本文系钢结构设计（id:steelercn）授权转载

第一章、双曲构件模型制作与放样

一、设计软件介绍

市面上三维设计软件多种多样，也有专为异型结构开发的一些软件，像由上海**公司出开发的 CAD/CAM 软件等。

因为我们没有专用的软件，通常我们几个软件配合使用来得到双曲构件的模型，常用的主要是 AutoCAD 软件进行深化设计、配合设计软件 Rhinoceros、SolidWorks、等几大类设计软件，分别作绘图、建模、展开图输出等。

（1）、CAD 设计软件

AutoCAD 是现在较为流行、使用很广的计算机辅助设计和图形处理软件。在 CAD 绘图软件的平台上，我司根据多年从事本行业设计、施工经验自行开发了一系列详图设计辅助软件，能够自动拉伸各种截面进行结构的整体建模；对于构件设计 能够自动标注尺寸、出具详细的材料表格；对于节点设计能够自动标注焊接形式、 螺栓连接形式、统计出各零件尺寸及重量等。

CAD 工作环境

开发的辅助软件

（2）、Rhinoceros 设计软件

Rhinoceros 是以 NURBS 为理论基础的 3D 造模软件，可以建立、编 辑、分析及转译 NURBS，以直线、圆弧、圆圈、正方型等基本数学 2D 图形来做仿真，所以可以有较小的档案，非常适合运用于教育学习、游戏设计及工业设计领域。

Rhinoceros 工作环境

（3）、Solidworks 设计软件

Solidworks 软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 有功能强大、易学易用和技 术创新三大特点，这使得 SolidWorks 成为领先的、主流的三维 CAD 解决方案。 SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。 SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。

Solidworks 工作环境

二、深化设计建模、出图步骤

制作双曲模型的方法有很多种，下面我们拿一个例子（2011 西安世界园艺博览会荷兰园工程－马蹄莲旋转观光梯工程）讲述下我们常用的制作方法，用到三个软件 SolidWorks、CAD 和 Rhinoceros。

先根据设计施工图所提供的坐标在 CAD 里建好构件的法线，以上面的内容所示，调整平面的踏步外形尺寸和标高，如下图所示：

根据踏步两边的角点来定义出梯梁的上表面样条曲线，如下图所示：

下面我们把法线另存一个文件，打开 Rhinoceros 直接打开刚才另存的文件，用菜单工具栏下面的放样命令进行放样曲面，如下图所示：

生成曲面后因为我们的法线是按踏步的两边端点进行模拟的，梯梁构件是在法线的外侧，因此下面我们把曲面的边向外延伸，用曲面下面的延伸曲面命令，梯梁 的规格是 B300X200X12X20，我们就伸出 500 的距离。

我们再进行加厚曲面得到实体，厚度要跟梯梁的高度一样为 300，用曲面下面的偏移曲面命令，如下图所示：

生成实体后，我们选中实体，用文件下面的：导出选择物体命令导出为 SAT 格式，如下图所示：

用 CAD2008 文件菜单下面的输入命令打开刚才保存的 SAT 格式文件，打开后保存成 DWG 格式，原坐标放到踏步放样的图里（Rhinoceros 里的坐标和 CAD 是一 样的），如下图所示：

下面我们来制作垂直方向的投影梯梁，如下图所示：

制作好垂直方向的实体后，用干涉命令行到实际需要的梯梁，如下图所示：

梯梁的规格是 B300X200X12X20 ，因为翼缘和腹板是不同厚度， CAD 和 Rhinoceros 里的抽壳命令无法做到抽出不同厚 度的构件，所以我们就用到 了 SolidWorks 中的抽壳命令，它的选择条件很多，可以同时选择多个面或多个厚度， 我们把模型导入到 SolidWorks 里，打开 SW，打开保存的 CAD 文件，注意要在对话 框中的文件类型中选择 DWG。

点打开后出现下面对话框，选（输入到新零件）：

打开文件，用抽壳命令进行梯梁的厚度制作，如下图：

再进行第二个梯梁的抽壳，

制作好后将文件另存为 SAT 格式，用 CAD2008 输入命令转成 DWG 格式，放到 原放样的文件里，如下图所示：

回到 CAD 中打开刚才制作好的模型，用复制边的命令进行翼缘板和腹板轮廓线 的复制，如下图所示：

展开的方法有多种多样，对于曲面手工展开一般采用三角形撑线法。

此种方法比较烦琐，为了提高展开的效率，我们有自己开发的展开插件，将轮 廓线复制到新的文件中，采用后开发的插件进行曲面展开（注意用此插件时，文件 中只能有两条样条曲线），生成曲面板的加工坐标和下料图，如下图所示：

