一种制造单层网壳及其刚性节点的方法与流程

本发明涉及建筑结构的连接构件领域，具体而言，涉及一种制造单层网壳及其刚性节点的方法。

背景技术：

单层网壳是一种特殊的空间钢结构形式，由于其在建筑表皮之下只有一层钢构件，故此得名。通过建筑表面的形体变化，单层网壳可实现极佳轻盈的建筑美感，近年来常被用于装饰性较强的商业建筑中，充当大型公共空间的采光顶使用。

一般单层网壳所有钢结构杆件的外观截面尺寸一致，局部支撑位置可根据应力分析结果对杆件进行变截面增强。根据《网壳结构技术规程》中的要求，单层网壳应采用刚接节点。刚性节点的概念最早在国外被提出并应用于工程上，刚性节点是一种工厂预制的连接用构件，通过节点部件中的连接臂，可以将所有的杆件之间的安装连接转化为相同截面的等强连接，避免了钢结构杆件在拼装时大量的定位和异形切口的工作，提升了工作效率和拼装质量。而很多网壳由于体型是自由曲面的缘故，节点中各相交构件的空间位置均不一样，这对于刚接节点的生产、制造、设计提出了很高的要求。

目前刚性节点主要的制造方法有数控整体切割法、焊接拼装法。整体切割法采用实心钢锭通过多轴数控机床整体切割而成，加工成本高，效率低；焊接拼装法是最常用的方法，采用多钢板按图拼装后焊接成型并进行整体校正和热处理的方法，可以获得灵活多变的刚性节点，包括不同的板厚、复杂的连接形态等。采用焊接拼装形成刚性节点的方法，在焊接时对焊缝的控制不佳，而且焊缝应力集中，无法消除，对于整体结构的安全性埋下了安全隐患。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本发明提供一种制造单层网壳及其刚性节点的方法，以解决现有技术中由于刚性节点多变复杂的结构特性所引起的结构力学性能差、对整体结构买下安全隐患的缺陷。

为此，本发明提供如下技术方案：一种制造单层网壳的刚性节点的方法，所述刚性节点包括节点本体以及若干个连接于所述节点本体上的连接臂，所述方法包括步骤：

拼装出与所述刚性节点的形状、尺寸相同的消失模；

制造具有同所述消失模的形状、尺寸相匹配的型芯的砂壳；

浇铸成型出所述刚性节点。

作为上述制造单层网壳的刚性节点的方法的进一步可选方案，所述消失模为蜡模。

作为上述制造单层网壳的刚性节点的方法的进一步可选方案，所述蜡模包括核心筒和铸臂，所述核心筒与所述节点本体的形状、尺寸相同，所述铸臂与所述连接臂的形状、尺寸相同；

拼装所述蜡模包括步骤：调整每一所述铸臂的角度，使每一所述铸臂的位置及角度固定，将每一所述铸臂的靠近所述核心筒多余的部分切除，形成能够容置所述核心筒的空间，而后嵌入所述核心筒，将所述核心筒与所述铸臂熔接。

作为上述制造单层网壳的刚性节点的方法的进一步可选方案，所述铸臂的角度的调整为万向调节，该万向调节通过沿空间中相互垂直的X、Y、Z轴转动合成的转动。

作为上述制造单层网壳的刚性节点的方法的进一步可选方案，在具有不同角度的铸臂上做出不同的标记。

作为上述制造单层网壳的刚性节点的方法的进一步可选方案，制造砂壳时用耐火涂料涂刷所述蜡模后采用石英砂裹覆所述蜡模。

作为上述制造单层网壳的刚性节点的方法的进一步可选方案，所述制造方法还包括步骤：对浇铸成型的所述刚性节点进行表面处理和热处理，以提升所述刚性节点的力学结构性能。

作为上述技术方案的进一步延伸：本发明还提供一种制造单层网壳的方法，所述单层网壳包括刚性节点以及杆件，多个所述杆件通过多个所述刚性节点连接成网格状，所述刚性节点采用上述的制造方法进行制造，将所述杆件通过焊接连接在所述刚性节点上。

