 可以保证相邻板块的边缘完全重合, 有效解决幕墙的密封构造问题, 所以广泛应用在复杂空间曲面的划分上。

但是, 三角形板块的应用障碍是视觉效果不好, 尤其是从室内观看的效果尤为突出, 一是三角形的斜边破坏视角的通透性, 二是由于倾斜的线条过多且会在视觉上显得比较杂乱, 所以在使用过程中, 其效果不如四边形板块好。

三、解决方案

国际上一些流行的做法, 大都采用对碰式的密封技术。这种方法是将单元板块侧面安装两圈空心胶条, 单元板块安装时板块对碰, 靠胶条的压缩变形实现密封。这种做法的好处是构造简单, 但缺点是密封不佳。由于胶条的尺寸与相邻两个单元板块的胶条无法对齐, 所以必须通过加大胶条的叠合面积来解决板块的错动问题。错动量越大, 胶条尺寸就越大, 否则会在错动的单元板块间会形成局部缝隙, 无法形成密封腔体。

对于水密性能要求很高, 加上板块之间的错动量较大的单元幕墙, 不适合采用传统的‘对碰密封’技术。如何对传统的‘对碰密封’技术加以改造呢?我们通过分析后, 采用了一个新的思路, 将用于碰接的密封部分和用于安装玻璃的框架部分分解成两部分, 即可解决这个问题。沿着这个思路, 我们需要做以下几个工作:

1. 密封组件和框架组件之间的连接及工艺

复杂空间曲面在划分四边形板块时, 单元板块规格会非常多, 但每种规格的数量很少, 甚至有的规格只有一块。考虑到加工生产所面对的困难和挑战, 必须在工艺设计上尽量降低生产和施工的工作量。

如图1, 在构造设计过程中, 采用了平面四边形的板块边框配合活动密封槽的构造。这样将拼接板块由空间四边形转化为平面梯形, 降低了加工难度。在密封槽的设计上, 采用固定密封槽 (与板块边框成为一体) 与活动密封槽搭配的设计。之所以不采用纯活动密封槽搭配的原因, 是活动密封槽与固定密封槽搭配方式可以比纯活动密封槽搭配减少一半的零件数量, 这对生产加工带来很大的好处。

活动密封槽与板块边框之间采用螺钉连接。由于活动密封槽在板块边框上安装固定时需要调整角度, 为方便调整安装角度, 在活动密封槽上开条形孔, 并设置防滑纹。这对于加工生产而言, 无需精确测量及加工, 以简化加工难度。

与板块边框加工不同的是, 活动密封槽的端头加工需要切空间角度。保证足够加工精度需要以降低生产效率为代价。但我们经过分析后认为, 密封槽的功能仅为构造幕墙的密封系统所用, 其本身并不外露, 因而在能保障接头密封的情况下可以放松接缝的拼接要求, 这样可以较大幅度地提高生产效率。当然, 为保证在降低接缝工艺标准的情况下仍然可以满足接头的密封要求, 我们在密封槽拼接接缝部位用EPDM发泡垫片来消除误差。EPDM发泡垫片因其耐老化性好, 现场处理比较容易, 同时减少加工厂打胶, 可以节省加工时间。

2. 保证对碰胶条严格对齐

单元式幕墙基本构造如图2, 从图中可看出, 等压腔达到防水的关键是密封条的对碰及密闭。因此确保对碰的胶条对齐是本次设计的一个重点, 这直接影响水密性能和气密性能是否能够满足设计要求。由于本项目板块均为空间定位, 因此板块之间不能维持横平竖直的对照关系, 所以单元板块安装时很难准确定位在理论的空间位置上。但单元板块一旦因为安装定位偏差, 就会造成密封槽的对碰胶条错位, 从而影响密封效果, 严重的还会导致密封系统失效。因此在设计采用了一个新的思路, 在活动密封槽之间加装定位角码, 通过其定位来消除误差, 确保本胶条中心线在同一位置, 从而使气密性和水密性能满足要求。我们在密封槽设计上采用了活动密封槽和固定密封槽搭配的方法, 并在固定密封槽内设置了导向定位器 (定位角码) 来确定活动密封槽的安装。在两个板块对碰的过程中, 导向定位器可以纠正板块之间的拼装偏差, 从而确保对碰胶条严格保持对齐。

三、结束语

随着社会的不断发展, 单元式幕墙应用越来越普遍, 在保证建筑师外立面效果和幕墙本身的性能前提下, 突破四边形板块用于复杂空间曲面的技术难题很有意义, 与现有技术相比, 我们的技术方案较好地解决了此类产品的密封问题, 从而使单元式幕墙在复杂空间曲面中得以应用。

空间曲面篇2

中央站房由五个主拱作为支撑, 截面为椭圆变截面钢管, 单拱最大跨度116m, 最大拱顶中心标高为58.157m, 拱上有树枝状V型锥管支撑, 用于支撑纵横管桁架形成的屋盖结构。屋盖投影面积为307.813m×184.00m, 纵横桁架将屋盖结构划分为58×33个单元网格, 横轨桁架为空间双曲双拱结构, 顺轨桁架为平面桁架, 横轨桁架为屋盖结构的主受力构件。

