一种曲面网格造型结构及其扭转节点制作方法与流程

1.本发明涉及装配式钢结构建筑领域，具体涉及一种曲面网格造型结构及其扭转节点制作方法。


背景技术：

2.随着钢结构的发展越来越成熟，建筑行业很多造型难度也越来越大，钢结构的优势也越发明显，特别是弯扭造型的构件是混凝土无法比拟的。在建筑施工过程中，一些城市标志性建筑或文化艺术建筑常因建筑结构功能及建筑美学的需要采用曲面钢结构体系，形成多管相交的曲面网格造型结构。
3.在曲面网格造型结构中，连接各杆件的节点承受各杆件传递的内力，节点的受力状态比较复杂，设计上要求做到强节点弱构件。对于箱型截面的曲面网格造型结构而言，现有技术中通常将与节点连接的箱型截面杆件制作成具有扭度的构件，通过无弯扭度的节点连接实现曲面网格造型。但在实际施工过程中，箱型截面杆件较长，且通过多块具有弯扭度的板件拼装而成，大尺寸的弯扭板件加工难度大、技术要求高，板件的弯扭成型精度直接受扭构件的加工精度和安装精度影响；弯扭构件的施工不同一般常规构件的施工，需要在空间位置上进行弯扭型位的装配与组焊，施工制作难度大，普通常规做法很难保证装配精度，大范围的焊接更会导致焊接变形，从而影响装配后的曲面造型精度。


