國(guó)家體育場(chǎng)大型空間箱形 截面扭曲構(gòu)件的加工技術(shù)?

　　[摘要] 國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)工程，構(gòu)件彎扭，建筑造型復(fù)雜，加工制作難度非常大，通過(guò)對(duì)構(gòu)件形成的原理與規(guī)律的研究，為工程加工制作的順利進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)，開發(fā)了三維特形構(gòu)件軟件，提高了生產(chǎn)效率，對(duì)彎扭構(gòu)件的加工、制作全過(guò)程進(jìn)行了總結(jié)。
　　[關(guān)鍵詞] 鋼結(jié)構(gòu)；體育場(chǎng)、彎扭構(gòu)件、成型原理、加工

　　國(guó)家體育場(chǎng)位于北京成府路南側(cè)，奧林匹克公園中心區(qū)內(nèi)，建成后將作為北京2008年奧運(yùn)會(huì)的主場(chǎng)，并將成為北京新的標(biāo)志性建筑之一。

　　國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)為空間鋼結(jié)構(gòu)，建筑頂面呈鞍形，長(zhǎng)軸為332.3m 短軸為296.4m，最最高點(diǎn)高度為68.5ｍ，最低點(diǎn)高度為42.8m，屋蓋中間開洞長(zhǎng)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(guò)立面次桁架相連形成一整體，整體建筑呈獨(dú)特的“鳥巢”造型。

　　工程鋼結(jié)構(gòu)總重約45000t，所用鋼材基本覆蓋國(guó)內(nèi)大部分鋼材型號(hào)及規(guī)格，如國(guó)內(nèi)首次軋制并應(yīng)用于實(shí)際建筑工程中的Q460E鋼，其它型號(hào)有Q235、Q345、Q345GJ以及鑄鋼件20Mn5V，板厚從8mm到110mm。

　　一、對(duì)構(gòu)件形成的原理與規(guī)律的理解

　　國(guó)家體育場(chǎng)外形酷似鳥巢，由許多彎扭構(gòu)件組裝而成，構(gòu)件縱橫交叉十分復(fù)雜。面對(duì)這樣一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，我公司全體技術(shù)人員根據(jù)以往處理諸多大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)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(jié)合公司二十余年來(lái)在諸多大型鋼結(jié)構(gòu)制作過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)本工程特點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)提供的圖紙及每一個(gè)坐標(biāo)進(jìn)行深入的研究、分析，反復(fù)建模比較、希望能找到構(gòu)件的成型原理與規(guī)則，力爭(zhēng)為構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)、加工制作尋覓到一個(gè)簡(jiǎn)易可行、確保質(zhì)量、且又便于監(jiān)控，可操作性強(qiáng)的施工方案。

　　經(jīng)過(guò)深入細(xì)致的研究，針對(duì)國(guó)家體育場(chǎng)的各種彎扭構(gòu)件的特征，總結(jié)出以下幾點(diǎn)。

　　1.1 構(gòu)件的特征：

　　所有箱形構(gòu)件的加勁板均為矩形或正方形，其位置垂直于該構(gòu)件的軸心線。

　　1.2 構(gòu)件成形原理：

　　1) 先將一矩形(正方形)截面,其形心貫穿于設(shè)計(jì)給定的箱形構(gòu)件的軸心線;

　　2) 然后按下列規(guī)則移動(dòng)截面:①矩形(正方形)外側(cè)邊各二點(diǎn)緊貼建筑設(shè)計(jì)師所確定的建筑外形膜皮表面進(jìn)行移動(dòng)；②移動(dòng)過(guò)程中截面與箱形構(gòu)件軸心線始終保持垂直。

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

　　1.3 潛在規(guī)則

　　通過(guò)以上分析及對(duì)圖紙中給定的軸心線坐標(biāo)值的分析得出，國(guó)家體育場(chǎng)彎扭構(gòu)件，并不是一個(gè)不規(guī)則的任意彎扭構(gòu)件，而是一個(gè)有規(guī)律可循的彎扭構(gòu)件。

　　具體如下: ①?gòu)澟��?gòu)件中任意一個(gè)垂直于構(gòu)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(nèi)柱及相對(duì)應(yīng)兩外柱的軸心線，均在同一平面內(nèi)，且該平面垂直于大地；③各頂面次桁架軸心線,各自位于對(duì)應(yīng)的垂直平面內(nèi)；④立面次桁架軸心線基本上各自位于相對(duì)應(yīng)的平面內(nèi),該平面與國(guó)家體育場(chǎng)建筑外形膜皮表面相應(yīng)部位的弧面垂直。

　　以上各箱形構(gòu)件的軸心線所位于的平面我們統(tǒng)稱為該構(gòu)件的基準(zhǔn)面。

　　二、“三維特形構(gòu)件軟件”的開發(fā)與應(yīng)用

　　根據(jù)本工程彎扭構(gòu)件的成形原理，規(guī)則與基準(zhǔn)面的設(shè)定，我們與造船系統(tǒng)某軟件開發(fā)公司共同研制開發(fā)了“三維特型構(gòu)件制作軟件”。

　　2.1 軟件功能

　　本軟件結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)制造行業(yè)的生產(chǎn)方式和生產(chǎn)習(xí)慣設(shè)定了一些獨(dú)特的智能化功能，如：①自動(dòng)進(jìn)行二三維轉(zhuǎn)換；②自動(dòng)計(jì)算操作者所需的任意方向、任意角度的剖切面； ③自動(dòng)創(chuàng)建車削輔助線；④自動(dòng)創(chuàng)建法平面連線；⑤自動(dòng)創(chuàng)建扭曲板件；⑥自動(dòng)進(jìn)行均勻扭接；⑦自動(dòng)進(jìn)行法向拉伸；⑧自動(dòng)進(jìn)行按路徑拉伸；⑨自動(dòng)進(jìn)行局部擴(kuò)展；⑩自動(dòng)繪制下料加工圖表，自動(dòng)繪制構(gòu)架裝配圖和材料表；11自動(dòng)給出所選零件的全部屬性；12自動(dòng)計(jì)算單個(gè)零件乃至整個(gè)分段的重量、重心；13自動(dòng)按零件編碼實(shí)行數(shù)據(jù)庫(kù)分類管理；14可對(duì)當(dāng)前分段進(jìn)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(chǎn)效率。