2. 总体方案选择

武汉站建筑造型、结构形式以及现场施工环境, 采用“大型滑移胎架”进行施工, 即在结构原位下方分区搭设大型滑移胎架支撑体系, 结构部件吊至高空组对安装, 结构单元片区形成整体稳定后, 胎架滑移至下一区间施工。

本项目在施工前还针对大跨度钢结构其它常见施工方案进行了思考, 但都局限于武汉站的特点而不适合。

2.1 原位胎架施工法

针对一些工期相对轻松的工程, 原位胎架 (原位满堂脚手架或胎架) 具有施工安全、方便定位等优点, 但本工程施工工期十分紧张, 原位设置脚手架, 其安拆时间过长, 将极大的影响后续土建施工。

2.2 提升施工法

对于规整的单层、支撑简洁的多层平面结构, 比较适合采用提升法施工。

就本工程而言, 结构刚度相对较弱, 提升点的布设困难;支撑体系复杂, 高空对接就位质量难以保证;提升施工不可预见风险较大。

3. 吊装单元的划分与选择

选定了胎架滑移施工整体安装方案, 吊装单元的划分与选择方式又将成为研究的重点, 其对施工质量与进度影响重大, 针对桥建合一武汉站的特点, 共有三种单元划分形式:散件 (相贯杆件) 高空拼装;大单元地面拼装整体吊装;散件与片状结合施工。

3.1 散件 (相贯杆件) 高空拼装

主要施工方法:桁架所有杆件在工厂下料, 高空直接组对相贯口及所有节点板。

方案优点:相对减少工厂及地面拼装工作量, 降低了构件运输要求;杆件直接焊接, 相对减少了现场对接接头。

方案缺点:单节点相贯杆件数量较多且重叠相贯, 另有多板穿插其中, 组对、施焊时须先后进行, 部分焊缝在高空无法施工焊, 质量难以保证;现场施工工作量增大 (112300个相贯口、11500块穿心节点板、9870个非穿心节点板、34300块加劲板) , 工期难以保证;现场安装测量定位困难, 施工质量难以保证, 不可控因素多;节点焊接量大且集中, 焊接变形大, 容易形成较大的焊接残余应力, 对结构整体受力不利。

3.2 大单元地面拼装整体吊装

主施工方法:将2—3桁架在拼装场地进行整体拼装后, 采用大吨位吊装设备吊装就位。

方案优点:结构整体性相对较好;减少高空焊接工作量。

方案缺点:现场施工场地狭小, 无法提供拼装作业面, 只能进行场外拼装, 但限于道路及桥梁施工影响很难运输;两片结构体积通常达18.75m×8m×7.5m, 单块整体刚度较差, 吊装运输时容易造成结构永久性损坏。

3.3 散件与片状结合施工

主要施工方法:根据现场运输道路及塔吊起重能力将桁架分成部件 (高度大的分上下弦及腹杆, 其它的整片分段) 高空进行吊装。

方案优点:不受拼装进度的影响, 可多点位展开施工;合适的构件大小 (构件体积18m×3m×2m) , 能充分高效的发挥常用运输和吊装机械的能力;将整个工程的工作量合理地分配给加工厂和现场安装, 更充分的发挥了各自的优势;将复杂节点 (多管相贯和多板贯穿杆件以及加劲板的焊接) 的焊接放在了加工条件更好的工厂施工, 更好的保证了工程质量。

方案缺点:相对增加了现场对接接头;变形需严加控制。

综上, 三种吊装单元的划分均有其优势及缺点, 根据武汉站钢结构的特点, 选择“散件与片状结合施工”。

4. 具体的分段原则

4.1 桁架高度不大于2.5m

4.2 桁架高度大于2.5m

5. 结论

空间曲面篇3

1 空间异型曲面钢结构的应用

21世纪以来, 空间异型曲面钢结构的出现为土建结构领域的发展起到了促进性作用, 日常生活中所常用到的空间异型曲面钢结构主要有空间桁架结构、悬索结构和网壳结构膜结构等。因空间异型曲面钢结构作用于空间内, 因此它的荷载、内力与变形属于三维状态, 是一般二维设计无法与之媲美的。由于以上特点, 空间异型曲面钢结构做到了经济、美观与高效, 它的问世得到了迅速的发展。

管桁架结构利用了钢管自身特有的优越受力性能同时配合美观的外部造型形成独特的结构体系, 以此满足了钢结构在设计上的最新观念, 以承重与稳定作用的构建组合及材料集中使用来发挥其空间性作用。

钢索、边缘构件与下部支承结构共同组成了大跨度屋盖的悬索结构, 在一定的静荷载下, 要先确定完整的悬索结构在原始的荷载作用之下的原始状态, 并计算出荷增量和索支点位移对温度造成的变形。

网壳结构可以由多根杆件组成网格后形成曲线形来实现, 它可以分为单曲和双曲两种形式。网壳可以与网架结合形成双层形态, 这时因节点呈铰接状态, 其杆件受力形式为轴向力。网壳由于曲率, 做出节点, 使杆件能承受附加弯矩或扭矩, 也可以做成单层形态。虽然网壳与网架大小不一、形态各异, 但其材料与截面基本相同, 杆件与节点都是同样类型可以重复使用。这种有利的条件使得许多标准化的网络结构体系得到了很好的开发与应用, 而且形成了其专属的工业化生产线。

