國家體育場大型空間箱形 截面扭曲構件的加工技術?

　　[摘要] 國家體育場鋼結構工程，構件彎扭，建筑造型復雜，加工制作難度非常大，通過對構件形成的原理與規律的研究，為工程加工制作的順利進行奠定了基礎，開發了三維特形構件軟件，提高了生產效率，對彎扭構件的加工、制作全過程進行了總結。
　　[關鍵詞] 鋼結構；體育場、彎扭構件、成型原理、加工

　　國家體育場位于北京成府路南側，奧林匹克公園中心區內，建成后將作為北京2008年奧運會的主場，并將成為北京新的標志性建筑之一。

　　國家體育場鋼結構為空間鋼結構，建筑頂面呈鞍形，長軸為332.3m 短軸為296.4m，最最高點高度為68.5ｍ，最低點高度為42.8m，屋蓋中間開洞長度不186.7m，寬度為127.5m，48榀主桁架圍繞屋蓋中間的開口放射形布置，配以屋面次桁架形成大跨度屋蓋支撐在周邊24根組合鋼柱上，組合鋼柱之間通過立面次桁架相連形成一整體，整體建筑呈獨特的“鳥巢”造型。

　　工程鋼結構總重約45000t，所用鋼材基本覆蓋國內大部分鋼材型號及規格，如國內首次軋制并應用于實際建筑工程中的Q460E鋼，其它型號有Q235、Q345、Q345GJ以及鑄鋼件20Mn5V，板厚從8mm到110mm。

　　一、對構件形成的原理與規律的理解

　　國家體育場外形酷似鳥巢，由許多彎扭構件組裝而成，構件縱橫交叉十分復雜。面對這樣一個復雜的結構，我公司全體技術人員根據以往處理諸多大型復雜鋼結構的原則：“化整為零、化難為易、提高單件精度、保證整體精度”，并結合公司二十余年來在諸多大型鋼結構制作過程中積累的經驗，針對本工程特點對設計提供的圖紙及每一個坐標進行深入的研究、分析，反復建模比較、希望能找到構件的成型原理與規則，力爭為構件的深化設計、加工制作尋覓到一個簡易可行、確保質量、且又便于監控，可操作性強的施工方案。

　　經過深入細致的研究，針對國家體育場的各種彎扭構件的特征，總結出以下幾點。

　　1.1 構件的特征：

　　所有箱形構件的加勁板均為矩形或正方形，其位置垂直于該構件的軸心線。

　　1.2 構件成形原理：

　　1) 先將一矩形(正方形)截面,其形心貫穿于設計給定的箱形構件的軸心線;

　　2) 然后按下列規則移動截面:①矩形(正方形)外側邊各二點緊貼建筑設計師所確定的建筑外形膜皮表面進行移動；②移動過程中截面與箱形構件軸心線始終保持垂直。

　　因此, ①矩形(正方形)四個角點在空間移動的軌跡的連線即為該箱形構件的4角棱線；②矩形(正方形)四條邊在空間移動所形成的弧面即為彎扭箱形構件的四個表面。

　　1.3 潛在規則

　　通過以上分析及對圖紙中給定的軸心線坐標值的分析得出，國家體育場彎扭構件，并不是一個不規則的任意彎扭構件，而是一個有規律可循的彎扭構件。

　　具體如下: ①彎扭構件中任意一個垂直于構件軸心線的截面均為矩形(或正方形)；②同一軸線上的平面主桁架的上、下弦桿和腹桿各自的軸心線，與該軸桁架柱的內柱及相對應兩外柱的軸心線，均在同一平面內，且該平面垂直于大地；③各頂面次桁架軸心線,各自位于對應的垂直平面內；④立面次桁架軸心線基本上各自位于相對應的平面內,該平面與國家體育場建筑外形膜皮表面相應部位的弧面垂直。

　　以上各箱形構件的軸心線所位于的平面我們統稱為該構件的基準面。

　　二、“三維特形構件軟件”的開發與應用

　　根據本工程彎扭構件的成形原理，規則與基準面的設定，我們與造船系統某軟件開發公司共同研制開發了“三維特型構件制作軟件”。

　　2.1 軟件功能

　　本軟件結合鋼結構制造行業的生產方式和生產習慣設定了一些獨特的智能化功能，如：①自動進行二三維轉換；②自動計算操作者所需的任意方向、任意角度的剖切面； ③自動創建車削輔助線；④自動創建法平面連線；⑤自動創建扭曲板件；⑥自動進行均勻扭接；⑦自動進行法向拉伸；⑧自動進行按路徑拉伸；⑨自動進行局部擴展；⑩自動繪制下料加工圖表，自動繪制構架裝配圖和材料表；11自動給出所選零件的全部屬性；12自動計算單個零件乃至整個分段的重量、重心；13自動按零件編碼實行數據庫分類管理；14可對當前分段進行有條件的匹配查詢；15能生成 DXF 文件，與其它軟件（如 AutoCAD）形成接口；16能生成 BMP 文件，與其它軟件（如畫筆）形成接口；使用本軟件將在以下各方面明顯提高生產效率。

