空間彎扭箱形截面構(gòu)件的數(shù)字化三維建模與放樣技術(shù)

趙紅茹

上海寶冶集團(tuán)有限公司鋼結(jié)構(gòu)分公司

空間彎扭箱形截面構(gòu)件的數(shù)字化三維建模與放樣技術(shù)

趙紅茹

上海寶冶集團(tuán)有限公司鋼結(jié)構(gòu)分公司

我國(guó)近年來(lái)建筑工業(yè)發(fā)展迅速，空間彎扭箱形界面構(gòu)建廣泛應(yīng)用，我國(guó)國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前已經(jīng)廣泛使用這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)?？臻g彎扭箱形截面構(gòu)件的軸線在建筑過(guò)程中會(huì)在兩個(gè)主平面內(nèi)發(fā)生彎曲，同時(shí)期橫截面也會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，而這種構(gòu)件結(jié)構(gòu)詳圖的設(shè)計(jì)正是審核國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)。本文在簡(jiǎn)單介紹了空間彎扭箱形截面構(gòu)件的數(shù)字化三維建模與放樣技術(shù)概述的基礎(chǔ)上，研究彎扭構(gòu)件的構(gòu)成方式與三維建模方法與彎扭壁板展開放樣的算法，并結(jié)合了本適用于建筑鋼結(jié)構(gòu)的專用軟件系統(tǒng),希望能夠?qū)ξ覈?guó)空間彎扭構(gòu)件的詳圖設(shè)計(jì)與加工制作工作中起到了幫助作用。

彎扭構(gòu)件；三維建模；放樣

1 空間彎扭箱形截面構(gòu)件與放樣概述

空間彎扭箱形截面鋼構(gòu)件其軸線在兩個(gè)主平面內(nèi)在發(fā)生彎曲的同時(shí)還將發(fā)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，而從力學(xué)角度分析來(lái)看，這正是放大了構(gòu)件在初始階段的缺陷。但這種形狀的構(gòu)件在近年來(lái)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國(guó)許多較有特點(diǎn)的鋼結(jié)構(gòu)公共建筑設(shè)計(jì)方案中，2008年北京奧運(yùn)會(huì)主體育場(chǎng)--鳥巢的立面鋼結(jié)構(gòu)采用的基本上全部都是次來(lái)不規(guī)則的箱形截面空間彎扭構(gòu)件。彎扭構(gòu)件壁板也就是彎扭板件是一個(gè)空間的曲面，生產(chǎn)建筑鋼結(jié)構(gòu)彎扭構(gòu)建唯一的方法就是利用平面鋼板材進(jìn)行熱加工或無(wú)模成形，以此來(lái)形成空間曲板，因此這種方法下空間曲板的展開放樣成為繪制彎扭構(gòu)建架構(gòu)詳圖的關(guān)鍵問(wèn)題。

彎扭構(gòu)件的壁板實(shí)際上是一個(gè)空間曲面，目前已經(jīng)有CATIA、UNIGRAPHICS等多種軟件已經(jīng)十分擅長(zhǎng)進(jìn)行曲面造型，但是這些軟件基本上都是應(yīng)用于汽車、輪船以及飛機(jī)外殼的世界中，大部分都是大批連生產(chǎn)的金屬曲面結(jié)構(gòu)，這些都是在已有現(xiàn)成模子的基礎(chǔ)上沖壓或熱鍛成型獲得的。與這些較常用的彎扭構(gòu)件曲面機(jī)構(gòu)有所不同的是，建筑中鋼結(jié)構(gòu)中所使用的彎扭構(gòu)件并不是可以進(jìn)行批量生產(chǎn)的定型構(gòu)件，是不能夠利用模子沖壓成型獲得的，同時(shí)我國(guó)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)廠家基本上也沒有這種生產(chǎn)設(shè)備。而用平面鋼板材來(lái)加工成形空間曲面是進(jìn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)彎扭構(gòu)建生產(chǎn)的唯一方法。但是這種方法中也存在一個(gè)從空間曲面展開成平面，后再?gòu)钠矫娴娇臻g曲面的構(gòu)件放樣的難題存在。如果在整個(gè)工程中只存在一個(gè)或兩個(gè)彎扭構(gòu)建，則可以采用搜工逐點(diǎn)描繪加工放樣圖的方法進(jìn)行空間曲面的構(gòu)建放樣；但是如果工程建設(shè)中需要大量的彎扭構(gòu)建，這時(shí)手工放樣的速度和效率以及準(zhǔn)確性就更笨不能夠滿足工程建筑施工的要求。而國(guó)內(nèi)外由于實(shí)際需求的不同，對(duì)于這種空間曲面彎扭構(gòu)建的設(shè)計(jì)所采用的三維造型軟件也不盡相同，國(guó)外較為通用的三維造型軟件并不適用于建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)詳圖的設(shè)計(jì)較常使用的設(shè)計(jì)軟件XSteel雖然能夠建立彎扭構(gòu)建三維模型，但是也沒有真正的解決壁板展開放樣的關(guān)鍵問(wèn)題，因此我國(guó)空間彎扭箱形截面構(gòu)件的數(shù)字化三維建模與放樣技術(shù)還是存在許多需要改進(jìn)和完善的地方。

2 彎扭構(gòu)件的構(gòu)成方式與三維建模方法

對(duì)于彎扭構(gòu)建的構(gòu)成與三維建模，根據(jù)不同情況的初始條件，進(jìn)行空間彎扭構(gòu)件三維造型也可以分為兩類進(jìn)行：