20世纪中期逐步发展起来了一种全新型的建筑形式———膜结构, 所用的膜材料则是由涂层和基布这两个部分组成的, 而基布所采用的材料主要为玻璃纤维和聚酯纤维;而涂层选用的材料则主要以聚四氟乙烯和聚氯乙烯为主。其作为一种覆盖结构能够承受一定的外荷。

2 安装中的技术要点

以杭州奥体中心主体育场现场施工为参考, 其安装中的技术要点主要由支座预埋件部分、支座部分主花瓣部分和次花瓣部分的安装组成。

2.1 支座预埋件的安装

支座预埋件的安装主要考虑到其荷载的传递问题。上下两道竖向支座和中间的一道支座提供了它的支撑固定。它主要是从罩棚钢结构与两道竖向支撑来传递。随后竖向支撑把荷载继续传递给混凝土柱子, 再由基地传输到地基。支座预埋件安装时其施工单位要派专人进行监护工作, 其安装跟随土建主体结构进行施工, 必须保证安装精度的合格, 为上部钢结构的安装做好准备。

2.2 支座安装过程

体育场的铸钢支座分上中下三部分。铸钢上支座的安装将与看台土建进行同步施工, 在安装时将其局部预埋在看台里, 与看台劲性柱形成连接, 采用了100 t的履带吊把支座吊安装到固定位置。

钢结构开工之后开始进行铸钢中支座的安装, 其采用焊接与看台楼层侧面的预埋钢板进行连接, 安装时需设置临时的支撑架辅助进行, 当焊接完成后再将临时支撑架拆除。

下支座作为铸钢节点因六支管的交汇而形成, 因铸钢件较重分设4个吊点, 在场外采用400 t履带吊对其进行吊装就位工作, 因下支座在调整到预先设计的坐标后, 要实行双人对称焊接, 架设全站仪对场外的测量点进行测量并对各个管口坐标进行校准测量工作。

2.3 主花瓣的安装

主花瓣的安装需划分为8个单元对其进行现场的拼装和吊装工作, 其主要是整片主花瓣的重量高达300 t所致, 在场地内不可能进行一次性的拼装及吊装工作。而各个单元分段的重量也是有所差异的, 对各个单元的重心问题、结构形式问题和拼装形式的问题进行吊装工作。

2.4 次花瓣的安装

次花瓣的安装是由屋面与里面这两种形式构成。索桁架结构是屋面次花瓣的主要结构, 单层网格结构式立面次花瓣的主要结构, 结构不同导致安装的方法也不同。

立面次花瓣是被上、下2个节点支撑着的。上节点主要与主花瓣桁架进行相贯连接, 而处于主花瓣罩棚下面的下节点则是采用铸钢节点和埋件进行连接, 在进行立面次花瓣安装的时候, 如果首先安装主花瓣桁架, 以后将没有操作空间, 因此要先安装立面次花瓣。立面次花瓣有很高的安装标准, 它处于倾斜的状态, 在安装的时候要通过下部弦杆位置的链接耳板与上端的缆风控制。

3 质量与安全监控

3.1 质量监督

空间异型曲面钢结构在应用中的质量监督方面主要包括原材料的质量监控、生产制作当中的质量监控及施工过程当中的质量监控这三个方面。原材料方面主要是自原材料被运入工厂仓库后对其进行数量清点、重量计算、材料材质及外表质量检查, 对所选用的原材料做严格的筛选工作, 切实保证所需材料的合格, 做完这些工作后, 再由专人进行二次审核, 严格对待原材料的选用, 审核合格后方可投入加工。在生产过程中, 要做好技术交底、质量评定和完善资料等前提工作的安排, 并且在投入生产时, 要注意原材料的保护, 防止在搬运时损坏材料从而影响了生产质量。在现场施工前, 要先对施工时用到的材料做检查工作, 确保所用材料质量达标, 同时在施工的过程中严格监控施工人员的工作, 施工人员在施工时必须严格按照施工要求开展工作。另外在进行全过程的焊接质量控制时, 业主可以委托第三方对钢结构焊缝进行百分百的检测, 以此做到在施工过程中的质量监督。

3.2 安全监督

无论在任何地方任何时候, “安全第一”一直是人们老生常谈的问题。因此在进行土建施工时必须做好监督工作, 安全的一切后果都是由对待安全的态度造成的, 所以必须要抓紧安全工作, 而施工人员必须具备较高的安全意识, 这样才能做到见微知著、防微杜渐。其实说到底, 要保证安全, 人的因素是第一位的, 在进行安全监督管理工作时, 要不断健全和完善安全生产管理制度, 对安全生产实行全员、全方位、全过程的管理。同时加强教育培训工作, 提高员工素质。而空间异型曲面钢结构在应用中的安全监督方面主要是设备在运行中的安全操作, 在建设中的特种作业人员必须执行持证上岗, 经过专项的安全培训并考试合格后方可上岗, 并且在施工过程中, 因为高空作业量较多, 因此在高空作业时必须严格按照安全带的正确佩戴方式系好安全带, 时时刻刻铭记安全才是第一位。要把安全体现到实际工作中, 安全工作最终才有保证。另外在土建施工中, 安全帽的正确佩戴也是必不可少的, 与安全带的佩戴一样, 安全帽的佩戴也要按照其规定来正确使用。

