一种空间大跨异形钢结构制作安装预变形方法
【专利摘要】本发明属于建筑钢结构【技术领域】，具体涉及一种空间大跨异形钢结构制作安装预变形方法，该方法具体涉及如下步骤：建立计算模型；确定预变形荷载工况；得到各个节点三维变形值；建立一次预变形后三维模型；节点变形差值提取，并做比较分析；根据差值范围，进一步确定预变形调整值；最后安装结构。本发明在于为空间异形钢结构的制作、安装提供一种简便有效的做法，从而保证结构的外观形态与设计给定的初始目标形态的吻合性。
【专利说明】一种空间大跨异形钢结构制作安装预变形方法
【技术领域】
[0001]本发明属于建筑钢结构【技术领域】，具体涉及一种空间大跨异形钢结构制作安装预变形方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着科技的进步，地方经济的发展，建筑形式为了迎合地方区域文化的氛围以及发展趋势，空间异形建筑越来越多。空间异形钢结构由于其外观造型独特，轻盈漂亮，往往成为当地的标志性建筑，提升了城市的档次，带动了地方的经济发展、文化的繁荣。不仅如此，空间大跨钢结构不同于以往的传统结构形式，由于钢材强重比与其他材料比较具有明显的优势，其竖向支承间距往往可以相隔较远，并且可以提供较大的净空。因此，空间大跨异形钢结构在外观表现及空间使用方面均有突出表现。
[0003]一个钢结构建筑从方案设计开始到最终落地行使它的使用功能为止，这整个过程中，要经历设计状态、制作状态、施工状态和竣工状态为代表的四个阶段。其中设计状态即为结构的初始目标形态，工程完工后的位形应尽可能的靠近设计状态。制作状态即为考虑结构预变形后的构件下料形态。施工状态是结构安装完毕，临时支撑体系尚未拆除下的形态；即根据预先设定的施工方案，将预变形后的构件根据调整后相应的坐标点位置形成一个整体后的位形。所有专业实施完成，施工状态拆除临时支撑体系后，结构可以行使它的独立使用功能，即为竣工状态；实际的，该状态下的位形不可能与设计状态目标位形保持一致形态，但两者之间的误差可控制在一个较小的范围之内，从而保证了结构的最终形态与初始目标形态的吻合。
[0004]正因为空间大跨异形钢结构外形不规则、跨度较大等缘故，往往给构件的制作和安装带来了许多难题。其中钢结构制作、安装精度如何保证是较为突出的一个问题，尤其对那些跨度较大且刚度较弱的柔性结构而言，该问题更为显著。由于钢材的强度较大，采用的构件截面相对而言比较小，导致构件刚度薄弱，且空间钢结构一般对跨度要求较高，若不采取相应措施，不可避免的最终得到的建筑形态很难达到设计师预想的外形尺寸要求；不仅如此，钢结构造成的误差可能会导致相关专业(比如屋面装饰、幕墙等专业)无法正常施工；严重时候，甚至会对整个结构安全造成不利影响。
[0005]鉴于上述问题，空间大跨异形钢结构不仅要符合设计要求的外观尺寸，同时要满足各专业对钢结构误差的要求，故钢结构在制作、安装时采取预变形措施是解决上述问题最有效的措施之一。以往大部分的钢结构预变形是通过施工现场拼装胎架的设置位置来进行调整的，这种方法一般只能考虑一维线性起拱，制作时对构件进行伸长或缩短来实现，而对结构三个方向预变形的调整，现场实施起来难度极大。因此，该方法受制于现场的施工技术能力，安装精度也难以保证。
[0006]因此，本发明针对空间大跨异形钢结构，提供一种空间大跨异形钢结构制作安装预变形方法，本案因此而产生。
【发明内容】
[0007]本发明所提供的一种空间大跨异形钢结构制作安装预变形方法，目的在于为空间异形钢结构的制作、安装提供一种简便有效的做法，从而保证结构的外观形态与设计给定的初始目标形态的吻合性；在一定程度上实现了工程师对建筑外观的要求，同时满足了其他专业对钢结构精度的要求。
[0008]为实现上述目的，本发明具体技术方案如下:一种空间大跨异形钢结构制作安装预变形方法，具体步骤如下:
第一步，通过钢结构图纸建立计算模型；
第二步，根据建筑、结构对预变形的要求，确定预变形计算时的荷载工况；
