【钢结构·技术】多案例、多图详解双曲钢构件的深化设计和加工制作流程
一、引言
随着现代建筑造型的日益丰富,双曲钢构件(即沿两个方向同时弯曲的钢结构构件)在体育场馆、机场航站楼、文化中心等大跨度、复杂造型建筑中得到了广泛应用。这类构件外形流畅、受力合理,但同时也给深化设计和加工制作带来了巨大挑战。本文结合鸿泰重工多个实际项目案例,以多图形式详细解析双曲钢构件的深化设计和加工制作全流程。
二、双曲钢构件的特点与分类
双曲钢构件通常可分为两大类:
- 双向弯曲构件:如弯扭构件、双曲拱等,其表面为不可展曲面,无法通过简单的卷板或折弯一次成型。
- 空间扭曲构件:如树状柱、自由曲面网壳节点等,常由多个双曲板件焊接而成。
其核心难点在于:
- 几何表达复杂,传统二维图纸难以描述;
- 加工时需依赖三维模型进行放样和胎架制作;
- 焊接变形控制难度大,精度要求高。
三、深化设计流程(含案例图示)
3.1 从建筑模型到结构模型
以某体育场项目为例,建筑Rhino模型先导入Tekla Structures,建立结构线模型。如图所示(图1),提取出每一根双曲构件的中心线及控制点。
图1:建筑模型与结构线模型对比(原Rhino曲面→提取中心线→杆件单元)
3.2 三维实体建模与板件拆分
采用Tekla或Rhino+Grasshopper对每根构件进行实体建模,并拆分为若干块双曲板件(腹板、翼缘、隔板等)。拆分原则:
- 尽量将双曲板转化为单曲板或平板;
- 考虑轧制方向与焊缝位置;
- 控制单块板件重量与尺寸便于运输和吊装。
图2:双曲箱形构件拆分为四块单曲/双曲板件
3.3 展开与放样(展开图生成)
对于不可展曲面,需采用近似展开方法(如三角网格法、测地线法)。图中展示了某弯扭构件的展开结果(图3),并标注了坡口位置和加工余量。
图3:弯扭翼缘板展开图与样板
3.4 出图与数据输出
最终输出内容包括:
- 单件装配图与零件图(含三维轴测图)
- NC加工文件(用于数控切割、卷板)
- 胎架放样图(提供坐标点与定位块位置)
- 焊接顺序与预变形方案
图4:某双曲节点深化设计图(含胎架定位点)
四、加工制作流程(含案例图示)
双曲钢构件的加工是一个“以胎架为基准、数控为辅助、人工校形为核心”的过程。
4.1 数控下料
根据展开图进行数控切割,切割后需标注板件编号及方向标识。如图5所示,为某项目双曲腹板下料后状态。
图5:数控切割后的双曲板件(带保方向标记)
4.2 边缘加工与坡口制备
采用铣边机或火焰/等离子切割制备焊接坡口,注意坡口角度随曲面曲率变化须对应调整。见图6。
图6:坡口机加工双曲板边缘
4.3 卷板与压型(冷弯/热弯)
对于单曲板件,可用三辊卷板机卷制;对于双曲板件,则需采用模具压力机或局部热弯。多案例表明,采用“多点成型”技术效果较好。图7为压力机压制双曲板的过程。
图7:双曲板局部压型加工(多点模具示意)
4.4 胎架制作与构件组装
胎架是双曲构件成型精度的关键。需根据深化模型中提取的坐标点,设计并制作型钢胎架(见图8)。构件在胎架上进行组装、点焊、测量、调整。
图8:双曲箱形构件组装胎架及构件吊装就位
4.5 焊接与变形控制
焊接顺序对称、分段退焊,并辅以预热、层间温度控制及焊后保温。部分构件需采用反变形措施。图9展示了埋弧焊焊接双曲箱形构件内部。
图9:双曲箱形构件内部埋弧焊
4.6 矫正、检测与预拼装
焊接后采用火焰矫正或机械矫正。检测手段包括全站仪测量、三维激光扫描、模板检查等。某些复杂节点还必须进行工厂预拼装(见图10)。
图10:双曲构件三维激光扫描检测与工厂预拼装
五、典型工程案例简介
| 项目 | 构件特点 | 难点与对策 |
|------|----------|------------|
| 某体育场罩棚 | 弯扭箱形钢梁 | 采用多段展开+胎架压型,精度±3mm |
| 某机场航站楼 | 树状柱双曲节点 | GH参数化建模+扫描校核 |
| 某文化中心 | 自由曲面网壳 | 拆分单曲板、数控卷板+胎架拼焊 |
详细案例图解见项目附件P1\~P20。
六、与建议
双曲钢构件的深化与加工是一项“模型精确、数据贯通、胎架可靠、严控焊接”的系统工程。鸿泰重工的经验表明:
- 强化BIM正向深化,明确每个板块的展开放样和数控数据;
- 设计科学的胎架与工装,可显著提高一次合格率;
- 整体预拼装与三维扫描检测是必要的质量控制手段。
未来随着机器人焊接、数字孪生与自动成型技术的发展,双曲钢构件的加工效率与精度将有更大的提升空间。
说明:以上图文示意图详见鸿泰重工内部技术图谱或工程案例集;本文仅对正式项目所用技术流程作还原性描述。
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更新时间:2026-10-15 12:45:28