4 结语

目前, 空间异型曲面钢结构在我国各个大型场馆的设计和建设正可谓是蒸蒸日上。作为现代化进程下的结构工程师们, 应当理性的去分析、认知各类结构形式的特点, 在做出方案时就应处理好有关结构概念等方面的设计问题, 排除各类隐患, 为以后的工程进展打下良好的基础。而随着空间异型曲面钢结构在建筑工程中的大量运用, 还必须对其建筑工程质量做好监督管理的工作。

参考文献

[1]汪进, 李扬, 刘明峰, 等.空间异型曲面钢结构安装技术应用例析[J].建筑, 2014 (5) :19-20.

[2]邱继军.异型空间网架结构快速成型[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学硕士学位论文, 2012.

空间曲面篇4

建筑钢结构产业是衡量一个国家经济实力和科技水平的具体体现之一，在我国城市经济快速发展的同时，高层重型钢结构、大跨度空间钢结构、轻钢结构、钢混凝土组合结构、钢结构住宅等钢结构的运用，充分展示了它的建筑魅力和无限发展空间。

我单位承建的聊城市体育馆工程钢结构网架为空间双曲面形式，根据工程特点及难点在施工过程中采用了施工图深化设计技术、数控相贯线切割技术、高频弯管技术、空间三维测量定位技术、吊装计算机仿真等技术，这些新技术的应用，保证了工程质量，加快了施工速度，降低了工程成本，并顺利通过了业主、监理等单位的验收，受到了社会各界的好评，故将空间双曲面形式钢结构网架施工技术进行总结，以便推广应用。

1. 特点

1.1 针对该屋面工程为空间双曲面钢结构网架的特点，运用该技术成功解决了空间节点定位难度大;结构高度大，覆盖范围广，吊装作业难度大;高空焊接作业量大，焊接应力及变形对结构影响大;网架安装支撑体系采用脚手架+标准支撑架组合形式及其拆除卸载分析等技术难点。

1.2 技术含量高，整个安装施工过程充分应用Midas进行了有限元计算，并对工程结构子结构应力进行了分析。

1.3 简单灵活的实现了大跨度和复杂的几何结构造型。施工速度优势明显，不受季节施工影响。

1.4 建筑节能效果明显，节约用材。有效的提高使用空间。开间比混凝土结构提高50%。

2. 适用范围

适用于各种大型体育场馆、会议场所、博物馆等大跨度、多曲面和复杂几何造型要求的钢结构网架的应用。

3. 工艺原理

通过利用先进的深化设计软件，建立结构模型对图纸进行深化设计;利用数控相贯线切割技术提高加工效率，对管件的切割精度、平滑、切割坡口一次性完成;利用高频弯管技术对大口径钢管进行弯弧精度高，保证曲线美;利用空间三维测量定位技术进行空间模拟定位，反算数据，全站仪和激光铅直仪实施控制;利用吊计算机仿真技术强大的计算能力，对施工过程进行模拟，为支撑体系方案的编写、安装和整体卸载提供了保障，避免施工过程中各种不利因素。

4. 工艺流程及操作要点

4.1 工艺流程

4.2 操作要点

4.2.1 深化设计

认真熟悉施工图纸与相关图集，并对施工图进行深化技术设计，在设计图的基础上翻样生产加工图及安装图，按主体网架、支撑檩条及屋面板的先后次序进行翻样，以保证与生产、安装的一致，利于加工、运输现场堆放和安装的交叉作业，缩短工期进度，保证工程质量。

4.2.2 编制专项施工方案，并经专家论证。

邀请专家现场调研，组织专家论证会签，查找相关新技术、新工艺，编制切实可行的各阶段施工方案。

4.2.3 工厂化制作

本项目网架制作主要螺栓球、杆件、套筒、封板、锥头、支座、支托等构件。采用专业工厂一体化加工制作，把好各种材料、设备、成品半成品的进场验收关，应进行现场取样的必须进行抽样检测，符合要求后方能进场入库。严格按照ISO9001质量保证体系为基础，结合公司企业标准，对每道工序的生产人员和检验人员制定操作规程手册，严格按照要求进行检验，每道工序生产过程都需有车间首检、巡检和完工检，每道工序检验完毕后由专职检验员贴上“零部件合格证”后才准转序。

4.2.4 吊装工程施工

本工程充分利用计算机建立模型进行吊装分析。首先进行吊装计算机仿真技术模拟吊装，进行结构子结构内力分析，主要是利用计算机技术及强大的计算能力，建立吊装计算模型，进行各种工况下最不利荷载分析以及破坏性。通过计算，避免实际施工过程中可能造成的一些不必要的损失，同时可确定最佳吊装方案，降低工程施工费用。

