花生壳式单层网壳结构设计与制作

花生壳式单层网壳结构设计与制作的研究摘要：上海轨道交通11号线南翔站a地块办公，商业及住宅幕墙工程，商业部分分原设计的采光顶是采用钢管桁架式，效果较普通，为了提高商业地块的价值，提高建筑的效果。

我提出了采用单层网壳结构，造型按花生壳设计。

本文简介三维建模、深化设计及加工制做过程。

关键词：花生壳单层网壳节点体系数控加工钢管桁架式1，方案设计1.1设计院的原方案：图1：设计院的原方案图2：单层网壳(花生壳)室内效果图1.2单层网壳花生壳式方案图3：单层网壳(花生壳)室外效果图1.3经过比对，业主主最终采用了单层网壳(花生壳)的设计。

2，在确定了其本的方案后，对单层网壳(花生壳)的节点细部进行深化设计。

2.1 首先是采用通用三维建模软件建数字化模型。

图4（左）：花生壳局部数字化模型模图2.2数据处理对于空间自由曲面，网格划分单线模型已经确定了的节点和杆件中心线的位置，但未确定节点和杆件的局部坐标即构件的空间放置方位。

由此，需要对构件的方位控制原则进行确认。

网格模型为连续非光滑的离散结构，但每个分格相对于整体结构外形尺寸很小，故可借用光滑曲面的切面或法线的概念来确定节点的空间方位：节点法向为与之相连接三角形外法线(单位向量)矢量算术平均值；杆件法向为与之相连接两个三角形外法线(单位向量)矢量算术平均值，见图22。

本方法未考虑各三角形顶角α在求矢量平均值过程中对面法线权值的影响，经过对比考虑α权值和不考虑结果，误差在1%之内，本工程在具体计算过程中未考虑α权值的影响。

从工程实践来看，离散曲面简化法线确认法足以满足建筑外观要求。

确定节点与杆件局部坐标后，理论空间模型则唯一确立。

图5：局部坐标系3，基本术语与参照坐标系定义3.1基本术语定义1）翼缘方向：本工程的节点与杆件，位于天棚上部的我翼缘均称为上翼缘，位于天棚下面的翼缘均称为下翼缘。

2）节点法向：节点处各杆件在横截面内从下翼缘中点指向上翼缘中点单位方向矢量的矢量和，即称为该节点的法向向量，该向量始终指向球体外部。

3）弯扭牛腿型节点：方管汇交的节点区由钢板焊接而成，其中节点区的上翼缘板与下翼缘板均为整板下料切割而成，牛腿区段的上下翼缘板均为弯扭板件。

3.2．弯扭节点参照坐标系定义各牛腿所连杆件的上翼缘上表面中心线交点为o，即节点原点，z轴与节点外法线方向重合且同向，x轴位于局部编号1号的牛腿上翼缘中心线与z轴确定的平面内，y轴以右手法则确定。