第一類是指，在給定構(gòu)件的截面與空間曲線的基礎(chǔ)上，同時(shí)也給定兩端截面的方位，或是給定起始截面的方位或其沿軸線的總扭轉(zhuǎn)角。這種彎扭構(gòu)建的放樣曲線的參數(shù)方程為r=r(t),t∈[t0,t1]；放樣曲線上每一個(gè)點(diǎn)都有相對(duì)應(yīng)的一個(gè)局部坐標(biāo)系，即ψ(t)，代表著曲線在該點(diǎn)上的切向、主法向與次法向，而主法向與次法向也構(gòu)成了這一曲線在該店的法平面。

第二類是指，給定兩條空間曲線，形成空間彎扭板件，后再由彎扭板件想組合工程彎扭構(gòu)件。第二類彎扭板件通過(guò)組合方法可以形成箱形彎扭構(gòu)件,這就與第一類方法相比有更大的靈活性,而且經(jīng)過(guò)這種方式組合而成的箱形構(gòu)件可以是等截面的,還可以是變截面的。

3 空間彎扭箱形截面構(gòu)件的數(shù)字化三維建模與放樣系統(tǒng)

空間彎扭箱形截面構(gòu)件的數(shù)字化三維建模的系統(tǒng)研究已經(jīng)初步獲得了突破，在目前廣泛通用的AutoCAD圖形平臺(tái)上,通過(guò)使用Au2todesk軟件系統(tǒng)所提供的二次開發(fā)接口ObjectARX與Visu2al C++作為建模輔助工具,通過(guò)分析嘗試研制了專用的彎扭構(gòu)件三維模型與詳圖處理軟件系統(tǒng)。

此外，在研究空間彎扭箱形截面構(gòu)件的數(shù)字化三維建模與放樣系統(tǒng)的過(guò)程中，采用了根據(jù)面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法,將彎扭構(gòu)件從ObjectARX的通用基類AcDbEntity繼承過(guò)來(lái),這樣就實(shí)現(xiàn)了AutoCAD自身原有的所有圖形實(shí)體的完全無(wú)縫結(jié)合,因此也能保證所有的圖形實(shí)體都能同時(shí)存在于同一個(gè)模型中。而這類軟件系統(tǒng)本身所自帶的的主要功能模塊的組織“結(jié)構(gòu)三維模型”也成為系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)庫(kù),而系統(tǒng)中其他的的桿件編輯模塊也就具備了彎扭構(gòu)件(板件)剪切、分解等重要的子功能。

4 工程應(yīng)用分析

我國(guó)2008年北京奧運(yùn)會(huì)國(guó)家體育場(chǎng)--鳥巢就是充分利用了彎扭構(gòu)件的特點(diǎn)所建造成型的。從國(guó)家體育場(chǎng)彎扭構(gòu)件建筑形成的特點(diǎn)來(lái)看,主要采用了3種彎扭構(gòu)件的造型方法：

1)根據(jù)已定的構(gòu)件形心軸線及兩端截面方位生成彎扭構(gòu)件;

2)根據(jù)已定的構(gòu)件四條棱邊線生成彎扭構(gòu)件;

3)根據(jù)已定的兩條棱邊線生成彎扭板件。

在國(guó)家體育場(chǎng)的彎扭構(gòu)件設(shè)計(jì)中，所采用的軟件還具備了屋面主桁架復(fù)雜K形節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體建模功能，成為設(shè)計(jì)中的一大亮點(diǎn)。此外，在進(jìn)行彎扭構(gòu)件展開詳圖的繪制時(shí)，也同樣考慮了對(duì)加工工藝和具體安裝操作的要求，并對(duì)彎扭構(gòu)件的展開方式、標(biāo)注尺寸和數(shù)據(jù)控制等方面進(jìn)行了仔細(xì)的處理，保證在局部坐標(biāo)數(shù)據(jù)在安裝和監(jiān)測(cè)時(shí)能夠提供精確的數(shù)據(jù)依據(jù)，并能夠?qū)ι衔鐖?bào)價(jià)和材料訂購(gòu)提供必備的、可靠的原始數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

雖然目前建筑施工中少量的空間彎扭箱形截面構(gòu)件可以采用手工逐點(diǎn)描繪詳圖的方式來(lái)進(jìn)行，但是面對(duì)需要大量彎扭構(gòu)建的大型建筑時(shí)，這種手工描繪的速度和效率以及準(zhǔn)確性將會(huì)影響工程的整體質(zhì)量，也不能夠達(dá)到預(yù)期的工期要求。因此對(duì)于空間彎扭箱形截面構(gòu)件的數(shù)字化三維建模與放樣技術(shù)需要必須的軟件系統(tǒng)來(lái)予以輔助，并且通過(guò)國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)施工完成我們可以看到，實(shí)際的應(yīng)用已經(jīng)證明，這種三維建模與放樣系統(tǒng)軟件在空間彎扭結(jié)構(gòu)的詳圖設(shè)計(jì)與加工過(guò)程中發(fā)揮了巨大的作用，在提高了空間彎扭構(gòu)件詳圖設(shè)計(jì)的科技含量、工作效率和準(zhǔn)確度的同時(shí)，也提高了這種系統(tǒng)應(yīng)用的通用性，相信在不久的將來(lái)，這種空間彎扭箱形截面構(gòu)件的數(shù)字化三維建模與放樣技術(shù)將會(huì)廣泛地應(yīng)用于多種截面形式的空間彎扭構(gòu)件設(shè)計(jì)和加工中，提高我國(guó)空間彎扭鋼結(jié)構(gòu)建筑的整體水平。

[1]陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理.北京:科學(xué)出版社,1998

[2]孫家廣,楊長(zhǎng)貴.計(jì)算機(jī)圖形學(xué).北京:清華大學(xué)出版社,1995

[3]范玉青,馮秀娟,周建華.CAD軟件設(shè)計(jì).北京:航空航天大學(xué)出版社,1996

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.023