确定吊装原则采用分步分段吊装方案：三步依次为网架支撑范围内的螺栓球网架部分;安装悬挑钢网架和悬挑钢桁架部分;安装四个落地钢桁架及悬挑钢桁架和中间连接上弦桁架。三段依次为落地主拱刚桁架进行分段吊装;悬挑钢桁架分段吊装;其余钢桁架分件吊装高空散装，网架部分组成拼装构件进行吊装，高空散装。

代表性构件拼装、节点见下图。

基准点交接与测放：首先利用空间三维测量定位技术，进行空间模拟定位，反复数据可靠后现场复测基准点，以此为依据，进行钢结构基准线和轴线的放线和测量并与土建结构的轴线和标高交接，并进行钢结构临时支撑点的放线测量和定位。

拱架吊装方法总述

主要吊装思路：主拱架分为五段，采用50t大型汽车吊分段吊装和场内双机抬吊相结合的方式进行。

吊装构件分段

主拱：以斜拱为界，将主拱桁架分为内外两部分，内部双机抬吊不再分段，最大重量175.1吨，外部等分为两段最大重量92.5吨。

副拱：在与斜拱相连部分留1米左右杆件最后与斜拱连接固定，余下单侧拱架按照1:2的比例分为两段，其中较大的一段有一端落地。副拱最大重量56.2吨。构件的分段见“桁架吊装分段图”。

斜拱和内圈桁架:以主拱为界分段。

吊点位置和吊点数的选择：根据桁架形状，截面，长度，起重机性能等具体情况确定。

由于桁架截面为三角形，为了保证分段桁架在吊装过程中的稳定形，空中姿态的可调节性，并防止分段桁架发生变形，采用四个吊点，分别位于距离分段桁架两端1/3处，两侧吊点相距15m左右。

拱架安装的顺序

第一步——外围主拱、副拱以及斜拱的安装

根据土建及场地情况首先进行东部结构的施工。施工中采用两台50t汽车式起重机，场内场外各一台，同时从场地南端或北端开始向前推进。待安装完一个分区钢结构后再转入下一分区钢结构的施工。吊机在绕场一周后完成整个第一阶段的安装任务。从而减少了吊机的往复运动，使施工进度更加紧凑。

施工一区至施工四区安装内容基本相同，具体以施工一区安装为例进行说明，施工一区主拱及斜拱的安装共分13个安装分段进行安装。

第二步——中间主拱及内拱的安装

中间部分桁架包括主拱的中间部分及内拱两部分。中间部分桁架的安装由两台400t履带吊抬吊完成。在吊装过程中，吊机从场地一端开始进行吊装，在完成榀主拱ZG-E拱的吊装，然后在进行两榀内拱NG-1的吊装，以此类推，完成后续主拱及内拱的吊装。

分段吊装高空对接的解决

在拱架分段处下方搭设临时高空支撑平台，解决分段拱架的高空定位要求, 分段拱架间高空采用耳板连接装置来对钢拱架实施空中对接，在整榀拱架安装完成，进行检测无误后，实施最终焊接。

构件吊装后在高空中的上下之间的微调采用设置在高空支架上的竖向千斤顶来完成，侧向主要利用支撑架上的拼装胎架来保证构件的相对位置，在利用设置在胎架两侧千斤顶调整侧向位移，在到调整到构件的安装预计位置进行整体的焊接工作。

施工五区的安装

中间部分桁架包括主拱的中间部分及内拱两部分。中间部分桁架的安装由两台50t汽车吊抬吊完成。在吊装过程中，吊机从场地一端开始进行吊装，在主拱ZG-F吊装完成后，把副拱FG-E与斜拱XG的连接杆安装上去，使斜拱与副拱形成整体;在完成榀主拱ZG-E拱的吊装，然后在进行两榀内拱NG-1的吊装，以此类推，完成后续主拱及内拱的吊装。

吊装由两台50吨吊机从南向北退着吊装。

整个安装区安装主要过程共分14个安装步骤进行吊装。

主拱ZG-C、D中间分段吊装。

双机抬吊时，要根据起重机的能力进行合理的负荷分配(每台起重机的负荷不宜超过其安全负荷量的85%)并在操作时要统一指挥。两台起重机的驾驶员应互相密切配合，防止一台起重机失重而使另一台起重机超载。在整个抬吊过程中，两台起重机的吊钩滑车组均应基本保持铅垂状态。

4.2.5 满堂脚手架施工

结合工程实际情况采用“搭设扣件式满堂脚手架+标准支撑架，高空散装”的施工方案，支撑体系采用脚手架+支撑架的组合形式，脚手架在球体的投影范围内满堂搭设。并进行结构子结构的内力分析，安装过程必须遵循“变形协调，对称安装”的原则，否则将会使网架结构或者整体结构失稳(方案已经专业计算及专家论证)。下图为子结构内力分析及拼装图。