作为上述制造单层网壳的方法的进一步可选方案，对相邻的所述刚性节点进行空间定位，将所述杆件的两端分别焊接在两个相邻的所述刚性节点上。

作为上述制造单层网壳的方法的进一步可选方案，将所述杆件与所述刚性节点先进行点焊定位后进行满焊处理。

本发明的实施例至少具有如下优点：

本发明的制造单层网壳及其刚性节点的方法采用消失模铸造的方式进行商场，结合了整体切割法的数控技术原理，以及焊接拼装法的经济性和适应性，是一种具有广泛适应性的刚性节点的制备方法。铸造法上产可以实现刚性节点在拼装定位过程中的冷作业，保证了刚性节点在拼装定位过程中的高精度。拼装好的蜡模直接裹敷砂壳用于浇筑，成品的表面和尺寸质量可以媲美整体数控切割法生产的产品，而经济性和形体适应性上，也可以与焊接拼装法接近，生产效率高，劳动强度低，对工人的技术熟练程度要求大幅降低，非常适合批量需求大的建筑构件生产行业。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的单层网壳的结构示意图；

图2示出了本发明实施例提供的刚性节点的局部放大结构示意图；

图3示出了本发明实施例1提供的拼接定位角度仪的结构示意图；

图4示出了本发明实施例1提供的节点本体与连接臂的连接角度调节原理图。

图标：1-刚性节点；10-杆件；11-节点本体；12-连接臂；21-节点支撑台；22-连接臂支撑台；23-角度调节机构；231-第一角度调节组件；2311- 第一固定件；2312-第一执行件；2313-第一锁紧件；232-第二角度调节组件； 2321-第二固定件；2322-第二执行件；2323-第二锁紧件；233-第三角度调节组件；2331-第三固定件；2332-第二执行件；2333-第三锁紧件；24-底盘。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对制造单层网壳的刚性节点的方法进行更全面的描述。附图中给出了制造单层网壳及其刚性节点的方法的优选实施例。但是，制造单层网壳及其刚性节点的方法可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对制造单层网壳及其刚性节点的方法的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在制造单层网壳及其刚性节点的方法的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

空间单层壳体钢结构在安装的过程中主要强调空间定位和连接操作。为达到提高精度、简化安装流程的目的，施工中会把定位和连接的工作更多地预置于某个特定构件，通过工厂精确生产的方式，将这些信息固化，从而降低现场安装的难度。

请一并参阅图1和图2，刚性节点1就是集成了这些信息的核心部件，刚性节点1包括连接臂12和节点本体11。对于单层壳体的拼装来说，刚性节点1是将空间各方向的连接臂12聚合在一点的关键部件。通过对刚性节点1的合理设计，可以将空间连接臂12的旋转角度、构件长度、接头切面等复杂信息，全部简化为连接臂12标准截面的等强对接。

而很多网壳由于体型是异形曲面的缘故，刚性节点1中各相交构件的空间位置均不一样，即不同的连接臂12与节点本体11之间的连接角度有所变化，这对连接臂12和节点本体11之间的角度定位提出了较高的要求。

实施例1

本实施例提供一种制造单层网壳的刚性节点1的方法，该方法包括步骤：

拼装出与刚性节点1的形状、尺寸相同的消失模。

制造具有同消失模的形状、尺寸相匹配的型芯的砂壳；

浇铸成型出刚性节点1。

由此，采用消失模铸造直接一体成型出角度变化多样的单层网壳的刚性节点1，结构整体性更好，不存在连接应力集中点，刚性节点1 的力学性能更好。同时降低了工人的工作强度，提升了加工效率，降低了加工成本。

