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一：[复杂的空间]一种复杂空间节点的制作技术*
一种复杂空间节点的制作技术*
一种复杂空间节点的制作技术*
寿建军1 杨丽君2 孙专利1 陈志平3 (1.浙江八达建设集团有限公司， 杭州 310002； 2.绍兴文理学院， 浙江绍兴 312000；3.杭州电子科技大学， 杭州 310018) 摘 要：介绍某钢结构裙楼采光顶工程异型钢节点构造及其特点，提出用数控装配技术改造传统制作工艺，搭建一个“1+5”自由度的装配平台，推导并计算出相关电机的运动量，经过原理样机的运动试验，证明该技术装配快速精确。 关键词：空间节点； 制作； 装配平台； 运动分析 随着钢结构应用越来越广泛，机场建筑、会展中心、体育场馆等大型公共建筑均采用大跨度、复杂空间钢结构作为屋盖结构体系，各种超高层裙楼的采光顶异形钢结构层出不穷，建筑师为了追求简洁，要求构件既能承重又能体现建筑造型[1]。这种转变使得对结构设计的要求不单要体现以往提出的小轻薄，而且在造型上也要与建筑紧密贴合。 这些所谓异型构件组合在一起形成异型结构，其连接节点成为这些结构的关键点；首先，是这些关键节点受力情况复杂，局部部位会形成应力集中点[2]；其次，这些节点所连接的构件的空间方向及定位完全取决于这些节点的精度。因此，对这些复杂节点的加工制作成为重点。 本文针对实际工程的一类异型节点，研制一个数控装配平台，该平台通过从现代钢结构三维软件中直接得到需要装配节点的三维数据，经过一系列计算后求出驱动相关数控电机的顺序及数据，从而实现快速、精确的装配。 1 工程背景 本工程为某大厦裙楼顶玻璃屋顶钢结构[3]，该结构基础标高为31.15 m，周边呈六边形，投影面积为1 093 m2，最大跨度为35.557 m。本结构采用单层三向网壳结构，网格尺寸2～2.4 m不等，结构杆件截面立柱为300 mm×300 mm×14 mm，圈梁为300 mm×400 mm×14 mm，壳体为150 mm×400 mm×8 mm(图1)。
图1 某大厦玻璃顶钢结构模型
该网壳的节点同时与6个方向的杆件连接，而整个壳体的建筑呈双曲造型;因此,三向网格的杆件不同程度地呈弯扭状；考虑到杆件的弯扭度较小而不规则，杆件尺寸不大等诸多因素，在不破坏建筑美感的前提下降低制作难度；本文的解决方案是把节点转折，将中间杆件作为直杆，如图2所示；其中图2a为一个三角形网格单元，该网格的节点三维图如图2b所示，节点与节点间连接的杆件为矩形管。
a-三角形网格单元；b-节点三维模型。图2 复杂节点三维模型
图3为该节点的俯视结构详图，节点上、下盖板板厚8 mm，腹板板厚10 mm，节点包含3个互相交叉约60°的轴线方向，其中一个轴线方向上的上、下盖板为平板，为了提高节点的承载能力，中间增加了一块厚12 mm的筋板，如图中A-A剖面所示。其余两个轴线方向的盖板为折板，如图中B-B剖面所示。盖板为四边形通过对角线折弯，每块盖板的折弯角度各不相同，为了最大限度地保证得到一个光滑弧形曲面，把连接杆件的截面方向与三角形网格曲面的法线方向保持一致是关键，而三角形网格曲面的法线方向向量[V]=[VxVyVz]可以通过网格节点坐标由式(1)求得，确定这个方向后，即可在深化设计软件XSTEEL中建立三维模型。
1-折板，厚8 mm。图3 节点结构示意
(1a)(1b)(1c) 2 工作原理 目前，钢结构加工企业对这类节点的加工，普遍采用的方法是根据节点详图，事先搭建一个工装平台，按照规划的工艺顺序把这些节点拼装完成。在此过程中，大部分焊缝采用手工焊来完成。这种传统加工方法在复杂节点的加工中存在两个主要的难点：1)复杂节点中很难找到一个统一的基准线或基准面，基准尺寸难以定位；另外，往往还伴随着有角度的标注，这在节点详图中更难定位，或者详图中标注的虚拟轴线在实际节点中根本无法找到。2)一个工程中节点种类繁多，而一个节点需要一个工装平台，如果要搭建众多精确的工装平台，成本会相应增加。本文以某工程为背景，针对一类复杂空间节点，研发一种数控节点装配设备[4]。 根据上述节点的基本特征以及整个结构的三维模型，搭建一个平台[5]，通过平台旋转以及机械臂的操作，使得复杂节点的组装无需人工测量与定位。该平台左侧为一个可做360°旋转的装夹平台，右侧为一个5自由度机构，自由度为：立柱的x向平动、横梁y、z向的两个平动及靠山板的绕x轴、y轴的转动。图4为该平台的示意。
