国家体育场大型空间箱形 截面扭曲构件的加工技术?

　　[摘要] 国家体育场钢结构工程，构件弯扭，建筑造型复杂，加工制作难度非常大，通过对构件形成的原理与规律的研究，为工程加工制作的顺利进行奠定了基础，开发了三维特形构件软件，提高了生产效率，对弯扭构件的加工、制作全过程进行了总结。
　　[关键词] 钢结构；体育场、弯扭构件、成型原理、加工

　　国家体育场位于北京成府路南侧，奥林匹克公园中心区内，建成后将作为北京2008年奥运会的主场，并将成为北京新的标志性建筑之一。

　　国家体育场钢结构为空间钢结构，建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3m 短轴为296.4m，最最高点高度为68.5ｍ，最低点高度为42.8m，屋盖中间开洞长度不186.7m，宽度为127.5m，48榀主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置，配以屋面次桁架形成大跨度屋盖支撑在周边24根组合钢柱上，组合钢柱之间通过立面次桁架相连形成一整体，整体建筑呈独特的“鸟巢”造型。

　　工程钢结构总重约45000t，所用钢材基本覆盖国内大部分钢材型号及规格，如国内首次轧制并应用于实际建筑工程中的Q460E钢，其它型号有Q235、Q345、Q345GJ以及铸钢件20Mn5V，板厚从8mm到110mm。

　　一、对构件形成的原理与规律的理解

　　国家体育场外形酷似鸟巢，由许多弯扭构件组装而成，构件纵横交叉十分复杂。面对这样一个复杂的结构，我公司全体技术人员根据以往处理诸多大型复杂钢结构的原则：“化整为零、化难为易、提高单件精度、保证整体精度”，并结合公司二十余年来在诸多大型钢结构制作过程中积累的经验，针对本工程特点对设计提供的图纸及每一个坐标进行深入的研究、分析，反复建模比较、希望能找到构件的成型原理与规则，力争为构件的深化设计、加工制作寻觅到一个简易可行、确保质量、且又便于监控，可操作性强的施工方案。

　　经过深入细致的研究，针对国家体育场的各种弯扭构件的特征，总结出以下几点。

　　1.1 构件的特征：

　　所有箱形构件的加劲板均为矩形或正方形，其位置垂直于该构件的轴心线。

　　1.2 构件成形原理：

　　1) 先将一矩形(正方形)截面,其形心贯穿于设计给定的箱形构件的轴心线;

　　2) 然后按下列规则移动截面:①矩形(正方形)外侧边各二点紧贴建筑设计师所确定的建筑外形膜皮表面进行移动；②移动过程中截面与箱形构件轴心线始终保持垂直。

　　因此, ①矩形(正方形)四个角点在空间移动的轨迹的连线即为该箱形构件的4角棱线；②矩形(正方形)四条边在空间移动所形成的弧面即为弯扭箱形构件的四个表面。

　　1.3 潜在规则

　　通过以上分析及对图纸中给定的轴心线坐标值的分析得出，国家体育场弯扭构件，并不是一个不规则的任意弯扭构件，而是一个有规律可循的弯扭构件。

　　具体如下: ①弯扭构件中任意一个垂直于构件轴心线的截面均为矩形(或正方形)；②同一轴线上的平面主桁架的上、下弦杆和腹杆各自的轴心线，与该轴桁架柱的内柱及相对应两外柱的轴心线，均在同一平面内，且该平面垂直于大地；③各顶面次桁架轴心线,各自位于对应的垂直平面内；④立面次桁架轴心线基本上各自位于相对应的平面内,该平面与国家体育场建筑外形膜皮表面相应部位的弧面垂直。

　　以上各箱形构件的轴心线所位于的平面我们统称为该构件的基准面。

　　二、“三维特形构件软件”的开发与应用

　　根据本工程弯扭构件的成形原理，规则与基准面的设定，我们与造船系统某软件开发公司共同研制开发了“三维特型构件制作软件”。

　　2.1 软件功能

　　本软件结合钢结构制造行业的生产方式和生产习惯设定了一些独特的智能化功能，如：①自动进行二三维转换；②自动计算操作者所需的任意方向、任意角度的剖切面； ③自动创建车削辅助线；④自动创建法平面连线；⑤自动创建扭曲板件；⑥自动进行均匀扭接；⑦自动进行法向拉伸；⑧自动进行按路径拉伸；⑨自动进行局部扩展；⑩自动绘制下料加工图表，自动绘制构架装配图和材料表；11自动给出所选零件的全部属性；12自动计算单个零件乃至整个分段的重量、重心；13自动按零件编码实行数据库分类管理；14可对当前分段进行有条件的匹配查询；15能生成 DXF 文件，与其它软件（如 AutoCAD）形成接口；16能生成 BMP 文件，与其它软件（如画笔）形成接口；使用本软件将在以下各方面明显提高生产效率。