步骤S101，拼装出与刚性节点1的形状、尺寸相同的消失模。

采用铸造的方法生产刚性节点1，需要解决不同空间位置的节点本体11与连接臂12的配合问题。每个刚性节点1需要通过节点本体 11和连接臂12来实现角度和位置的适应性。

本实施例中，消失模为蜡模，蜡模包括核心筒和铸臂，核心筒对应节点本体11，铸臂对应连接臂12，即核心筒与节点本体11的形状、尺寸相同，铸臂与连接臂12的形状、尺寸相同。针对核心筒和铸臂进行拼装，形成与刚性节点1形状、尺寸相同的蜡模。蜡模具有一定的硬度和极好的熔接、可修整性能，同时具有较低的沸点，在浇铸时能够直接气化消失，避让出与刚性节点1向匹配的铸造型腔。

拼装蜡模包括步骤：

S101a，调整每一铸臂的角度，使每一铸臂的位置及角度固定；

S101b，将每一铸臂的靠近核心筒多余的部分切除，形成能够容置核心筒的空间；

S101c，嵌入核心筒，将核心筒与铸臂熔接。

上述，铸臂的角度的调整为万向调节，该万向调节通过沿空间中相互垂直的X、Y、Z轴转动合成的转动。X轴、Y轴和Z轴共同构成了空间坐标系，通过沿X轴、Y轴和Z轴的旋转、其中二者旋转的合成、三者旋转的合成即能够实现角度调节机构，即铸臂的万向旋转。通过将铸臂的万向转动分解为X轴、Y轴和Z轴的转动，能够实现对铸臂转角的精确调节与控制。

核心筒是一个独立的连接通用部件，其有多个侧面用于与铸臂相接，本实施例为4个。核心筒的底面和顶面会形成一个节点本体11的向心轴线，这个轴线在空间的定位是与定位点所在的空间曲面的法线方向相同，本实施例中，该轴线与Z轴相同。核心筒的向心轴线确定了以后，各方向的铸臂将会与核心筒形成特定的空间位置关系，这种位置关系可以分解成为空间三维角度信息，类似于力和运动的分解，将这种分解后的角度信息通过一个固定长度的铸臂来实现集成。铸臂通过一系列角度旋转的分解，即可得到一个与目标角度重合的位置，我们将这些角度信息用附图2的分解方式，分解成空间坐标式的调节，用于每个蜡模的生产。

本方案可用于其它连接形式的单层网壳的刚性节点1，包括三角形分格、六边形分格等形式，也可适用于大于4个铸臂的形式，例如三角形分格中的刚性节点1为6个铸臂。核心筒的形式可以为圆筒形、多边形，不仅限于菱形，可根据具体项目具体设计。所生产的刚性节点1同样适用于不同形状的杆件10截面，例如圆形、矩形、三角形，是一种用于单层网壳的刚性节点1的制备的通用做法。

如图3所示，蜡模的铸臂的角度的定位可以通过装夹治具来进行拼装定位。本实施例中，蜡模的定位拼装可以在一个拼接定位角度仪上进行，拼接定位角度仪包括节点支撑台21、连接臂支撑台22和角度调节机构，多个连接臂支撑台22设于节点支撑台21的周向。节点支撑台21用于支撑核心筒，连接臂支撑台22用于支撑铸臂。每一连接臂支撑台22上设有一个角度调节机构23，角度调节机构23用于调节连接臂支撑台22相对节点支撑台21万向转动。由此，节点支撑台 21对核心筒的位置进行定位，通过调整连接臂支撑台22的转动带动铸臂一同转动，从而改变铸臂与核心筒之间的夹角，形成不同夹角的铸臂与核心筒的拼接定位。

拼接定位角度仪能够对核心筒和铸臂进行支撑，使得铸臂与核心筒在拼接时，无需承受铸臂的自重，保证了拼接过程中，不会因铸臂自重产品二次角度偏差。

角度调节机构23包括第一角度调节组件231、第二角度调节组件 232和第三角度调节组件233，第一角度调节组件231能够调节连接臂支撑台22以Y轴为轴心翻转，第二角度调节组件232能够调节连接臂支撑台22以X轴为轴心翻转，第三角度调节组件233能够调节连接臂支撑台22以Z轴为轴心翻转；X轴和Y轴垂直且构成的平面与所述节点支撑台21的台面平行，Z轴与X、Y轴构成的平面垂直。