图4 复杂节点数控装配平台示意
节点组装本质上是把通过数控下好的钢板单元根据空间坐标位置组装在一起，而每个钢板单元的角度是各不相同的，传统工装中需要把三维图中各个钢板单元与基准位置的相对定位尺寸计算并标注出来，而这对异形构件来说往往是比较困难的，本方案通过旋转并移动靠山板及装夹平台到指定位置后，直接把需安装的钢板贴住靠山板则安装到位。而这些旋转及移动只需根据虚拟的三维节点的部分坐标信息驱动数控电机就可完成。 3 运动分析 为了实现对这类复杂空间节点的组装，实际上把问题转化成：通过数控平台的“1+5”个自由度的转动和平移等组合运动，让靠山板中心o4点及端部一定点A分别与节点口中心o5点及节点端部b点重合(图4)。 因此，必须计算出各个平移或者旋转的数值及先后顺序，用以驱动电机。建立如图4所示的5个坐标系，其中xoy为全局坐标系， x1o1y1为坐标原点在节点中心的局部坐标系，x2o2y2为立柱局部坐标系，x3o3y3为坐标原点在横梁端部旋转中心的局部坐标系，x4o4y4为坐标原点在靠山板中心的局部坐标系。至此，上述端点重合的物理问题就可转化为以下数学问题[6]，即：在x4o4y4坐标系中一点经过坐标的旋转和平移后转化成x1o1y1坐标系下的坐标，经过一个坐标平移后，该点坐标与节点中对应点坐标重合，而该点在x1o1y1坐标系下的实际坐标可以根据该节点的三维模型得到。过程如式(2)： ([X4][R1]+[C1])·[R2]+[C2]+[C3]+ [C4]+[ΔX′]=[X1] (2) 其中 式中：X4为靠山板上一点在x4o4y4坐标系下坐标；[R1]为x4o4y4坐标系绕y4轴旋转矩阵；[C1]为x4o4y4坐标系相对于x3o3y3坐标系的位置矩阵；[R2]为x3o3y3坐标系绕X3轴旋转矩阵；[C2]为x3o3y3坐标系相对于x2o2y2坐标系的位置矩阵；[C3]为x2o2y2坐标系相对于xoy坐标系的位置矩阵；[C4]为xoy坐标系相对于x1o1y1坐标系的位置矩阵；[ΔX′]为靠山板上一点到目标点的位移矩阵；[X1]为靠山板上一点的目标重合点在x1o1y1坐标系下坐标。 选择靠山板上2个点，分别是中点o4和端部一点A，如果靠山板的尺寸为150 mm×400 mm，则该两点在x4o4y4坐标系中坐标分别为[0,0,0]、[75,0,200]，其节点上对应目标点的坐标分别为[x1,y1,z1]、[x2,y2,z2]，分别带入式(2)，经整理并去除线性相关后得：(3) 解方程后得旋转及位移矩阵分别为：(4a)(4b) 式中：a为o3-o4号坐标系间的y向距离；b、c分别为o2-o3号坐标系间的x、y向距离；d为o2-o4号坐标系间的z向距离；e、f、g分别为o-o2号坐标系间的x、y、z向距离；h、j分别为o-o4号坐标系间的x、z向距离；R为旋转中心与o1的水平距离。 当节点在组装平台左侧装夹平台上的任意位置时，左侧装夹平台需要旋转一个角度θ，使节点需要组装的管口平面与x1o1y1坐标系中的y1o1z1平面垂直，以达到组装的目的;如图4所示，由于平台旋转轴与节点上、下中心连线间存在一个倾角，旋转节点以后，节点与靠山板会产生一个附加偏差，如图5所示，所以靠山板最终移动位移量是原来计算出的位移偏差与这部分偏差的叠加。
图5 节点高度与倾斜角示意
因此，从任意0位置到1号口，最后到6号口结束(图6)，令转动的角度分别为θ01,θ12,…,θ56，产生的附加偏差为：(5) 其中 ∑θn=θ0,1+…+θn-1,n R=Htanγ 式中：n为管口编号，n=1,…,6；H为节点高度；γ为回转轴线和节点上、下中心连线的夹角。 所以，各个管口装配过程中，组装平台右侧的靠山板的位移是： ΔXn=ΔX′+ΔXθ n (6)
图6 各个管口的附加偏差示意
