空間彎扭箱形截面構件的數字化三維建模與放樣技術

趙紅茹

上海寶冶集團有限公司鋼結構分公司

空間彎扭箱形截面構件的數字化三維建模與放樣技術

趙紅茹

上海寶冶集團有限公司鋼結構分公司

我國近年來建筑工業發展迅速，空間彎扭箱形界面構建廣泛應用，我國國家體育場鋼結構設計目前已經廣泛使用這種設計結構。空間彎扭箱形截面構件的軸線在建筑過程中會在兩個主平面內發生彎曲，同時期橫截面也會發生扭轉，而這種構件結構詳圖的設計正是審核國家體育場鋼結構設計的技術難點。本文在簡單介紹了空間彎扭箱形截面構件的數字化三維建模與放樣技術概述的基礎上，研究彎扭構件的構成方式與三維建模方法與彎扭壁板展開放樣的算法，并結合了本適用于建筑鋼結構的專用軟件系統,希望能夠對我國空間彎扭構件的詳圖設計與加工制作工作中起到了幫助作用。

彎扭構件；三維建模；放樣

1 空間彎扭箱形截面構件與放樣概述

空間彎扭箱形截面鋼構件其軸線在兩個主平面內在發生彎曲的同時還將發生扭轉現象，而從力學角度分析來看，這正是放大了構件在初始階段的缺陷。但這種形狀的構件在近年來已經廣泛應用于我國許多較有特點的鋼結構公共建筑設計方案中，2008年北京奧運會主體育場--鳥巢的立面鋼結構采用的基本上全部都是次來不規則的箱形截面空間彎扭構件。彎扭構件壁板也就是彎扭板件是一個空間的曲面，生產建筑鋼結構彎扭構建唯一的方法就是利用平面鋼板材進行熱加工或無模成形，以此來形成空間曲板，因此這種方法下空間曲板的展開放樣成為繪制彎扭構建架構詳圖的關鍵問題。

彎扭構件的壁板實際上是一個空間曲面，目前已經有CATIA、UNIGRAPHICS等多種軟件已經十分擅長進行曲面造型，但是這些軟件基本上都是應用于汽車、輪船以及飛機外殼的世界中，大部分都是大批連生產的金屬曲面結構，這些都是在已有現成模子的基礎上沖壓或熱鍛成型獲得的。與這些較常用的彎扭構件曲面機構有所不同的是，建筑中鋼結構中所使用的彎扭構件并不是可以進行批量生產的定型構件，是不能夠利用模子沖壓成型獲得的，同時我國國內現有的鋼結構生產廠家基本上也沒有這種生產設備。而用平面鋼板材來加工成形空間曲面是進行建筑鋼結構彎扭構建生產的唯一方法。但是這種方法中也存在一個從空間曲面展開成平面，后再從平面到空間曲面的構件放樣的難題存在。如果在整個工程中只存在一個或兩個彎扭構建，則可以采用搜工逐點描繪加工放樣圖的方法進行空間曲面的構建放樣；但是如果工程建設中需要大量的彎扭構建，這時手工放樣的速度和效率以及準確性就更笨不能夠滿足工程建筑施工的要求。而國內外由于實際需求的不同，對于這種空間曲面彎扭構建的設計所采用的三維造型軟件也不盡相同，國外較為通用的三維造型軟件并不適用于建筑鋼結構的設計，國內對于鋼結構詳圖的設計較常使用的設計軟件XSteel雖然能夠建立彎扭構建三維模型，但是也沒有真正的解決壁板展開放樣的關鍵問題，因此我國空間彎扭箱形截面構件的數字化三維建模與放樣技術還是存在許多需要改進和完善的地方。

2 彎扭構件的構成方式與三維建模方法

對于彎扭構建的構成與三維建模，根據不同情況的初始條件，進行空間彎扭構件三維造型也可以分為兩類進行：

第一類是指，在給定構件的截面與空間曲線的基礎上，同時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角。這種彎扭構建的放樣曲線的參數方程為r=r(t),t∈[t0,t1]；放樣曲線上每一個點都有相對應的一個局部坐標系，即ψ(t)，代表著曲線在該點上的切向、主法向與次法向，而主法向與次法向也構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件。第二類彎扭板件通過組合方法可以形成箱形彎扭構件,這就與第一類方法相比有更大的靈活性,而且經過這種方式組合而成的箱形構件可以是等截面的,還可以是變截面的。

3 空間彎扭箱形截面構件的數字化三維建模與放樣系統

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

此外，在研究空間彎扭箱形截面構件的數字化三維建模與放樣系統的過程中，采用了根據面向對象的程序設計方法,將彎扭構件從ObjectARX的通用基類AcDbEntity繼承過來,這樣就實現了AutoCAD自身原有的所有圖形實體的完全無縫結合,因此也能保證所有的圖形實體都能同時存在于同一個模型中。而這類軟件系統本身所自帶的的主要功能模塊的組織“結構三維模型”也成為系統的核心數據庫,而系統中其他的的桿件編輯模塊也就具備了彎扭構件(板件)剪切、分解等重要的子功能。

4 工程應用分析

我國2008年北京奧運會國家體育場--鳥巢就是充分利用了彎扭構件的特點所建造成型的。從國家體育場彎扭構件建筑形成的特點來看,主要采用了3種彎扭構件的造型方法：

1)根據已定的構件形心軸線及兩端截面方位生成彎扭構件;

2)根據已定的構件四條棱邊線生成彎扭構件;

3)根據已定的兩條棱邊線生成彎扭板件。

在國家體育場的彎扭構件設計中，所采用的軟件還具備了屋面主桁架復雜K形節點的三維實體建模功能，成為設計中的一大亮點。此外，在進行彎扭構件展開詳圖的繪制時，也同樣考慮了對加工工藝和具體安裝操作的要求，并對彎扭構件的展開方式、標注尺寸和數據控制等方面進行了仔細的處理，保證在局部坐標數據在安裝和監測時能夠提供精確的數據依據，并能夠對上午報價和材料訂購提供必備的、可靠的原始數據。

5 結語

雖然目前建筑施工中少量的空間彎扭箱形截面構件可以采用手工逐點描繪詳圖的方式來進行，但是面對需要大量彎扭構建的大型建筑時，這種手工描繪的速度和效率以及準確性將會影響工程的整體質量，也不能夠達到預期的工期要求。因此對于空間彎扭箱形截面構件的數字化三維建模與放樣技術需要必須的軟件系統來予以輔助，并且通過國家體育場鋼結構建筑的設計施工完成我們可以看到，實際的應用已經證明，這種三維建模與放樣系統軟件在空間彎扭結構的詳圖設計與加工過程中發揮了巨大的作用，在提高了空間彎扭構件詳圖設計的科技含量、工作效率和準確度的同時，也提高了這種系統應用的通用性，相信在不久的將來，這種空間彎扭箱形截面構件的數字化三維建模與放樣技術將會廣泛地應用于多種截面形式的空間彎扭構件設計和加工中，提高我國空間彎扭鋼結構建筑的整體水平。

[1]陳紹蕃.鋼結構設計原理.北京:科學出版社,1998

[2]孫家廣,楊長貴.計算機圖形學.北京:清華大學出版社,1995

[3]范玉青,馮秀娟,周建華.CAD軟件設計.北京:航空航天大學出版社,1996

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.023