第三步，采用有限元软件进行施工模拟分析，得到钢结构各个节点的三维变形值；第四步，将“第三步”计算得到的各个节点的变形值，利用常用的数据处理工具将变形值反号叠加到初始设计状态下相应的节点坐标上，从而得到一次预变形后模型的坐标，根据该坐标建立一次预变形后的三维模型。
[0009]第五步，节点变形差值提取，并做比较分析；利用一次预变形后的模型，导入到计算软件中，执行上述“第二步”和“第三步”操作，进行验算；将施工模拟完成后得到的变形值与预变形值进行差值计算，对差值做统计并比较分析。
[0010]第六步，若“第五步”得到的差值在允许范围之内，则“第三步”计算得到的变形值将其反号即为预变形调整值，然后可以根据“第四步”得到的一次预变形后的模型进行深化设计，下料制作；经过比较，若得到的差值结果超出了允许范围，则需将该差值叠加到第一次预变形后的计算模型中，再执行“第五步”操作，直至模拟得到施工结束后的结构形态与初始设计形态之间的坐标差值在允许范围之内；从而得到满足精度要求的预变形后的模型，然后进行深化设计，下料制作。
[0011]第七步，结构安装；根据事先确定的方案，进行测量定位安装；测量定位按照施工模拟得到预变形调整后的坐标作为测量定位坐标。
[0012]本发明具有如下有益效果:
1、能满足不同专业对钢结构精度的要求，同时建筑外观尺寸有保障。首先由有限元软件模拟整个施工过程，根据施工过程模拟得到的计算结果反推得到施工阶段初始状态位形，保证施工完成后的位形与设计状态位形的坐标差值在允许范围之内，这为结构的精度保证提供了理论支撑，同时为后期构件制作和施工安装做好了铺垫工作；其次，工厂深化可直接按照预变形后模型进行建模出图，构件下料制作精度得以保证；最终，现场安装时，测量定位可根据预变形后模型坐标作为测量依据，不需要现场人为进行起拱作业。
[0013]2、减轻结构的初始缺陷，保证结构安全；大部分空间大跨结构尤其是网壳等柔性结构，在荷载作用下变形值较大；若不采用预变形的手段，结构会有一个初始缺陷存在，容易导致整个结构失稳，结构承载能力得不到充分的体现，严重时，会酿成安全事故。采用预变形手段后，能尽最大可能的减轻这种缺陷带来的影响。
[0014]3、制作、安装简便，整个结构在深化建模过程中就考虑了结构的预变形调整，故在工厂制作时直接按照深化出具的加工图下料制作便可；现场安装时，仅需参考预变形后模型坐标进行测量定位即可，不需要人为再去起拱作业，方便省事。【具体实施方式】
[0015]本发明较佳实例为一大型商业综合体天幕钢结构，其结构体系为空间单层网壳结构，建筑造型较不规则，外形酷似一条鱼，长度方向轮廓尺寸为174m，宽度方向尺寸为78m，网壳最高点相对室外地坪标高为27.2m。整个结构由竖向支承构件和屋面网壳两部分组成，采用的构件截面均为圆管，所有构件材质均为Q345B。本工程采用搭设满堂脚手架的方法进行施工。
[0016]该大型商业综合体天幕钢结构预变形具体步骤如下:
第一步，利用钢结构图纸提供的节点坐标值和杆件规格形成一个初步的计算模型，并对模型进行校核；再结合支座形式，设置边界约束条件。
[0017]第二步，根据结构设计说明或规范要求，考虑预变形计算时的荷载工况。本工程屋面采用ETFE膜结构，檐口部位设置天沟，檐口周边用铝单板进行装饰。预变形计算时，结合屋面做法和建筑功能，仅考虑恒荷载作用，考虑的荷载工况:
荷载工况(COMB):1.0XGlk+l.0XG2k +1.0XG3k +1.0XG4k
其中:Glk——网壳结构自重
G2k——ETFE膜自重
G3k——膜结构连接件自重
G4k——檐口及铝包边自重
第三步，结合施工方案，确定计算分析方法；由于本工程采用满堂脚手架方法进行施工，网壳下部支撑点较为密集，在整个安装过程中，网壳各节点的变形很小，可以不作考虑；故在计算分析时，钢结构可按一次成型状态进行模拟，不再设置分析步，该分析方法得到的结果几乎不会对预变形精度产生影响。
[0018]第四步，利用有限元软件计算得到相应荷载工况下节点三个方向的变形值，将所有节点变形值导出到常用的数据处理程序中，将其反号叠加到相应的节点坐标上，即得到一次预变形后的模型坐标。根据该坐标，建立预变形调整后的模型。