4 试验验证 根据上述理论，组建了数控节点组装平台的原理样机，如图7所示，并在该平台上试装配如图3所示的1个节点，经过计算该节点各个管口的旋转及位移如表1所示。
图7 数控装配平台原理样机
图4中靠山板上A点及o4点经过式(2)的坐标变换以后，得到的新坐标分别与B点及o5点比较，其差值即为本算法的系统误差。经过大量算例分析，其最主要误差来自小数点的精度误差，在实际工程中几乎可以忽略。因此,对制作平台来说主要误差来自于机器的运动和控制误差。 通过实测该节点的各个管口数据(通过全站仪对节点各个管口进行坐标测量)，比较实际管口角度及位移和表1中对应的数值，发现角度偏差最大为0.07°，位移偏差最大为0.1 mm，远远小于GB 50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》[7]、GB 50755—2012《钢结构工程施工规范》[8]规定的误差值。综上所述，本数控装配平台运动性能良好、误差小，与钢结构通用节点软件可实现无缝对接。
表1 装配节点6个支腿各个机械关节的理论数据
节点号直线位移/mmx轴y轴z轴旋转角度/(°)x轴y轴z轴1081.74-18.642.7500230.0575.58-11.931.678.5358.41329.09118.46-71.619.458.52124.4940.06135.72-23.123.240180529.84118.5055.947.078.47237.89629.7388.3445.545.838.52302.71
5 结束语 1)提出了异型钢节点的数控装配方法，改进了此类节点的传统制作工艺。 2)搭建了数控装配平台，对各个方向转动或平动的运动进行了分析，推导并得出了平台运动计算公式。 3)完成了1台原理样机，通过试验验证了所提算法及控制精度的可靠性，可供其他复杂节点装配工程参考。 参考文献： [1] 赵鹏飞.大跨结构异形构件设计[J]. 建筑结构，2013,43(3)：36-40. [2] 寿建军，关福玲，孙亚良.复杂受力状态下大型铸钢节点的性能研究[J]. 钢结构，2011,26(7)：12-15. [3] 寿建军，曹浩明，孙占利.亚洲包装中心大厦钢结构穹顶设计[J]. 固体力学学报，2014,35(专辑)：48-51. [4] 吉敏延. 箱型钢桥梁板单元自动化焊接技术应用研究[J].钢结构，2014，29(4)：54-57. [5] 周青青，陈志平，张巨勇，等. 空间钢结构复杂节点自动装配机的结构设计[J]. 电子机械工程，2014,30(1)：58-60. [6] 刘兴良，张军前.基于FANUC 0i系统的数控铣床坐标旋转指令的使用研究[J]. 西安航空学院学报，2014,32(1)：24-26. [7] GB 50205-2001 钢结构工程施工质量验收规范[S]. [8] GB 50755-2012 钢结构工程施工规范[S]. MANUFACTURING TECHNOLOGY OF COMPLEX SPATIAL JOINT Shou Jianjun1 Yang Lijun2 Sun Zhuanli1 Chen Zhiping3 (1. Zhejiang Bada Construction Group Co.Ltd, Hangzhou 310002, China;2. Shaoxing University, Shaoxing 312000, China;3. Hangzhou University of Electronic Technology， Hangzhou 310018, China) ABSTRACT：The structure and characteristics of special-shaped steel joint of natural lightening roof of podium building were introduced. A numerical control technology was put forward to transform traditional manufacturing process. A “1+5” DOF assembly platform