4.2.6 钢网架结构完成后及屋面工程完成后应分别测量其挠度值，用钢尺和水准仪实测，且所测的挠度值不应超过相应设计值(L/250)的1.15倍。

4.2.7 满堂脚手架整体卸载施工

钢网架安装后，在拆卸临时支点时注意同步，逐步的拆卸，防止应力集中，使网架产生局部变形，或使局部网格变形。

5、材料与设备

合理安排工程材料计划，对材料采购、加工、制作、安装的每一环节进行全面、细致有效的管理和监督确保工程材料质量。

投入本工程的主要机具有抛丸设备1台、汽车吊4台、平板车1台、电焊机30台、碳弧气刨2台、气割设备10套、切管机3台、钢管坡口机1台、网架双枪环缝自动焊接机2台、等离子切割机3台、相贯线切割机1台、钢管专用抛丸机1台、超声波探伤仪2台、干漆膜测厚仪1台等共计30余种160个型号规格。

6、质量控制

工程施工时除应严格执行《钢结构结构施工质量验收规范》GB50205-2001、《钢结构设计规范》GB50017-2003、集团总公司企业标准等规范标准外，还应遵守以下几项规定。

6.1 钢结构安装时，必须控制屋面、楼面、平台等的施工荷载，严禁超过设计图纸和相应规范要求。

6.2 永久性的普通螺栓，每个螺栓一端不得垫2个及以上的垫圈，螺栓拧紧后，外露丝扣不少于2扣。

6.3 钢结构施工单位对其首次采用的钢材、焊接材料、焊

接方法、焊后热处理、负温下焊接等，应进行焊接工艺评定，并应根据评定报告确定焊接工艺。

6.4 钢网架的支撑顶板和支座锚栓位置必须符合要求;

网架的挠度不得超过设计的1.15倍，螺栓球节点应将所有接缝用油泥子填嵌严密，并将多余螺栓孔封口。

6.5 支撑面顶板、支座锚栓位置的允许偏差值项目允许偏差

支撑面顶板位置15.0

顶面标高0～3.0

顶面水平度L/1000

支座锚固中心偏移±5.0

6.6 钢结构的防锈等级，防火涂料厚度必须符合要求。

涂料、涂装遍数、涂层厚度应符合设计和规范要求，当设计对涂层厚度无要求时，涂层干漆膜总厚度：室外应为150μm，室内应为125μm，其允许偏差为-25μm，每遍涂层干漆膜厚度的允许偏差为-5μm。

7、安全措施

在作业中，所有作业人员必须遵照《建筑施工高处作业安全技术规范》JGJ180—1991、《建筑机械使用安全技术规程》J119—2001、《施工现场临时用电安全技术规范》JGJ46—2005等规范标准规定外，还应做到以下几项要求。

7.1 全部作业人员必须按专业持证上岗，不得无证操作;

7.2 安全防护用品配备齐全，高空作业时必须佩戴合格的安全帽、安全带、防滑鞋等其它防护用品。

7.3 作业中使用的电器及设备，必须达到“三级配电、两级保护”，漏电保护装置灵敏可靠。

7.4 所有作业人员作业前应进行查体，确定无疾病后方可作业。

7.5 工作期间严禁饮酒。

8、环保措施

主要采取以下几个方面的措施：

8.1 周边地下管线及建筑物、绿化带保护措施。

8.2 防止大气污染。

8.3 防止噪声污染。

8.4 对光污染的控制。

9、效益分析

9.1 由于施工方案安排合理，保证工程顺利进展，使工期提前16天完成，仅支撑体系一项就节省周转工具费用56万元。

9.2 通过应用施工图深化技术、数控相贯线切割技术等应用使其材料精度和加工效率提高，未出现返工重做现象，大大减少了材料浪费，节约材料27.5吨，节约资金16.5万元。

9.3 在起重吊装设备的选择上，做到了配置合理，制定方案正确，使该工程预算机械费用450万元降低到360万元，节约机械费用90万元。

对于本工程特殊的构造形式，总结了一套较完整的施工工艺及经验，为今后同类结构形式或相似结构形式的工程项目打下了良好的基础。施工中杜绝各类安全事故的发生，展示了企业的整体施工能力，树立了企业在社会上的良好形象，取得了良好的经济效益和社会效益。

1 0、应用实例

聊城市体育馆工程由山东聊建集团总公司总承包施工，工程位于聊城市湖南路以南，徒骇河以东，是十一届全运会比赛场馆工程之一。该工程平面呈圆形布置，立体效果为马鞍状，表现出了流动性和动态感，流畅的动感及韵律感贯穿于整个建筑形体，充分体现了现代化的体育建筑的特性。共设有5906个座位，可以满足举办篮球、排球等多项赛事的要求，是聊城市标志性建筑之一。屋顶为空间双曲面钢结构屋面，宏伟壮观，建筑面积16854平方米，钢结构总用量约680吨。施工过程中采用了施工图深化技术、数控相贯线切割技术、高频弯管技术、空间三维测量定位技术、吊装计算机仿真等技术，确定了“搭设扣件式满堂脚手架+标准支撑架，高空散装”的施工方案，支撑体系采用脚手架+支撑架的组合形式，卸载采用“变形协调, 卸载均衡”的施工方案，搭设与卸载拆除过程中各项变形指标均在设计及施工方案要求范围之内，达到了理想的效果。