[0019]在网壳上任意一点P，若:
初始设计状态下的坐标为:p (X，1，Z)
相应荷载工况作用下的节点变形值为:δ° (u0, ν0, ω0)
贝U，经过一次预变形调整后坐标为=P1=-Sq+?,即P1坐标为(X-U(l，y-V(l，Z-coQ)。
[0020]第五步，将一次预变形调整后的模型导入到计算软件中，施加与第一、二步相同的边界条件和荷载工况，进 行验算；验算得到的变形值与第四步得到的预变形值进行差值比较分析，判断差值是否在允许范围之内。
[0021]结合第四步，进一步说明，利用预变形后模型进行施工过程模拟分析，得到:
P1 变形值为:δ 1 (U1, V1, (O1)
贝丨J Δ 1Cm1,n1；k 丨)，A1=S1-S ° 即为两者的差值,其中Iii1= U1- Uc^n1= V1- Vc^k1=Co1-Cootj
[0022]第六步，经过比较，第五步得到的坐标差值在允许范围之内，则第四步计算得到的变形值将其反号后即可作为预变形调整值，然后根据预变形调整后的模型进行深化设计，下料制作。
[0023](I)若P点差值Δ1 (Iii1, Ii1, k J在误差允许范围之内，则:
预变形后模型节点坐标为=P1 (x-u0, y-v0, Z-ω0)(2)若P点差值Λ1 U1, Ii1, Ii1)超出误差允许范围，则将δ1 (U1, Vl，(O1)反号叠加到P (x，y，z)上,得到二次预变形后节点坐标P2 (X-U^y-V1, Z-CO1),再判断差值Δ2 (m2,n2,k2)是否满足要求；若否，继续进行迭代计算，直到差值Ai (!Vi^ki)满足精度要求为止，最终得到的预变形后模型节点坐标为P1 (X-Uh, y-VH, Z-COiH )，其中-M1= U1- Ui^ni= V1-V
1-Ι? k「CO1-CO H。
[0024]第七步，结构安装；根据事先确定的方案，进行测量定位安装；测量定位按照最终预变形调整后得到的模型坐标作为施工测量坐标。
[0025] 上述实施例并非限定发明的，任何所属【技术领域】的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。
【权利要求】
1.一种空间大跨异形钢结构制作安装预变形方法，其特征在于:具体步骤如下: 第一步，通过钢结构图纸建立计算模型； 第二步，根据建筑、结构对预变形的要求，确定预变形计算时的荷载工况； 第三步，采用有限元软件进行施工模拟分析，得到钢结构各个节点的三维变形值；第四步，将“第三步”计算得到的各个节点的变形值，利用常用的数据处理工具将变形值反号叠加到初始设计状态下相应的节点坐标上，从而得到一次预变形后模型的坐标，根据该坐标建立一次预变形后的三维模型； 第五步，节点变形差值提取，并做比较分析；利用一次预变形后的模型，导入到计算软件中，执行上述“第二步”和“第三步”操作，进行验算；将施工模拟完成后得到的变形值与预变形值进行差值计算，对差值做统计并比较分析； 第六步，若“第五步”得到的差值在允许范围之内，则“第三步”计算得到的变形值将其反号即为预变形调整值，然后可以根据“第四步”得到的一次预变形后的模型进行深化设计，下料制作；经过比较，若得到的差值结果超出了允许范围，则需将该差值叠加到第一次预变形后的计算模型中，再执行“第五步”操作，直至模拟得到施工结束后的结构形态与初始设计形态之间的坐标差值在允许范围之内；从而得到满足精度要求的预变形后的模型，然后进行深化设计，下料制作； 第七步，结构安装；根据事先确定的方案，进行测量定位安装；测量定位按照施工模拟得到预变形调整后的坐标作为测量定位坐标。
【文档编号】G06F17/50GK103942367SQ201410122374
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年3月31日 优先权日:2014年3月31日
【发明者】陈君, 邢遵胜, 刘中华, 王留成, 贾尚瑞, 茹兴良, 邹航, 周国军, 叶翔, 豆德胜 申请人:浙江精工钢结构集团有限公司