was established. The quantity of motion of the relative electric motors was derived and calculated. Finally, assembly process was proved to be fast and accurate by using this technology according to the exercise test of the prototype. KEY WORDS：spatial joint; manufacture; assembly platform; motion analysis *住房与城乡建设部2013年科学技术项目计划：软科学研究项目(2013-R3-6)。 第一作者：寿建军，男，1970年出生，博士。 Email:[email protected] 收稿日期：2015-03-06 DOI：10.13206/j.gjg201506019
二：[复杂的空间]几何框架下的复杂空间——Arper展厅 | 建筑学院
几何框架下的复杂空间——Arper展厅
MAIO为Arper设计的展厅融入了一系列几何元素。这一系列简单的几何框架让空间规划展现出多种可能性。展厅由五个基本元素组成，采用不加修饰的纹理和色调，打造出可重复使用的，各自独立的展厅形式。
主展厅
办公家具展厅
主展厅
主展厅中，一系列空间围合成披萨的形状。中央区域与周围的展示空间相互连通，每一间小展厅都与其展示的商品风格一致。展区房间的天花板及墙壁随展示商品的不同而变化。这些空间于展厅之中营造出“城市中的城市”氛围。该空间用木材打造出独特的展厅氛围。
各展区于中央连通展厅中的几何元素
办公家具展厅
办公家具展示区表现为半透明的展厅外貌。被分割的小型展示区彼此相连，形成循环的展示空间。展厅与展品和谐统一。
半透明的展厅
图纸
概念
元素
图解
模型
项目信息
建筑师：MAIO
位置：Foro Buonaparte，65，20121 Milano MI，意大利
面积：1080.0平方米
项目年份：2017年
摄影师：Jose Hevia
制造商：Arper
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三：[复杂的空间]复杂空间结构技术发展及应用展望
█ 严红丽（中国二十二冶金结公司总工程师）
空间结构技术发展简介 所谓空间结构空间结构是相对平面结构而言的，平面结构所承受的荷载以及内力变形都考虑是二维的，如我们日常所见到的梁、桁架等都属于平面结构。而空间结构所承受的荷载以及内力变形都是三维空间的，即作用于空间，它的结构分析要考虑空间作用，用一般二维的假设和分析是无法得到准确解答的。 在实际应用中空间结构的卓越工作性能不仅仅表现在三维体来有效抵抗外荷载的作用。当结构跨度达到一定程度后，一般平面结构往往己难于成为合理的选择，而空间结构随着跨度增大时就愈能显示出它优异的技术经济性能。 空间结构的发展历程 古代空间结构——近代空间结构——现代空间结构经历了三大历程。 古代空间结构代表
【罗马万神庙】拱券式穹顶，混凝土、砖石建成。
近代空间结构代表
【上海万人体育馆】网架结构，混凝土、钢、膜建成。
现代空间结构代表
【奥运会主场馆“鸟巢”】网架结构，高强度材料建成。
建造材料的变革+技术的革新—（推动力）—空间结构发展 建造材料的变革经历了从砖石，到混凝土、钢材、膜材，最终到高强度钢、拉索、碳纤维等高强度材料的演变。建造材料的变革+技术的革新—（推动力）—空间结构发展空间结构体系形态 随着技术的发展，空间结构体系形态也不断创新，各种类型和形式丰富多彩：网架结构，薄壳结构，网壳结构，悬索结构，折板结构，拱架结构，桁架结构，索膜结构，索穹顶结构，张弦梁结构，充气膜结构，弦支网壳结构，斜拉网格结构，树状结构，多面体空间刚架结构。空间结构体系独特的优势 1、三维空间受力，可充分利用结构形状来抵抗外力作用。2、结构体系受力合理，整体刚度好。3、结构一般较为复杂，需要专业技术支撑（包括设计、施工技术）。4、结构重量轻，钢材耗量少。5、建筑造价低，经济效果显著，特别是在大空间建筑和大跨度结构上越能显示出优越的技术经济指标。6、结构形式多样，造型美观，艺术性强。7、可适用于各类公共建筑和工业建筑中。 1、阿尔及利亚奥兰体育场工程 工程介绍：工程占地面积29万m2，总建筑面积约为5.9万m2 ，可容纳4万人。结构体系为：空间管桁架结构体系，立面交错编织，结构由72榀大悬挑桁架组成，杆件扭曲相贯，异常复杂。形态类似“棕桐叶”，效果美观。