空间曲面篇5

关键词：曲面打标,多轴联动,插补

随着西气东输工程的进行以及能源行业的发展,国家对能源气体存储设备(气瓶、管道)有着巨大的需求量。气瓶在出厂前须将编号、工作压力、壁厚、容积、生产日期等符号打印在气瓶肩部球体上,管道在实际使用中也许打印直径、管长等参数于管道端部环状曲面。现有气瓶和管道打标机都是在二维平面打标机[1]基础上加装旋转控制装置,只能针对特定尺寸进行打标,因此研发一种新型空间曲面打标机械架构具有迫切的现实意义。

1 系统原理分析

如图1和图2所示,气瓶和管道标记打印位置为球体面和环状曲面,相比平面打标机而言,曲面打标机需增加曲面定位功能,要求其机床架构具有多坐标轴移动和多坐标轴转动。根据ISO规定,数控机床采用右手直角坐标系,即平行于机床主轴的坐标轴定义为Z轴,平行于工件装夹平面并平行于主运动方向为X轴,绕X、Y、Z轴的旋转坐标为A、B、C。考虑到工程实际中的需求[2],本新型空间曲面打标机械架构采用两坐标轴移动三坐标轴旋转的空间结构,其中分别为X和Z方向上的直线移动,绕Y轴和X轴的转动以及打标头绕空间一般轴Φ轴的旋转。

将打标头在工件坐标系中运动的打标点轨迹转化为机床坐标系中的值,假设工件坐标系Y OwXwYwZw在加工开始前与机床坐标系OXYZ平行,对应于工件上任意打标点位置在工件坐标系中的坐标为Pw(xw,yw,zw),打标头轴矢量(工件坐标系中的单位矢量)为κ。如图3所示的工件坐标系OwXwYwZw的原点Ow在机床坐标系OXYZ中的坐标为(xo,yo,zo),经过X、Z方向移动和Y轴、X轴、Φ轴的旋转后,OwXwYwZw随同工作台运动至OnXnYnZn。对应任意加工点的打标点位置Pw(xw,yw,zw)随工件坐标系运动到Pn(xn,yn,zn),Pn为机床打标时打标点在OXYZ中的位置的运动坐标。主要通过以下平移变化和旋转变换求得:(1)Pw绕B轴旋转;(2)Pw绕C轴旋转;(3)Pw绕Φ轴旋转;(4)将Ow平移至O点。上述步骤对应的坐标变化矩阵分别为M1、M2、M3、M4,机床的运动坐标x、y、z可通过式(1)求得

式中,κx、κy、κz为一般轴的单位矢量κ的3个方向的分量;V为versΦ=1-cosΦ的缩写;S为sinΦ的简写;C为cosΦ的简写;

2 新型空间曲面打标机械架构设计

根据式(1)中所建立的两轴移动、三轴旋转数学模型,新型空间曲面打标机械架构设计如图4所示,包括坐标轴驱动伺服电机、字盘轮、冲击气缸、夹紧油缸等部件。

1.床身2.工件(气瓶)3.字盘轮4.字盘轮转动伺服电机5.Z轴移动伺服电机6.冲击气缸7.Y轴旋转伺服电机8.打标针9.X轴旋转伺服电机10.夹紧油缸11.X轴移动伺服电机

新型空间曲面打标机械架构整体关键之处在于气动打标头。其中,冲击气缸由螺杆、储气缸、冲击缸、副缸、活塞杆组成,打标针与活塞杆相连,冲击气缸固定在箱体上,字盘轮转动伺服电机通过联轴器与字盘主轴相连,字盘主轴与字盘轮相连;字盘主轴通过轴套固定在箱体上,Y轴旋转伺服电机带动蜗杆与蜗轮啮合将运动传导到固定整体打标机构的拖板,气动打标头是通过转轴固定在气动打标机上。X轴旋转伺服电机通过锥齿轮实现工件绕X轴旋转,Z轴移动伺服电机实现整体气动打标头沿Z轴方向的移动。通过X、Z轴移动和Y轴转动可以实现打标头的空间曲面定位,然后字盘轮转动与工件转动获取打标字符与打标位置,最后冲击气动冲击打标针冲压字盘字模实现标记打印。

3 多轴联动插补技术

新型空间曲面打标机采用两轴移动三轴转动多轴联动机床架构,与传统的三直线两旋转的机床相比具有很大的不同。通用数控机床[3]往往采用两个直线轴的坐标移动实现工件与打标头的相对移动,本新型空间曲面打标机床采用一个直线轴(X轴)和一个旋转轴(Φ轴)的极坐标移动实现工件与打标头的相对移动,同时工作台的转动和打标针的转动共同改变了打标头在XOZ平面内的偏角。

设插补算法求出打标针所在的目标空间位置和法矢为(x1,z1,γ1,μ1,v1),此时对应伺服电机的转动位置为(P1,P2,P3,P4,P5),P1、P2、P3、P4、P5分别对应X、Z、B、A、Φ轴的伺服电机,则存在一个映射关系f,使得

由于{x1,z1,γ1,μ1,v1}→f{P1,P2,P3,P4,P5}对应呈线性关系,在每个插补周期实时得到映射关系f,求取每个插补周期的伺服电机的目标位置坐标(P1,P2,P3,P4,P5),进而求得电机的运动增量。利用运动控制器提供的标准的多轴联动插补算法,在插补周期读取实时计算结果,实现两直线三旋转的多轴联动插补功能。

4 结论

设计出的新型空间曲面打标机械架构,通过插补计算可以控制打标头相对于工件以给定速度路线运动,较传统二维改装平面打标机,提高了打标灵活性和打标精度。生产出的打标机除可以应用于气瓶、管道,还可应用火车轮毂等空间曲面打标。

参考文献

[1]武卫,辛世界,张新义,王好臣.全自动打标装置的研制[J].机电工程,2002,19(1):21-23.

