专利名称：一种空间曲面异形螺旋钢管壳结构弯制组装施工方法
技术领域：
本发明属于钢结构制作施工技术领域，特别是提供了一种空间曲面异形螺旋钢管 壳结构弯制组装施工方法，适用于各种空间异形钢管结构的制作。
背景技术：
2008北京奥运会主火炬塔艺术造型为不规则异形螺旋曲面结构，结构造型艺术色 彩浓厚，其结构形式内涵所表达出飘逸、自然、和谐的天人合一思想，为了使这种结 构艺术内涵能够在世人面前充分的诠释出来，也为了主火炬在16天的奥运会期间顺 利、安全的燃烧奥林匹克之圣火，其主火炬结构制作工艺难度、精度是可想而知的。 由于其制作施工技术没有先例可寻，我公司自行开发出空间曲面异形螺旋钢管壳结构
弯制组装技术，开创了空间曲面异形螺旋钢管壳结构弯制组装的先河，在处理异形钢 结构构件组装中经济效益明显，提高了钢结构行业的技术水平，促进了钢结构行业的 发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空间曲面异形螺旋钢管壳结构弯制组装施工方法。此 弯制组装技术可为各种管壳钢结构艺术造型提供技术指导。
本发明所釆用的技术方案是
1、 采用绘图软件建立空间异形钢管结构模型并按照设计要求核对无误，根据结
构模型提取出每个空间杆件及整体结构的三维空间坐标(X， Y， Z)，分析确定胎具模
板位置并确定胎具膜板形状大小和杆件贯通模板位置的三维空间坐标，给出胎具模板 下料和杆件组装定位图。
2、 按照杆件空间位置及形状不同进行分类，采用不同的数控切割工艺，对不同 的钢管杆件进行切割下料，直管及二维空间钢管杆件采用数控相贯线切割机直接切割 出贯口，三维空间钢管杆件两端贯口利用相贯线切割机切出直管的贯口形状制作样 板，待杆件弯制合格后再按照贯口空间位置用样板划出割线进行切割。
螺旋钢管杆件的弯制，按照每个杆件空间三维坐标分别进行平面上不同曲率半径 杆件弯制和高度方向上不同曲率半径杆件的弯制。
3、 按照每个杆件的空间三维坐标分别进行平面上不同曲率半径杆件弯制和高度 方向上不同曲率半径杆件的弯制。
4、 按照胎具模板图编制下料程序并输入数控切割机，用数控切割机进行胎膜板 的下料。下料完成后利用全站仪等精密测量工具进行测量定位搭设胎具，保证胎膜板 的位置准确无误。
5、 用全站仪等精密测量工具按照三维坐标进行定位，依次插入主钢管柱并标注各杆件连接位置，并将各杆件逐根进行上胎组装。单片组焊完成后在总组装平台上进 行整体组焊。
本发明的有益效果是，实现了空间曲面异形螺旋钢管壳结构弯制组装，在处理空 间异形钢结构构件制作、组装中效果明显，提高了钢结构行业的技术水平，促进了钢 结构行业的发展。
图l 2008北京奥运会主火炬塔空间模型及分段位置示意图。其中，中部翻转架 1、上主体2、下主体3。
图2 2008北京奥运会主火炬塔上主体7米标高模板定位图。其中，7米标高处 模板4。
图3 2008北京奥运会主火炬塔下主体8a段胎具位置及定位模板图。其中，下 主体8a段左胎具5、下主体8a段右胎具6、主钢管柱7。
具体实施例方式
本发明的具体实施方式
采用以下步骤施工
1、 建模并确定杆件及胎具模板空间位置坐标
采用XSTEEL绘图软件建立2008北京奥运会主火炬塔特殊艺术造型结构空间模型 (图l)，确定每一个空间钢管杆件和整体结构的三维空间坐标(X， Y， Z)。
对模型进行分析，将2008北京奥运会主火炬塔划分为上下两个部分(图1):以 中部翻转架l为界限，翻转架及以上部分为上主体2，以下部分为下主体部分3。
根据结构划分情况确定胎具模板位置并确定胎具膜板形状大小和杆件贯通模板 位置的三维空间坐标，给出胎具模板下料和构件组装定位图(图2、图3)。
2、 钢管杆件下料
按照构件空间位置及形状不同进行分类，采用不同的数控切割工艺，对不同的 钢管杆件进行切割下料，对不能直接采用数控切割贯口的复杂钢管构件，采用数控切 割与手工切割相结合的方式，直管及二维空间管采用数控相贯线切割机直接切割出贯 口。三维空间螺旋钢管按照展开尺寸采用数控相贯线切割机切割出单端钢管相贯贯 口，另一端采用相贯线切割机切出直管的贯口形状，然后依据此形状制作样板，根据 胎具上各管两端相交的角度和位置做出投影面确定好相贯口的位置和角度方向，用样 板划出切割线进行切割。
3、 螺旋钢管杆件的弯制
按照杆件曲率半径、螺旋方向把每个管杆件的加工分解为两步进行弯制首先选 用通过改造后的弯管机进行平面内多个不同半径的曲率加工；然后利用液压压力机 (配备专用胎具)进行螺旋扭曲立面方向的曲率加工，利用X-STEEL空间建模确定的 杆件三维坐标，逐根设置胎具，在平台上做出投影面进行检査和校正，直至符合造型 要求。