工程设计
施工技术
2、山西大同体育场工程 工程介绍：大同市体育场包含三个配套附属馆，分别为：训练馆、游泳馆、体育馆。 工程结构错综复杂，跨度大。 训练馆 结构体系：钢管桁架结构12榀主桁架，最大跨度63m，主桁架高低落差达13m。 游泳馆 结构体系：钢管桁架结构，16榀主桁架，最大跨度85m，主桁架高低落差达8m。 体育馆 结构体系：内部桁架结构，外部实腹钢梁结构，16榀主桁架，最大跨度81m，主桁架高低落差达8.5m。 施工技术
3、沈阳北站工程
4、黑瞎子岛北大荒现代生态园工程
工程介绍：黑瞎子岛生态园取寓于东方升起的太阳，内院呈环抱东方之势，引入环境水系，整体为椭球体局部，造型新颖，形态唯美。生态园地上部分为半径75m的圆，内院呈曲线状；建筑最高点为20m，具有不规则性。结构体系：空间单层双扭曲网壳结构。
5、烟台牟平文化中心工程
工程介绍：牟平文化中心工程设计形状像“如意”，体现了中国传统文化中的吉祥文化，工程建筑面积5.3万m2 。结构体系为：屋盖为桁架结构，最大跨度40m。幕墙为网格结构，箱型钢结构编织成菱形花格。
大跨度桁架整体吊装技术，分块吊装技术，倾斜结构安装控制技术。 6、北京京西下沉广场蝴蝶桥工程
工程介绍：下沉广场蝴蝶桥采用蝴蝶的仿生设计，形似蝴蝶展翅，与广场花的景观设计相融合，扩大了下沉广场的招示性。结构体系为：斜拉索桥结构， 桥面结构为拱形，桥梁为箱型扭曲，跨度37.1m。翅膀是主次拱管式结构，双管扭曲。拉索：主索42根，稳定索20根。 施工技术：临时支撑体系；分段安装技术；空间结构尺寸控制技术；拉索张拉技术；拉索施工应力分析技术。 7、唐山世博园大门工程
工程介绍：唐山世博园大门围绕“都市与自然，凤凰涅槃”的主题设计，寓意唐山作为凤凰涅槃之城，由内而外破壳而出，向绿色城市转型。 D1大门结构体系为：大跨度空间树枝形骨架式膜结构体系，屋盖为13片羽毛结构，最大悬挑26.5m，结构涵盖双曲弯管、铸钢件、新型屈曲约束支撑、膜结构。
施工技术
D5大门结构体系为： 大跨度空间管桁架结构，跨度200m，结构涵盖双曲弯管、斜拉索。整个工程非常复杂，艺术性强。 空间结构发展展望 空间结构由于其经济性、适用性、美观性越来越受到人们青睐，在60年代空间结构曾被认为是一种兴趣但仍属陌生的非传统结构，然而今天已被全世界广泛接受。到现在可以这样说，空间结构是最近30多年来发展最快的结构形式，其发展状况也成为了一个国家建筑科技水平的重要标志之一， 我国大跨度空间结构的基础原来比较薄弱，但随着国家经济实力的增强和社会发展的需要，近10余年来也取得了比较迅猛的发展，工程实践的数量越来越多，空间结构的类型和形式逐渐趋向多样化，相应的理论研究和设计技术也逐步完善。 空间结构将在下列领域得到快速发展。体育建筑领域：体育场，体育馆，游泳馆，训练馆。交通建筑领域：火车站站房、雨棚，客运中心，航空港、机库，机场航站楼。文化建筑领域：大剧院，会展中心，博物馆，美术馆。 我国空间结构发展的巨大机遇 我国空间结构在技术上虽与国际先进水平上仍有一定的差距，但中国国大人多，随着人们的生活质量和需求不断提高，我国空间结构将面临着巨大的发展机遇，总体可体现在如下几个方面： 国内环境：中国国力不断增强，为适合国内发展，建造更多更大的体育、休闲、展览、航空港、机库等大空间和超大空间建筑物的需求十分旺盛。 结构固有特性：空间结构丰富的造型及其技术经济指标的优越性，越来越受到设计者和建造者喜爱。 设计技术：空间结构的理论研究和设计技术能力不断发展，如BIM技术发展，为空间结构的计算分析提供了无限可能。 施工技术：施工技术发展和施工实践经验的积累，如施工技术分析能力的提高，为建造空间结构实现了可能。
