空间弯扭箱形截面构件的数字化三维建模与放样技术

赵红茹

上海宝冶集团有限公司钢结构分公司

空间弯扭箱形截面构件的数字化三维建模与放样技术

赵红茹

上海宝冶集团有限公司钢结构分公司

我国近年来建筑工业发展迅速，空间弯扭箱形界面构建广泛应用，我国国家体育场钢结构设计目前已经广泛使用这种设计结构。空间弯扭箱形截面构件的轴线在建筑过程中会在两个主平面内发生弯曲，同时期横截面也会发生扭转，而这种构件结构详图的设计正是审核国家体育场钢结构设计的技术难点。本文在简单介绍了空间弯扭箱形截面构件的数字化三维建模与放样技术概述的基础上，研究弯扭构件的构成方式与三维建模方法与弯扭壁板展开放样的算法，并结合了本适用于建筑钢结构的专用软件系统,希望能够对我国空间弯扭构件的详图设计与加工制作工作中起到了帮助作用。

弯扭构件；三维建模；放样

1 空间弯扭箱形截面构件与放样概述

空间弯扭箱形截面钢构件其轴线在两个主平面内在发生弯曲的同时还将发生扭转现象，而从力学角度分析来看，这正是放大了构件在初始阶段的缺陷。但这种形状的构件在近年来已经广泛应用于我国许多较有特点的钢结构公共建筑设计方案中，2008年北京奥运会主体育场--鸟巢的立面钢结构采用的基本上全部都是次来不规则的箱形截面空间弯扭构件。弯扭构件壁板也就是弯扭板件是一个空间的曲面，生产建筑钢结构弯扭构建唯一的方法就是利用平面钢板材进行热加工或无模成形，以此来形成空间曲板，因此这种方法下空间曲板的展开放样成为绘制弯扭构建架构详图的关键问题。

弯扭构件的壁板实际上是一个空间曲面，目前已经有CATIA、UNIGRAPHICS等多种软件已经十分擅长进行曲面造型，但是这些软件基本上都是应用于汽车、轮船以及飞机外壳的世界中，大部分都是大批连生产的金属曲面结构，这些都是在已有现成模子的基础上冲压或热锻成型获得的。与这些较常用的弯扭构件曲面机构有所不同的是，建筑中钢结构中所使用的弯扭构件并不是可以进行批量生产的定型构件，是不能够利用模子冲压成型获得的，同时我国国内现有的钢结构生产厂家基本上也没有这种生产设备。而用平面钢板材来加工成形空间曲面是进行建筑钢结构弯扭构建生产的唯一方法。但是这种方法中也存在一个从空间曲面展开成平面，后再从平面到空间曲面的构件放样的难题存在。如果在整个工程中只存在一个或两个弯扭构建，则可以采用搜工逐点描绘加工放样图的方法进行空间曲面的构建放样；但是如果工程建设中需要大量的弯扭构建，这时手工放样的速度和效率以及准确性就更笨不能够满足工程建筑施工的要求。而国内外由于实际需求的不同，对于这种空间曲面弯扭构建的设计所采用的三维造型软件也不尽相同，国外较为通用的三维造型软件并不适用于建筑钢结构的设计，国内对于钢结构详图的设计较常使用的设计软件XSteel虽然能够建立弯扭构建三维模型，但是也没有真正的解决壁板展开放样的关键问题，因此我国空间弯扭箱形截面构件的数字化三维建模与放样技术还是存在许多需要改进和完善的地方。

2 弯扭构件的构成方式与三维建模方法

对于弯扭构建的构成与三维建模，根据不同情况的初始条件，进行空间弯扭构件三维造型也可以分为两类进行：

第一类是指，在给定构件的截面与空间曲线的基础上，同时也给定两端截面的方位，或是给定起始截面的方位或其沿轴线的总扭转角。这种弯扭构建的放样曲线的参数方程为r=r(t),t∈[t0,t1]；放样曲线上每一个点都有相对应的一个局部坐标系，即ψ(t)，代表着曲线在该点上的切向、主法向与次法向，而主法向与次法向也构成了这一曲线在该店的法平面。

第二类是指，给定两条空间曲线，形成空间弯扭板件，后再由弯扭板件想组合工程弯扭构件。第二类弯扭板件通过组合方法可以形成箱形弯扭构件,这就与第一类方法相比有更大的灵活性,而且经过这种方式组合而成的箱形构件可以是等截面的,还可以是变截面的。

3 空间弯扭箱形截面构件的数字化三维建模与放样系统

空间弯扭箱形截面构件的数字化三维建模的系统研究已经初步获得了突破，在目前广泛通用的AutoCAD图形平台上,通过使用Au2todesk软件系统所提供的二次开发接口ObjectARX与Visu2al C++作为建模辅助工具,通过分析尝试研制了专用的弯扭构件三维模型与详图处理软件系统。

此外，在研究空间弯扭箱形截面构件的数字化三维建模与放样系统的过程中，采用了根据面向对象的程序设计方法,将弯扭构件从ObjectARX的通用基类AcDbEntity继承过来,这样就实现了AutoCAD自身原有的所有图形实体的完全无缝结合,因此也能保证所有的图形实体都能同时存在于同一个模型中。而这类软件系统本身所自带的的主要功能模块的组织“结构三维模型”也成为系统的核心数据库,而系统中其他的的杆件编辑模块也就具备了弯扭构件(板件)剪切、分解等重要的子功能。

4 工程应用分析

我国2008年北京奥运会国家体育场--鸟巢就是充分利用了弯扭构件的特点所建造成型的。从国家体育场弯扭构件建筑形成的特点来看,主要采用了3种弯扭构件的造型方法：

1)根据已定的构件形心轴线及两端截面方位生成弯扭构件;

2)根据已定的构件四条棱边线生成弯扭构件;

3)根据已定的两条棱边线生成弯扭板件。

在国家体育场的弯扭构件设计中，所采用的软件还具备了屋面主桁架复杂K形节点的三维实体建模功能，成为设计中的一大亮点。此外，在进行弯扭构件展开详图的绘制时，也同样考虑了对加工工艺和具体安装操作的要求，并对弯扭构件的展开方式、标注尺寸和数据控制等方面进行了仔细的处理，保证在局部坐标数据在安装和监测时能够提供精确的数据依据，并能够对上午报价和材料订购提供必备的、可靠的原始数据。

5 结语

虽然目前建筑施工中少量的空间弯扭箱形截面构件可以采用手工逐点描绘详图的方式来进行，但是面对需要大量弯扭构建的大型建筑时，这种手工描绘的速度和效率以及准确性将会影响工程的整体质量，也不能够达到预期的工期要求。因此对于空间弯扭箱形截面构件的数字化三维建模与放样技术需要必须的软件系统来予以辅助，并且通过国家体育场钢结构建筑的设计施工完成我们可以看到，实际的应用已经证明，这种三维建模与放样系统软件在空间弯扭结构的详图设计与加工过程中发挥了巨大的作用，在提高了空间弯扭构件详图设计的科技含量、工作效率和准确度的同时，也提高了这种系统应用的通用性，相信在不久的将来，这种空间弯扭箱形截面构件的数字化三维建模与放样技术将会广泛地应用于多种截面形式的空间弯扭构件设计和加工中，提高我国空间弯扭钢结构建筑的整体水平。

[1]陈绍蕃.钢结构设计原理.北京:科学出版社,1998

[2]孙家广,杨长贵.计算机图形学.北京:清华大学出版社,1995

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.023