4、 胎具模板制作及胎具搭设按照胎具模板图(图2、图3)编制下料程序并输入数控切割机，用数控切割机 进行胎膜板的下料。下料完成后利用全站仪等精密测量工具进行测量定位搭设胎具， 保证胎膜板的位置准确无误。
上主体2分为四个单片采用立式整体组装法，下主体3分为五个单片采用卧式单 独组装法，各片组焊并修矫完成后采用立式组装法将上主体2和下主体3各单片依次 分别吊装到总组装平台上进行整体组装。
5、单片组装及整体组装
上主体2组装首先在中部翻转架1上垂直设置一根0 273*12的钢管作为上主体 2的中心测量标准柱，以柱中心为基准点，在7米标高处焊接胎模板4，在胎模板4 和翻转架1上作十字线。使用全站仪在翻转架1上表面标出和上主体2相连的23根 钢管柱的坐标点位置，利用两台经纬仪成90。角进行测量，使中心柱与翻转架l保持 垂直。在中心柱7米标高处焊接4块三角形钢板做为支撑胎模板的牛腿，用4根 200*200的H形钢做为四周边的支撑杆，使胎模板4与翻转架1保持平行，上、下两 层的十字线完全重合。检查坐标点、平面度及标高合格后依次插入23根钢管立柱， 复查角度合格后固定。由下而上依次组对螺旋形横杆件及斜杆件等。
下主体3各片组装时，胎具检査合格后插入主钢管柱7并标注钢管连接杆件位置， 分段式次钢管柱的外皮下部中心位置处顺方向拉设钢线(由于螺旋式连接杆件直径大 于分段式次钢管柱直径，要留出其公差值)，组装螺旋式连接杆件，(杆件上的点要和 平台上的投影点垂直，下部外皮与钢线相切)以钢线为中心组对分段式次钢管柱，最 后组对斜撑杆件等。
将上主体2用200吨汽车吊吊装固定到总组装平台的行走小车上，在上主体2的 正下方铺设三张30mm钢板作为投影面，用全站仪把下主体3各片钢管柱的设计上、 下端点位置投影到地面钢板的投影面上。用汽车吊依次吊装下主体3五片与上主体2 的四片连接。用两台经纬仪从正面和90°方向分别测量校正下主体3五片钢管柱的 上、下点和相应投影面上的点成垂直状态。以构件的连接支撑杆件和临时支撑加以固 定完成整体组装。
权利要求
1、一种空间曲面异形螺旋钢管壳结构弯制组装焊接的施工方法，其特征在于，(1)采用绘图软件建立空间异形钢管结构模型并按照设计要求核对无误，根据结构模型提取出每个空间杆件及整体结构的三维空间坐标(X，Y，Z)，分析确定胎具模板位置并确定胎具膜板形状大小和杆件贯通模板位置的三维空间坐标，给出胎具模板下料和杆件组装定位图；(2)按照杆件空间位置及形状不同进行分类，采用不同的数控切割工艺，对不同的钢管杆件进行切割下料，待杆件弯制合格后再按照贯口空间位置用样板划出割线进行切割；(3)按照每个杆件的空间三维坐标分别进行平面上不同曲率半径杆件弯制和高度方向上不同曲率半径杆件的弯制；(4)按照胎具模板图编制下料程序并输入数控切割机，用数控切割机进行胎膜板的下料；下料完成后利用全站仪精密测量工具进行测量定位搭设胎具，保证胎膜板的位置准确无误；(5)用全站仪精密测量工具按照三维坐标进行定位，依次插入主钢管柱并标注各杆件连接位置，并将各杆件逐根进行上胎组装；单片组焊完成后在总组装平台上进行整体组焊。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的钢管杆件进行 切割下料，对直管及二维空间钢管杆件采用数控相贯线切割机直接切割出 贯口，三维空间钢管杆件两端贯口利用相贯线切割机切出直管的贯口形状 制作样板。
3、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于螺旋钢管杆件的弯制， 按照每个杆件空间三维坐标分别进行平面上不同曲率半径杆件弯制和高 度方向上不同曲率半径杆件的弯制。
全文摘要
一种空间曲面异形螺旋钢管壳结构弯制组装焊接的施工方法，属于钢结构制作施工技术领域。它是采用XSTEEL绘图软件建立空间结构模型，并根据其结构模型确定的空间坐标制作胎膜板和搭设胎架，用数控切割机、相贯线切割机、弯管机和压力机等进行零部件加工，用全站仪等测量仪器测量定位进行各部分的组装和整体的组装制作。优点在于，实现了空间曲面异形螺旋钢管壳结构弯制组装，在处理空间异形钢结构构件制作、组装中效果明显，提高了钢结构行业的技术水平，促进了钢结构行业的发展。
文档编号E04G21/14GK101476395SQ20091007689
公开日2009年7月8日 申请日期2009年2月6日 优先权日2009年2月6日
发明者吴定国, 尚俊田, 战学文, 王英俊, 阮新伟 申请人:北京首钢建设集团有限公司;首钢总公司