[2]王庭树.机器人运动学及动力学[M].西安:电子科技大学出版社,1990.

[3]陈良骥.五轴联动刀具路径生成及插补技术研究[M].北京:知识产权出版社,2008.

[4]黄序,周云飞,周祖德.五轴联动激光切割机数控系统空间直线和圆弧插补算法的研究[J].自动化学报,1995,21(2):238-243.

[5]詹泳,周云飞,周济.五轴数控机床空间圆弧插补[J].华中理工大学学报,2000,28(5):426.

射影空间与曲面上的坐标系浅述篇6

1.1 射影坐标

(1) 直线上的射影坐标。

取射影直线上三个不同的固定点A, B, E, 选取它们的齐次坐标 (a) (b) (c) , 使得 (e) = (a) + (b) 这就建立了射影直线坐标系, 记作[A, B;E], 其中, A, B叫做基点, E叫做幺点, A, B, E统称为底点。

在这个射影坐标系[A, B;E]下, 直线AB上任一点P的齐次坐标 (p) 都可以唯一的写作, 比值x1:x2被P点唯一确定。因而称 (x1, x2) 为点P在射影坐标系[A, B;E]下的 (齐次) 射影坐标。显然, A, B, E的射影坐标依次为A (1, 0) , B (0, 1) , E (1, 1) 。

(2) 空间中的射影坐标系。

射影空间或扩大空间中的任意五个点A, B, C, D, E, 若它们没有四点共面, (那么总可以选定齐次坐标A (a) , B (b) , C (c) , D (d) , E (e) 使得 (e) = (a) + (b) + (c) + (d) ) 它们就构成一个摄影坐标系, 记为σ=[A, B, C, D;E], 其中A, B, C, D构成的四面形叫做坐标四面形。而A, B, C, D中的任意三点构成的平面都叫做坐标面。点E叫做幺点, A, B, C, D, E统称为射影坐标系的底点, 而A, B, C, D叫做基点。在这个坐标系下, 任一点P的任意齐次坐标都可以唯一的写成, 比值完全确定于P点。因而称为点P的 (齐次) 射影坐标

1.2 空间中的齐次坐标

(1) 定义。

在空间中建立一个仿射坐标系, 每点P有仿射坐标 (x, y, z) , 和前面类似, 令, 我们就用代表一个点, 称为点P的齐次 (仿射) 坐标。

而仿射坐标 (x, y, z) 称为非齐次坐标。

这时, 不同时为零的有序四数组 (x1, x2, x3, x4) 总代表扩大空间的一个点, 称 (x1, x2, x3, x4) 为这个点的齐次坐标。当x4≠0时, 代表一个非无穷远点;当x4=0时, 代表一个无穷远点。

如果我们把扩大空间的无穷远元素和非无穷远元素等量齐观, 就形成摄影空间。在射影空间里, 我们有许多命题便简化了, “平行”这个特殊性也就消失了。

(2) 齐次点坐标的应用。

有些问题以平行坐标无法解决, 但是可以由齐次坐标解决。

例如:若是x′y′-平面上的两条平行线, 则在平行坐标里此二线的交点不存在。在齐次坐标里, 这两条线的方程为。此方程组是可解的:事实上, 它有无穷多组解x=ρ, y=aρ, t=0.ρ≠0的三元序 (ρ, aρ0, ) 表示x′y′-平面上无限远点的齐次坐标, 它是此两条线的共同点 (赋予此二线的共同方向) 。

2 曲面上的坐标系

2.1 曲纹坐标网

初等区域G所在平面上的坐标直线v=常数或u=常数在曲面上的象称为曲面的坐标曲线。使v=常数而u变动时的曲线叫做u-曲线, 同样u=常数的曲线叫做v-曲线, 两族坐标曲线u-曲线 (v=常数) 与v-曲线 (u=常数) 在曲面上构成的坐标网, 称为曲纹坐标网。

2.2 曲纹坐标网的特殊形式

已知曲面r=r (u, v)

其第一类基本量为

第二类基本量为。

(1) 当F=0时, 曲面的曲纹坐标网为正交网。

若坐标曲线u-曲线 (v=常数) 与v-曲线 (u=常数) 的交角用ω表示, 则有

这样, 便易知, 曲面的曲纹坐标网为正交网的充分必要条件是F=0。

(2) 当L=N=0时, 曲面的曲纹坐标网为渐进网。

设渐进网的方程是;