上述，X轴、Y轴和Z轴共同构成了空间坐标系，通过沿X轴、 Y轴和Z轴的旋转、其中二者旋转的合成、三者旋转的合成即能够实现角度调节机构23，即连接臂支撑台22的万向旋转，也就能实现连接臂12的万向旋转。通过将角度调节机构23的万向转动分解为X轴、 Y轴和Z轴的转动，能够实现对角度调节机构23转角的精确调节与控制。

采用拼接定位角度以能够解决不同空间位置的节点本体11与连接臂12空间角度与的配合问题。每个刚性节点1需要通过节点本体 11和连接臂12来实现角度和位置的适应性。节点本体11是一个独立的连接通用部件，其有多个侧面用于与连接臂12相接，本实施例为4 个，单层网格的分格为矩形分格。节点本体11的底面和顶面会形成一个节点本体11的向心轴线，这个轴线在空间的定位是与定位点所在的空间曲面的法线方向相同，本实施例中，该轴线与Z轴相同。节点本体11的向心轴线确定了以后，各方向连接臂12将会与节点本体11形成特定的空间位置关系，这种位置关系可以分解成为空间三维角度信息，类似于力和运动的分解，我们将这种分解后的角度信息通过一个固定长度的连接臂12来实现集成。连接臂12通过一系列角度旋转的分解，即可得到一个与目标角度重合的位置，我们将这些角度信息用附图2的分解方式，分解成空间坐标式的调节，用于每个刚性节点1 的生产。

本方案可用于其它连接形式的单层网壳的刚性节点1，包括三角形分格、六边形分格等形式，也可适用于大于4个连接臂12的形式，例如三角形分格中的刚性节点1为6个连接臂12。节点本体11的形式可以为圆筒形、多边形，不仅限于菱形，可根据具体项目具体设计。所生产的刚性节点1同样适用于不同形状的杆件截面，例如圆形、矩形、三角形，是一种能够拼接定位单层网壳的刚性节点1的通用治具。

第一角度调节组件231包括第一固定件2311和第一执行件2312，第二角度调节组件232包括第二固定件2321和第二执行件2322，第三角度调节组件233包括第三固定件2331和第三执行件2332。第三固定件2331的位置固定，第三执行件2332与第二固定件2321固定，第二执行件2322与第一固定件2311固定，第一执行件2312与连接臂支撑台22固定。

第三固定件2331的位置固定，从而将整个角度调节机构23的位置固定，第三执行件2332在动作时，联动第一角度调节组件231和第二角度调节组件232后带动连接臂支撑台22沿Z轴转动。第二执行件 2322在动作时，第二固定件2321与第三角度调节组件233固定，第二执行件2322联动第一角度调节组件231后带动连接臂支撑台22沿 X轴转动。第一执行件2312在动作时，第一固定件2311通过第二角度调节组件232固定在第三角度调节组件233上，第一执行件2312带动连接臂支撑台22沿Y轴转动。

由此，通过独立的调节第一执行件2312、第二执行件2322和第三执行件2332相对各自的固定件运动，从而实现连接臂支撑台22沿 X轴、Y轴和Z轴的独立转动，通过同时调整两个或三个方向的转角，实现连接臂支撑台22的空间角度的调整。

拼接定位角度仪还包括底座，第三固定件2331为设于底座上的圆弧形轨道，第三执行件2332为在圆弧形轨道上滑动的滑块，底座上设有n个圆弧形轨道，也就是滑动地设有n个滑块。圆弧形轨道的圆弧轴线与Z轴重合，滑块在圆弧形轨道上滑动时，围绕着Z轴转动，转动角度为图4中的α角。圆弧形轨道的弧度决定额了第三角度调节组件233的角度调节范围。