第二章、双曲构件加工制作

双曲构件的特征相对于普通的弧形构件，双曲构件是截面形心轴线在不同平面内的弯曲，伴随着横截面在长度方向上逐步扭转的构件。而普通弧形构件，通常只是在 一个平面内弯曲，其功能件在结构当中只是属于平面结构，而双曲构件由于自身的空 间双曲，在复杂的节点体系当中会出现，属于非标的空间结构，相对于普通的直线形 或弧线形构件，其制作难度要大得多。

第一节、通过胎架采用加热的加工制作方法

一、胎架的搭设

1、根据双曲模型可在 AutoCAD 中分别获得双曲梁的立面胎架和平面划线图，

立面胎架

平面划线图

2、根据平面划线图在钢平台上分别绘出双曲梁的上、下翼缘轮廓线和端口线； 根据立面胎架图在钢平台上搭设各档胎架，保证各档胎架平面的高低差符合立面图中 的尺寸要求，根据两视图设置胎架模板，模板上口水平度控制在 1mm 以内，胎模设 置必须牢固，不得有明显晃动。

3、不规则零件采用数控切割机进行精密下料，同时根据设定的程序喷上控制线、 构架线、加工线。切割后，须对板件的切割边进行打磨，去除割渣、毛刺等物。

4、构件底板的定位，采用加热的方法，将构件板弯曲到与胎架控制点接触。

5、内隔板及边侧板的定位

6、盖板的定位、内部隔板的焊接

总结：采用胎架，通过火焰加热的方法加工双曲构件，只能对板厚较薄，构件截 面不大的情况下较为实用，但效率不高。

第二节、采用样箱加工制作方法

一、制作样箱

2、钢板下料

通过 1：1 三维建模确定出成型后的双曲板的各个控制点，然后将双曲板展开，通过各控制点定出钢板的放样定位图，确定钢板下料形状。

双曲零件板下料图

3、双曲板加工 双曲板加工采用“三辊卷板机卷制成形为主，局部配以油压机整形”的加工方案。

钢板主要由三辊卷板机卷制成形，由于卷板机辊轴直径较大，钢板端头无法卷圆，因 此端头采用油压机压制。

双曲板卷板机卷制成形

壁板成形后检测

4、双曲钢板加工质量的检验 双曲钢板加工质量要求较高，其检验过程要综合考虑检验精度、工作效率和可操作性，采用效率较高的样箱检验法对双曲钢板加工质量进行检验。

双曲板样箱检验

5、双曲梁组装

双曲梁组装图（类似工程照片）

第三节、采用数控加工制作方法

一、无模多点成型的原理

无模多点成形就是将多点成形技术和计算机技术结合为一体的先进制造技术，实际上是一种数控模具成形 。多点成形是金属板材三维曲面成形的新技术，其原理是 将传统的整体模具离散成一系列规则排列、高度可调的冲头。在整体模具成形中，板 材由模具曲面来成形，而多点成形则通过对各基本体运动的实时控制，自由地构造出 成形面，实现板材的三维曲面成形。它是对三维曲面类板件传统生产方式的重大创新， 如下图所示。

1、无模成形调形后

2、板件的输入

3、板件的压制

4、板件双曲成型后

5、双曲板件的装配

第三章、类似工程

一、世博会西班牙馆

2010 年上海世博会西班牙国家展馆方案是将一个空间分割成和以往的四方盒子形不同的篮子的形状，建筑外立面酷似手工编织的篮子。展馆俯瞰就像一个形状独特的篮子，钢梁相交形成“篮子”状外墙覆盖柳条。

2010 年上海世博会西班牙国家馆效果图

2010 年上海世博会西班牙国家馆主体钢结构

世博会西班牙馆建筑立面呈现出柳条编织的篮子形状，形态较复杂，存在多片水平和竖向的空间扭转曲面，结构形式采用与立面形态相适应的空间桁架结构。空间桁架结构竖向及水平向构件沿建筑立面在不同部位发生扭曲，以与空间扭转曲面 相适应。主体钢结构结构竖向和水平构件的分段连接节点采用高强螺栓连接的方 式，以在保证连接强度的同时便于将来的拆卸。

弯弧构件示意图

双曲楼梯示意图

双曲楼梯梁

二、中建健康产业示范城展示馆

湖南中建健康产业示范城展示馆，工程位于湖南省湘潭市韶山示范区仰天湖畔，性质：展示馆，结构类型：钢框架夹层、空间网架主屋盖、局部单层网壳。

屋面钢结构采用三角锥网架，网架最大跨长 48.000m，宽 40.000m，网架高度1.400m。采用三角锥螺栓球网架形式，局部为焊接球。

钢结构整体轴测图

健康产业示范城展示馆现场施工照片

双曲钢管车间加工照片

三、世博会委内瑞拉馆

上海世博会委内瑞拉馆位于上海世博园 C 片区，与智利、古巴、墨西哥等国家 馆相邻，面积 3000 平方米，主题为“美好的生活创造美好的城市”。

该馆用“莫比斯环”的表现形式，它的三维立体结构被称为“克莱因瓶”，意 为一个没有边界的，连续的闭合曲面，外面与内面相融汇。展馆在平面结构上近似 数字 8，以循环线结构模糊淡化了层次的界限，加强了空间的整体感。