　　2.2軟件的應(yīng)用

　　利用該系統(tǒng)軟件，成功的解決了對(duì)彎扭構(gòu)件的二次深化，零件圖的生成及對(duì)原深化設(shè)計(jì)圖的再次校驗(yàn)等諸多問(wèn)題。

　　1) 利用施工詳圖提供的坐標(biāo)建三維線型模與原設(shè)計(jì)圖中的數(shù)據(jù)所建三維線型模作比較，來(lái)檢驗(yàn)深化設(shè)計(jì)圖中坐標(biāo)值正確性。

　　2) 將正確的線型模導(dǎo)入到“三維特型構(gòu)件軟件”，按圖輸入構(gòu)件號(hào)及零件號(hào)、板厚，軟件將自動(dòng)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(cuò)誤率。

　　3) 軟件在施工實(shí)踐中方便地將軟件自動(dòng)生存的零件以dxf格式保存到零件庫(kù)內(nèi)，軟件將根據(jù)其材質(zhì)及板厚進(jìn)行分類，然后將分類后的零件導(dǎo)入到FastCAM數(shù)切排版軟件中，F(xiàn)astCAM數(shù)切軟件將自動(dòng)生存切割程序，從而再次提高零件在下料切割過(guò)程中的精確度。

　　三、彎扭板件的加工與檢驗(yàn)

　　3.1 彎扭箱形構(gòu)件壁板放樣與展開下料
用三維特形構(gòu)件、計(jì)算機(jī)放樣、展開，該軟件只要根據(jù)扭曲箱形構(gòu)件的空間坐標(biāo)，定出彎扭箱形構(gòu)件的四條棱線，再輸入箱體壁厚，就可自動(dòng)生成扭曲箱形實(shí)體模型，從而可以得到壁板上的任意空間坐標(biāo)，讓程序進(jìn)行自動(dòng)對(duì)壁板的展開，并同時(shí)可以生成箱體內(nèi)部的加勁肋安裝位置線，這樣就可根據(jù)展開的線型數(shù)據(jù)，然后將壁板切割數(shù)據(jù)輸入數(shù)控切割機(jī)進(jìn)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(shù)控壓模)壓制成型，油壓機(jī)壓制成型；三輥卷板機(jī)卷制成型等方法。
通過(guò)對(duì)各種加工方法的整體加工質(zhì)量、工作效率，特別是在加工過(guò)程中避免由于板材點(diǎn)狀受力從而造成對(duì)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(jī)卷制成型為主（見圖7）局部配以油壓機(jī)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(zhì)量的好壞，將直接影響到彎扭構(gòu)件的整體質(zhì)量，為此，必須對(duì)加工成型后的板材進(jìn)行嚴(yán)格檢查，彎扭板材加工成型質(zhì)量的檢驗(yàn)，通常可采用全站儀、數(shù)控掃描儀以及傳統(tǒng)的樣箱檢驗(yàn)等方法。
通過(guò)對(duì)其檢驗(yàn)精度、工作效率、特別是對(duì)能否全程跟蹤檢驗(yàn)及操作方面進(jìn)行了綜合分析，決定采用傳統(tǒng)的樣箱檢驗(yàn)法對(duì)彎扭鋼板加工質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)（圖9、10）。

　　四、彎扭構(gòu)件的組裝

　　彎扭構(gòu)件的組裝將在專用組裝胎架上進(jìn)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(tái))上劃出構(gòu)件基準(zhǔn)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(biāo)桿，在標(biāo)桿上標(biāo)出相應(yīng)點(diǎn)位的定位標(biāo)高線。

　　2)制作胎架 根據(jù)圖紙要求制作胎架，胎架模板的設(shè)置必須保證模板上口線形與構(gòu)件表面外形的一致性并有效的增加構(gòu)件焊接過(guò)程中抗焊接變形的臨時(shí)剛度；整個(gè)胎架制作完成后既要便于構(gòu)件拼裝，又要便于在制作過(guò)程中對(duì)構(gòu)件變形及精度的監(jiān)控、測(cè)量。

　　4.2 彎扭構(gòu)件組裝

　　在胎架上定位下面板(見圖12)，安裝箱體內(nèi)部加勁肋板（見圖13），然后安裝兩側(cè)板（見圖14），焊接內(nèi)部加勁肋板與下面板及兩側(cè)板的焊縫（見圖15），最后安裝上面板（見圖16）。
構(gòu)件在組裝過(guò)程中必須嚴(yán)格按基面上所劃各線及標(biāo)高進(jìn)行定位與復(fù)查，焊接加勁板前必須對(duì)已安裝結(jié)束的各零件的定位準(zhǔn)確性復(fù)查無(wú)誤后方可進(jìn)行焊接。

　　4.3 彎扭構(gòu)件的焊接

　　彎扭構(gòu)件組裝結(jié)束必須進(jìn)行整體測(cè)量、檢查，經(jīng)驗(yàn)收合格后方可焊接，對(duì)需進(jìn)行預(yù)熱的焊縫必須嚴(yán)格按焊接工藝進(jìn)行預(yù)熱，而后按焊接工藝進(jìn)行焊接（見圖17）。