第二固定件2321为圆弧形支撑柱，第二执行件2322为在圆弧形支撑柱上滑动的环抱游标。环抱游标在圆弧形支撑柱上呈全包围或半包围状态，从而有效地防止环抱游标与圆弧形支撑柱的松脱。圆弧形支撑柱呈圆弧形，横截面为条形，环抱游标为开口与圆弧形支撑柱的横截面相匹配的全包围式游标，环抱游标可以为与圆弧形支撑柱的曲率相等的弧形游标，也可以设置的较窄，从而使得环抱游标能够在圆弧形支撑柱上平滑的滑动，有效地防止环抱游标在圆弧形支撑柱上卡死。圆弧形支撑柱的圆弧轴线与X轴重合，环抱游标在圆弧形支撑柱上滑动时，围绕着X轴转动，转动角度为图4中的γ角。圆弧形支撑柱的弧度决定了第二角度调节组件232的角度调节范围。

滑块设于圆弧形支撑柱的底部，可以与圆弧形支撑柱为分体结构，如自圆弧形支撑柱底部插入到圆弧形轨道上的螺栓，滑块还可以与圆弧形支撑柱的底部一体成型，如成型在圆弧形支撑柱底部的与圆弧形轨道相匹配的弧形凸台。

第一角度调节组件231为转动连接轴，第一固定件2311为转动连接轴的固定端，第一执行件2312为转动连接轴的转动端。转动连接轴的固定端和转动端中的一端与第二执行件2322连接，另一端与连接臂支撑台22连接。本实施例中，固定端与第二执行件2322连接，转动端与连接臂支撑台22连接。转动连接轴的轴线与Y轴重合，转动端相对固定端转动时，围绕着Y轴转动，转动角度为图4中的β角。转动连接轴的转动范围决定了第一角度调节组件231的角度调节范围。

第一角度调节组件231还包括第一锁紧件2313，第一锁紧件2313 将滑块在圆弧形轨道上的位置锁定，从而使得第一角度调节组件231 在调节角度后，将调节的角度锁紧保持，防止在Y轴角度调节，发生二次偏差。第一锁紧件2313为设于转动连接轴上的锁紧螺钉，锁紧螺钉通过固定端拧向转动端。通过锁紧螺钉的拧出，使得固定端和转动端能够自由转动，将锁紧螺钉拧入，锁紧螺钉与转动端形成过盈配合，将转动端顶紧，从而限制了转动端的转动，将第一角度调节组件231 的调节角度固定。

第二角度调节组件232还包括第二锁紧件2323，第二锁紧件2323 将环抱游标在圆弧形支撑柱上的位置锁定，从而使得第二角度调节组件232在调节角度后，将调节的角度锁紧保持，防止在X轴角度调节，发生二次偏差。第二锁紧件2323为设于环抱游标上的锁紧螺钉，锁紧螺钉通过环抱游标拧向圆弧形支撑柱。通过锁紧螺钉的拧出，使得环抱游标能够自由地在圆弧形支撑柱上滑动，将锁紧螺钉拧入，锁紧螺钉与圆弧形支撑柱形成过盈配合，将圆弧形支撑柱顶紧，从而限制了环抱游标的滑动，将第二角度调节组件232的调节角度固定。

第三角度调节组件233包括第三锁紧件2333，第三锁紧件2333 将滑块在圆弧形轨道上的位置锁定，从而使得第三角度调节组件233 在调节角度后，将调节的角度锁紧保持，防止在Z轴角度调节，发生二次偏差。第三锁紧件2333为设于滑块上的锁紧螺钉，锁紧螺钉通过滑块拧向底座。通过锁紧螺钉的拧出，使得滑块能够自由地在圆弧形轨道上滑动，将锁紧螺钉拧入，锁紧螺钉与底座形成过盈配合，将底盘24顶紧，从而限制了滑块的滑动，将第三角度调节组件233的调节角度固定。