上海世博会委内瑞拉馆占地 3000 平方米，整个建筑共 6 层，使用了 200 根 27 米长的地桩，并用水泥板加固，地上部分钢结构超过 600 吨。展馆建设始于 2009 年 10 月中旬，仅仅 3 个多月就完成了外部构架建设。

委内瑞拉馆在平面上分成 A、B、C 三个区，B 区主要环廊和平台，电梯间及 旋转楼梯位于 C 区，电梯间顶标高 14.53 米。结构采用钢框架结构，钢柱为钢管柱， 电梯间钢柱采用箱型截面柱，框架梁主要采用热轧 H 型钢梁，旋转楼梯梁采用焊接H 型钢和焊接箱型梁（双曲构件）。

本工程用到双曲构件的地方主要是旋转楼梯梁，包括箱型双曲梁和 H 型钢双曲 梁两种类型。旋转楼梯位于电梯间外侧，绕电梯间螺旋环绕分布。

旋转楼梯轴测图

箱型双曲梁工程拼装图

四、芜湖世茂滨江花园钢结构

本项目位于芜湖滨江 3#地块，占地面积 18969m2，总建筑面积将近 50000m2， 包含文化中心、艺术中心、一层商铺、地下室四部分。地上 4 层，地下 1 层，最大 楼高 31.6m，地下室标高最低-6.40m。

本钢结构的重点是文化中心和艺术中心两部分空间异型钢结构，犹如两个海 螺，包括外立面柱、屋顶部分及部分内框柱梁采用钢结构，类似于体育场馆或展览 中心等结构。效果图及相应立面图如下：

艺术中心钢结构跨度最大约为 66m，最高标高 21.5m；文化中心钢结构跨度最 大约 73m，最高标高 31.6m。外立面柱脚标高在 5.1m 二层位置。

所提供清单的截面形式有 H 型钢、圆管、槽钢和方管，艺术文化外立面有可能 的是 H 型钢弧形柱或圆管柱，次结构为槽钢和方钢管，中心部位采用网壳空间结构。

五、西安世界园艺博览会水上舞台

西安世界园艺博览会水上舞台——钢结构看台雨篷项目为钢框架结构，钢柱采 用圆钢管柱，钢梁为焊接 H 型钢梁，钢梁包括直线型、单向弯曲型及双向弯曲型。

钢结构框架轴测图

六、西安世园会荷兰馆

荷兰馆位于西安园艺博览会国际园内，占地面积 2174 平方米，整个展园呈现 三角形分布。展园由三层玻璃阳光房、马蹄莲形竹子构筑物和水景系统三部分组成。 荷兰馆的标志物当属这个外观似马蹄莲，形状独特的构筑物了，它是一个用 3000 根竹子打造而成，空间结构复杂的竹子和钢结构混合体。竹结构主要用于围栏和马 蹄莲外墙，而内骨架则由钢柱做成旋转式楼梯。整个马蹄莲构筑物的上端是一副西 安地图，下端是荷兰地图，寓意着荷兰之花盛开在西安的土地之上。

七、南宫山景区南线服务区钢结构

南线服务区是大南宫山核心景区的重点工程，位于花里镇花里村潺塘坝，由中 国旅游设计院、北京建筑设计院西安公司、北京建筑学院景观设计所承担设计，项 目总占地面积约 200 亩，概算总投资—亿余元，建设项目包括景区入口广场、山门、 游客接待中心、生态停车场以及其他的旅游服务配套设施。

南宫山景区南线服务区钢结构为钢框架结构，钢柱为箱型截面柱，梁为焊接 H型钢梁，钢梁均为双曲梁。本方案主要介绍双曲焊接 H 型钢梁的加工。

八、淮安大剧院项目钢结构

项目名称：淮安大剧院钢结构工程 结构类型：复杂框架钢结构 工程概况：本工程主体建筑分为一栋剧院和一栋影城两部分，大剧院地上 5 层，局部地下 3 层，建筑总高度 19.425~31.83 米 ；影城地上 2 层，标高 8.9 米处局部设 置夹层，建筑总高度 13.1 米。

本工程钢结构包括两部分：顶部圆台幕墙钢构架，大剧院门厅钢结构。 均采用框架结构。

作者：方敏勇，04年从中国钢结构发源地西安建筑科技大学博士毕业以来，在中国钢构第一品牌–江苏沪宁钢机，两家钢构上市公司–浙江东南网架和徽派钢构第一品牌–安徽富煌钢构，工作生活过；到今日下海自己创业收购楼承板行业第一品牌–台湾行家楼承板，一路走来，其中血雨腥风的钢构行业江湖故事，您有空，我有茶，敬请来沪切磋！

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