　　2.2軟件的應用

　　利用該系統軟件，成功的解決了對彎扭構件的二次深化，零件圖的生成及對原深化設計圖的再次校驗等諸多問題。

　　1) 利用施工詳圖提供的坐標建三維線型模與原設計圖中的數據所建三維線型模作比較，來檢驗深化設計圖中坐標值正確性。

　　2) 將正確的線型模導入到“三維特型構件軟件”，按圖輸入構件號及零件號、板厚，軟件將自動生成零件展開圖及加工成型控制圖，利用軟件生成的展開圖與施工詳圖提供的零件圖再次疊合比較，大大減少零件的錯誤率。

　　3) 軟件在施工實踐中方便地將軟件自動生存的零件以dxf格式保存到零件庫內，軟件將根據其材質及板厚進行分類，然后將分類后的零件導入到FastCAM數切排版軟件中，FastCAM數切軟件將自動生存切割程序，從而再次提高零件在下料切割過程中的精確度。

　　三、彎扭板件的加工與檢驗

　　3.1 彎扭箱形構件壁板放樣與展開下料
用三維特形構件、計算機放樣、展開，該軟件只要根據扭曲箱形構件的空間坐標，定出彎扭箱形構件的四條棱線，再輸入箱體壁厚，就可自動生成扭曲箱形實體模型，從而可以得到壁板上的任意空間坐標，讓程序進行自動對壁板的展開，并同時可以生成箱體內部的加勁肋安裝位置線，這樣就可根據展開的線型數據，然后將壁板切割數據輸入數控切割機進行壁板的下料切割，壁板展開如下圖示意：

　　3.2 彎扭壁板的加工成型
彎扭板的加工方案通常有:壓模(含數控壓模)壓制成型，油壓機壓制成型；三輥卷板機卷制成型等方法。
通過對各種加工方法的整體加工質量、工作效率，特別是在加工過程中避免由于板材點狀受力從而造成對母材的損傷及加工成本等各種因素，綜合研究分析后，最終確定以“三輥卷板機卷制成型為主（見圖7）局部配以油壓機整形”的加工方案。

　　3.3 彎扭板材加工成型后的檢查
彎扭板材加工成形質量的好壞，將直接影響到彎扭構件的整體質量，為此，必須對加工成型后的板材進行嚴格檢查，彎扭板材加工成型質量的檢驗，通常可采用全站儀、數控掃描儀以及傳統的樣箱檢驗等方法。
通過對其檢驗精度、工作效率、特別是對能否全程跟蹤檢驗及操作方面進行了綜合分析，決定采用傳統的樣箱檢驗法對彎扭鋼板加工質量進行檢驗（圖9、10）。

　　四、彎扭構件的組裝

　　彎扭構件的組裝將在專用組裝胎架上進行。

　　4.1 基面劃線與制作胎架

　　1)基面劃線 胎架制作前必須在基面(施工平臺)上劃出構件基準面投影線、端面位置投影線、4條棱形投影線、胎架模板位置線并樹立標桿，在標桿上標出相應點位的定位標高線。

　　2)制作胎架 根據圖紙要求制作胎架，胎架模板的設置必須保證模板上口線形與構件表面外形的一致性并有效的增加構件焊接過程中抗焊接變形的臨時剛度；整個胎架制作完成后既要便于構件拼裝，又要便于在制作過程中對構件變形及精度的監控、測量。

　　4.2 彎扭構件組裝

　　在胎架上定位下面板(見圖12)，安裝箱體內部加勁肋板（見圖13），然后安裝兩側板（見圖14），焊接內部加勁肋板與下面板及兩側板的焊縫（見圖15），最后安裝上面板（見圖16）。
構件在組裝過程中必須嚴格按基面上所劃各線及標高進行定位與復查，焊接加勁板前必須對已安裝結束的各零件的定位準確性復查無誤后方可進行焊接。

　　4.3 彎扭構件的焊接

　　彎扭構件組裝結束必須進行整體測量、檢查，經驗收合格后方可焊接，對需進行預熱的焊縫必須嚴格按焊接工藝進行預熱，而后按焊接工藝進行焊接（見圖17）。