　　2.2软件的应用

　　利用该系统软件，成功的解决了对弯扭构件的二次深化，零件图的生成及对原深化设计图的再次校验等诸多问题。

　　1) 利用施工详图提供的坐标建三维线型模与原设计图中的数据所建三维线型模作比较，来检验深化设计图中坐标值正确性。

　　2) 将正确的线型模导入到“三维特型构件软件”，按图输入构件号及零件号、板厚，软件将自动生成零件展开图及加工成型控制图，利用软件生成的展开图与施工详图提供的零件图再次叠合比较，大大减少零件的错误率。

　　3) 软件在施工实践中方便地将软件自动生存的零件以dxf格式保存到零件库内，软件将根据其材质及板厚进行分类，然后将分类后的零件导入到FastCAM数切排版软件中，FastCAM数切软件将自动生存切割程序，从而再次提高零件在下料切割过程中的精确度。

　　三、弯扭板件的加工与检验

　　3.1 弯扭箱形构件壁板放样与展开下料
用三维特形构件、计算机放样、展开，该软件只要根据扭曲箱形构件的空间坐标，定出弯扭箱形构件的四条棱线，再输入箱体壁厚，就可自动生成扭曲箱形实体模型，从而可以得到壁板上的任意空间坐标，让程序进行自动对壁板的展开，并同时可以生成箱体内部的加劲肋安装位置线，这样就可根据展开的线型数据，然后将壁板切割数据输入数控切割机进行壁板的下料切割，壁板展开如下图示意：

　　3.2 弯扭壁板的加工成型
弯扭板的加工方案通常有:压模(含数控压模)压制成型，油压机压制成型；三辊卷板机卷制成型等方法。
通过对各种加工方法的整体加工质量、工作效率，特别是在加工过程中避免由于板材点状受力从而造成对母材的损伤及加工成本等各种因素，综合研究分析后，最终确定以“三辊卷板机卷制成型为主（见图7）局部配以油压机整形”的加工方案。

　　3.3 弯扭板材加工成型后的检查
弯扭板材加工成形质量的好坏，将直接影响到弯扭构件的整体质量，为此，必须对加工成型后的板材进行严格检查，弯扭板材加工成型质量的检验，通常可采用全站仪、数控扫描仪以及传统的样箱检验等方法。
通过对其检验精度、工作效率、特别是对能否全程跟踪检验及操作方面进行了综合分析，决定采用传统的样箱检验法对弯扭钢板加工质量进行检验（图9、10）。

　　四、弯扭构件的组装

　　弯扭构件的组装将在专用组装胎架上进行。

　　4.1 基面划线与制作胎架

　　1)基面划线 胎架制作前必须在基面(施工平台)上划出构件基准面投影线、端面位置投影线、4条棱形投影线、胎架模板位置线并树立标杆，在标杆上标出相应点位的定位标高线。

　　2)制作胎架 根据图纸要求制作胎架，胎架模板的设置必须保证模板上口线形与构件表面外形的一致性并有效的增加构件焊接过程中抗焊接变形的临时刚度；整个胎架制作完成后既要便于构件拼装，又要便于在制作过程中对构件变形及精度的监控、测量。

　　4.2 弯扭构件组装

　　在胎架上定位下面板(见图12)，安装箱体内部加劲肋板（见图13），然后安装两侧板（见图14），焊接内部加劲肋板与下面板及两侧板的焊缝（见图15），最后安装上面板（见图16）。
构件在组装过程中必须严格按基面上所划各线及标高进行定位与复查，焊接加劲板前必须对已安装结束的各零件的定位准确性复查无误后方可进行焊接。

　　4.3 弯扭构件的焊接

　　弯扭构件组装结束必须进行整体测量、检查，经验收合格后方可焊接，对需进行预热的焊缝必须严格按焊接工艺进行预热，而后按焊接工艺进行焊接（见图17）。