本实施例中，圆弧形轨道上、圆弧形支撑柱上、转动连接轴，可以为转动连接轴的固定端上设有转角刻度。通过转角刻度能够实现对转角的准确调节，转动角度的显示更加直观。

在调节好每一铸臂的角度后，可以采用切刀等工具将铸臂端部多余的材料切除，空出核心筒的嵌槽，将核心筒嵌入，完成铸臂与核心筒的定位。

通过将铸臂和核心筒的连接位置进行熔接，即将铸臂和核心筒的连接位置熔化，而后熔融的蜡凝固将铸臂与核心筒连接完成蜡模的拼接。需要说明的是，在将铸臂和核心筒连接后，应对拼接成的蜡模的表面进行去毛刺以及填补处理，从而使得蜡模的表面完整而光滑，铸造出表面完整而光滑的刚性节点1。

蜡模采用熔接的方式成型相比于粘接方式，成型出的蜡模缝隙更小，结构更为完整，从而使得成型出的砂壳的型腔更加完整和平滑，从而铸造出表面光滑完好的刚性节点1。

在拼接完蜡模或在拼接前，在与核心筒角度不同的铸臂上做出不同的标记，从而在铸造成型出带有标记的刚性节点1，打有不同标记的刚性节点1便于后续的单层网壳的制造。

步骤S102，制造具有同消失模的形状、尺寸相匹配的型芯的砂壳，即对蜡模进行制壳。制造砂壳时用耐火涂料涂刷蜡模后采用石英砂裹覆蜡模。通过在蜡模的表面涂覆耐火涂料，从而提高蜡模的耐火能力，组织蜡模受到高温燃烧，裹覆石英砂制造处浇筑砂壳，完成蜡模的定型工艺。

步骤S103，浇铸成型出刚性节点1。

在制造蜡模和带有蜡模的砂壳后，将钢水通过砂壳的浇口浇入，钢水由流道流向蜡模处，高温钢水瞬间使得蜡模迅速气化，砂壳本身结构疏松，具有较好的透气性，气化的蜡通过砂壳的气孔排出，砂壳内部原蜡胚的空间，将会通过钢水的流动被填充，最终形成所需的刚性节点1的形状。

在浇铸时可以采用负压浇铸，负压浇铸，更有利于刚睡的充型和补缩，提高了逐渐的阻值的组织致密度。

对浇铸成型的刚性节点1进行表面处理和热处理，以提升刚性节点1的力学结构性能。对于铸造成型的刚性节点1可以进行低温退火，用以消除铸造内应力，减小变形开裂的倾向。还可以进行表面淬火，以提高表面的硬度及耐磨性，或进行调制处理，以增强刚性节点1的整体强度，还可以对刚性节点1的表面进行渗氮处理，从而进一步增强刚性节点1的表面硬度和耐磨性。

实施例2

本发明还提供一种制造单层网壳的方法，单层网壳包括刚性节点1以及杆件10，杆件10通过与刚性节点1的连接臂12连接，从而连接在刚性节点1上。刚性节点1采用上述的制造方法进行制造，杆件10通过焊接连接在刚性节点1上，从而形成具有曲面造型的单层网壳。

本实施例中，制造单层网壳的方法包括步骤：

制造刚性节点1；

对相邻的刚性节点1进行空间定位；

将杆件10焊接在刚性节点1上。

结构拼装中，需要首先对单层壳体结构的相邻刚性节点1进行空间定位，并进行临时固定，其后，将各刚性节点1之间的杆件10吊装至相邻刚性节点1之间。杆件10与刚性节点1先进行点焊定位后进行满焊处理，这种处理方法，定位工作大幅度简化，杆件10加工难度降低，工人的劳动强度也同样降低，杆件10对接之后的焊缝处理也更便于操作，对于实现更高效更美观的最终完成效果。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。