z轴与节点核心区上翼缘上表面的交点与o点重合。

牛腿局部编号绕z轴按右手法则排列分布。

4、编号规则4.1杆件编号杆件的编号由七位数字及字母组成：杆件流水码在每一层区段内，以从上到下按照顺序方向编排。

4.1节点编号1）节点编号由七位数字及字母组成：节点流水码在每一层区段内，以从上到下按照顺序方向编排。

2）牛腿编号节点上的牛腿用”nt-*”表示，其中字符”*”代表数字”1~8”，即牛腿顺序号。

一个节点上的牛腿以该节点的节点法向为转轴，按右手规则依次按升序排号。

起始牛腿（即nt-1）由详图给定。

牛腿编号原则如图1所例举。

图6：牛腿编号原则图3）牛腿控制点编号a）牛腿端部控制点编号原则如图2所示。

控制点编号n从1号牛腿按逆时针依次排列到最后一条牛腿，编号顺次递增。

上下翼缘对应位置的编号相同，仅用翼缘的”上”、”下”区分。

n=2n-1（其中n为牛腿编号）。

图7：弯扭节点牛腿端部控制点编号原则图b）牛腿翼缘切割控制点编号原则:如图3所示。

翼缘切割控制点编号n从1号牛腿按逆时针依次排列到最后一条牛腿，编号顺次递增。

上下翼缘对应位置的编号相同，仅用翼缘的”上”、”下”区分。

n=3n-2（其中n为牛腿编号）。

上下翼缘在nt-1上定位孔在展开面局部坐标系下位置均为x=150、y=0，如果下翼缘定位孔位置位于翼缘之外，可对上下翼缘定位孔y 坐标同时调整。

图8：弯扭节点牛腿腹板与切割控制点编号原则图4）节点中的板件编号a）腹板与封头板编号原则如图3所示，其中符号”*”代表数字”1~8”，即牛腿顺序号。

以节点法向为转轴，按逆时针方向绕行来区分fb1与fb2。

b）腹板组立拼接如图4所示，*-fb1开坡口，*-fb2伸长10mm。

图9：腹板组立俯视图4.4节点及杆件钢印标识说明1）节点及杆件标识采用钢印方式，钢印深度应>0.5mm且应保证工厂油漆涂装完毕后编号可清楚辨认。

2）节点钢印标识在节?闵弦碓位置在牛腿1上靠近中间区域右下角处,如图5所示。

3）杆件钢印标识在杆件上翼缘位置在杆件上翼缘中间处,如图4所示。

4）深化设计中表示杆件与节点的”g”和”j”在钢印标识中不表达。

5）钢印中先导位的数字”0”不标识,通过数位表达,如深化设计中b09g003打印为b□9□□3,其中”□”表示数字”0”的占位空格。

6）由于各节点类型牛腿长度不一致，因此留给钢印的位置空间不一，因此不对各节点类型字体大小作统一规定，清晰易辨认即可。

4.5．杆件1）杆件的翼板及腹板长度按两节点对应牛腿端面（端铣后）之间的距离下料，宽度方向未标注加工余量。

2）当腹板长边开坡口与翼缘焊接时，图纸中标注的腹板宽度已扣除坡口间隙。

图10：节点与杆件标识钢印示意图上翼缘俯视图5、下料1）牛腿长度确定原则：牛腿端面与对应的杆件轴线垂直。

从节点原点到牛腿端面的00mm。

该长度不包括加工余量。

2）上下翼缘板均采用整板制作。

板件下料图中各牛腿的宽度未考虑加工余量，牛腿端部已考虑加工余量，余量为5mm。

6、加工1）钢结构构件的制作，其放样、号料、切割、矫正、弯曲和边缘加工、组装《钢结构设计规范》（gb50017-2003）和《钢结构工程施工质量验收规范gb50205-2001）中相关要求及本工程的规定进行。

2）所有主要构件，除设计图上另有规定外，一律不得用短料拼接。

3）所有钢材在使用前均应按相应规范的规定进行复检，如有变形等情况，应采取不损坏钢材的方法展直矫正。

4）在放样画线时，应根据施工工艺要求，预估安装焊接及构件加工中焊接收缩余量，以及切割、刨边、铣平等的加工余量，对焊接收缩余量必要时应进行试验测定。

5）本工程所有高强螺栓孔及工艺孔均应采用钻孔制孔的方法。

7、数控加工数据1）数控加工的电子数据文件格式为microsoft excel.2）每个电子表格包含四个工作表：”平面割板数据”、”开圆孔定位尺寸”、”控制点三维坐标”及”牛腿角度数据”。

3）工作表”平面割板数据”：为上下翼缘平面板件下料切割控制点坐标。

4）工作表”开圆孔定位尺寸”：为节点1号牛腿上工艺孔的定位尺寸。

5）工作表”控制点三维坐标”：为各牛腿端面角点在节点坐标系中的空间坐标，包括收缩及端铣前后两种加工状态的数据。

6）工作表”牛腿角度数据”：为各牛腿在节点坐标系中的分度角、俯仰角与扭转角。

分度角为牛腿上表面中心线在节点法向垂直面的的投影夹角；俯仰角为牛腿上表面中心线向量（指向牛腿端面）与节点法向量之间的夹角；扭转角为节点法向量在牛腿端面上的投影向量与牛腿截面方向向量之间的夹角。

数据精度保留4位小数，单位为度。

8、焊接8.1焊接施工要求1）施工单位对所有焊接均应按《钢结构设计规范》（gb50017-2003）及《建筑钢结构焊接技术规程》（jgj 81-2002）之严格要求进行。

2）在厚板及焊件厚度大于20mm的角接接头的焊接中，施工单位（包括制作及安装单位）应采取一切必要的措施为止在厚度方向出现层状撕裂，焊接前，对母材焊道中心线两侧各2倍板厚加30mm 的区域内进行超声波探伤检查。

母材中不得有裂纹、夹层及分层等缺陷存在。

3）焊接施工过程中，应做好记录，并随时供监理单位和施工单位检查。

4）当采用衬垫板焊接时，除焊接坡口根部间隙尺寸须符合设计要求外，应使衬垫板和焊件紧密贴合，使焊流溶入衬垫板，并符合要求：a)该垫板的预处理方法应与所焊构件相同。

5）当在预埋件上施焊时，应采用细焊条、小电流、分层、间隔施焊等措施，控制整块埋件温度。

6）三面围焊及绕角焊时，转角处必须连续施焊。

7）钢结构构件在受力状态下不得施焊。

8）焊缝应尽量避免相互重叠。

8.2焊接质量检验等级、无损检测要求1）节点腹板与翼缘、牛腿翼缘板与节点核心区板的声波探伤，评定等级ii，检验等级b级。

2）杆件腹板与翼缘的连接为全熔透二级焊缝，20%超声波探伤，评定等级iii，检验等级b级。

3）节点与杆件的对接焊缝为全熔透一级焊缝，100%超声波探伤，评定等级ii，检验等级b级。

4）节点牛腿端头的封头板与牛腿翼缘及腹板的连接为部分熔透三级焊缝。

5）所有角焊缝均为三级焊缝，并满足二级焊缝外观要求。

6）所有焊缝应作100%外观检查，其检查标准按本说明gb50017-2003）及《钢结构工程施工质量验收规范》(gb 50205-2001)要求进行，当上述检查发生疑问时须进行着色渗透探伤或磁粉探伤的复检。

9、安装1）安装的主要工艺，如测量校正、厚钢板焊接、栓钉焊接、高强度螺栓连接的摩擦面加工等，应在施工前进行工艺试验，并制定各项操作工艺。

2）钢结构的安装，其定位轴线、标高、地脚螺栓，构件的质量检查、安装顺序、接头的现场焊接顺序，钢构件的安装、安装的测量校正、焊接工艺，高强螺拴施工工艺、结构的涂层等均应严格按照规范中相关要求进行。

3）高强螺栓连接的钢构件之间，不得随意扩孔。

10、总节单层网壳率无论在造型及节约钢材方面都有很大优势，在国内属发展初期，希望本文能给广大工程开发，设计及施工人员有所帮助。

注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。