技术实现要素：

4.本发明首先公开一种曲面网格造型结构，利用x型结构的扭转节点与直箱体连接杆进行连接实现曲面网格造型，既满足了建筑个性化造型设计的要求，也实现了节点中力的有效传递，保证了结构的受力安全。
5.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种曲面网格造型结构，包括连接杆和扭转节点，连接杆为截面呈长方形的直箱体，扭转节点包括主体扭转箱体和箱型牛腿，主体扭转箱体的相对两侧各连接一个箱型牛腿形成x型结构，主体扭转箱体的两端与两侧的箱型牛腿形成扭转节点的四条支腿；箱型牛腿为截面呈长方形的直箱体，主体扭转箱体包括端板以及四块具有弯扭度的扭板，四块扭板拼接形成截面为长方形的箱型结构，端板将箱型结构的一端敞口处封闭，箱型结构的另一端敞口，连接杆与扭转节点的支腿固定连接形成曲面网格造型结构。
6.进一步，所述曲面网格造型结构还包括顶部圈梁，顶部圈梁为截面呈长方形的直箱体，靠近顶部圈梁的连接杆与顶部圈梁固定连接。
7.进一步，所述箱型牛腿与主体扭转箱体非垂直连接，主体扭转箱体两侧的箱型牛腿位于同一中心线上，所述曲面网格造型结构中的网格为菱形，所述菱形的两条对称轴长度不相等。
8.进一步，所述主体扭转箱体的内部设有加劲板，所述加劲板包括间隔平行设置的第一加劲板和第二加劲板，第一加劲板平行于箱型牛腿的其中一个侧壁，第二加劲板平行
于箱型牛腿的另一个侧壁。
9.进一步，所述端板为平板，所述扭板分为左右相对的第一扭板和第二扭板、上下相对的第三扭板和第四扭板，第一扭板及第二扭板的宽度大于第三扭板及第四扭板的宽度。
10.进一步，所述第三扭板与第四扭板均通过一次折弯形成符合要求的弯扭度，所述第一扭板与第二扭板均通过五次折弯形成符合要求的弯扭度。
11.进一步，所述扭转节点中第三扭板上的折弯线与第四扭板上的折弯线上下重合，所述扭转节点中第一扭板上的折弯线分为首尾依次相连的第一折弯线、第二折弯线、第三折弯线、第四折弯线、第五折弯线，第一折弯线、第三折弯线、第五折弯线彼此间隔且平行于第一扭板宽度方向所在端面的边缘线，将第一扭板沿平行于第一扭板宽度方向的中心线转动180
°
后其折弯线与第二扭板上的折弯线相对且重合。
12.进一步，所述第一折弯线与第三折弯线之间的间距大于第三折弯线与第五折弯线之间的间距，第一折弯线、第三折弯线、第五折弯线三者的折弯方向相同，第二折弯线与第四折弯线的折弯方向相同，第二折弯线与第一折弯线的折弯方向相反。
13.本发明还同时公开上述曲面网格造型结构中扭转节点的制作方法，具体包括如下内容：步骤1：构建扭转节点模型，模型中将扭转节点的主体扭转箱体上的每块扭板按折弯线拆分成多块多边形板通过拟合实现每块扭板预设的弯扭度；步骤2：拟合完毕后将对应的多边形板按折弯线拼合形成相应扭板，将每块扭板展开，然后在扭板的展开图上画出折弯线，并在折弯线处标注折弯角度，每条折弯线端部标注扭度尺寸值，最后输出加工图纸；步骤3：按加工图纸进行板件切割及折弯；步骤4：按加工图纸标注的扭度值搭设胎架，将折弯成型后的扭板放置在胎架上进行尺寸检验；步骤5：依据焊缝对各个板件开设相应坡口；步骤6：根据扭转节点的图纸尺寸放置地样，依据地样尺寸搭设节点胎架；步骤7：根据投影尺寸及胎架，依次对板件进行装配。
14.本发明所设计的曲面网格造型结构能够满足钢结构建筑中的个性化设计要求，该曲面网格造型结构利用扭转节点实现曲面度的转换，而非现有技术中通过对连接杆进行弯扭度加工而实现，能够确保曲面网格造型结构的安装精度，降低了装配难度，所设计的扭转节点实现了节点中力的有效传递，保证了结构的受力安全。
附图说明
15.图1为实施例中曲面网格造型结构的示意图；图2为图1中扭转节点的结构示意图；图3为图2的爆炸图；图4为扭转节点中第一扭板和第二扭板的折弯线对照图；图5为扭转节点的透视图；图6为扭转节点中第一扭板或第二扭板图纸中给出折弯角度和扭度值的示意图；图7为扭转节点中第三扭板或第四扭板折弯线处的剖视图。
16.附图标记说明：100、顶部圈梁；200、连接杆；300、扭转节点；301、主体扭转箱体；302、第一箱型牛腿；303、第二箱型牛腿；3011、第一扭板；3012、第二扭板；3013、第三扭板；3014、第四扭板；3015、端板；3016、第一加劲板；3017、第二加劲板；3011a～3011e为第一扭板上的五条折弯线；3012a～3012e为第二扭板上的五条折弯线；3013a为第三扭板上的折弯线；3014a为第四扭板上的折弯线。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
18.本实施例首先公开用于钢结构建筑中的曲面网格造型结构，如图1所示，该曲面网格造型结构主要由顶部圈梁100、连接杆200、扭转节点300装配而成，形成具有菱形网格状的曲面造型。
19.其中，连接杆200采用截面呈长方形的直箱体，连接杆200可通过四块平钢板依次焊接而成。顶部圈梁100也采用截面呈长方形的直箱体，同样可由四块钢板依次焊接而成。将曲面网格造型结构中靠近顶部圈梁100的连接杆200顶端与顶部圈梁100固定连接，相邻的连接杆200之间通过扭转节点300进行连接形成网格状。
20.图1中所示的曲面网格造型结构，扭转节点300是实现曲面度转换的重要节点，该扭转节点300结构如图2和图3所示，扭转节点300包括截面为长方形的主体扭转箱体301、第一箱型牛腿302、第二箱型牛腿303。其中，第一箱型牛腿302和第二箱型牛腿303均为截面呈长方形的直箱体，可由四块平钢板焊接而成。第一箱型牛腿302和第二箱型牛腿303各自分列于主体扭转箱体301的两侧，两个箱型牛腿位于同一中心线上，且均与主体扭转箱体301固定连接，形成x型结构。本实施例中的扭转节点300具有四条支腿，其中两条支腿由箱型牛腿的端部形成，另外两条支腿由主体扭转箱体301的端部形成，所形成的四条支腿用于与连接杆200进行连接。
21.进一步，本实施例中箱型牛腿与主体扭转箱体301非垂直连接，由此形成的曲面网格造型结构中的网格为菱形，菱形的两条对称轴长度并不相等，提高了造型的美观度。
22.如图3所示，上述提及的主体扭转箱体301主要包括端板3015、第一扭板3011、第二扭板3012、第三扭板3013、第四扭板3014、第一加劲板3016、第二加劲板3017。端板3015为平板，不具有弯扭度，而四块扭板均具有弯扭度。四块扭板依次拼接形成截面为长方形的箱体结构，端板3015将箱体结构其中的一端敞口进行封闭，令箱体结构仅一端为敞口端。第一加劲板3016和第二加劲板3017间隔一定距离平行设置在箱体结构的内部，位于箱型牛腿连接处。如图5所示，令第一加劲板3016平行于箱型牛腿的其中一个侧壁，令第二加劲板3017平行于箱型牛腿的另一个侧壁。
23.更具体地，以图3所示方向为参照，第一扭板3011与第二扭板3012相对，第三扭板3013和第四扭板3014上下相对，并且，第一扭板3011及第二扭板3012的宽度相同且大于第三扭板3013及第四扭板3014的宽度。四块扭板均通过折弯形成符合设计要求弯扭度的结构，如图7所示，其中第三扭板3013与第四扭板3014均通过一次折弯形成符合要求的弯扭
度，且两者的折弯方向相同；如图6所示，第一扭板3011与第二扭板3012则均通过五次折弯形成符合要求的弯扭度，图6中所示出的板件中的线条为对应的折弯线。
24.为保证四块扭板装配后形成的箱体其截面为长方形，第三扭板3013的折弯线3013a与第四扭板3014的折弯线3014a上下重合；将第一扭板3011沿平行于第一扭板3011宽度方向（垂直于第三扭板3013方向）的中心线水平转动180
°
后，第一扭板3011上的折弯线与第二扭板3012上的折弯线恰好相对且重合。如图4所示，第一扭板3011上的五条折弯线依次为第一折弯线3011a、第二折弯线3011b、第三折弯线3011c、第四折弯线3011d、第五折弯线3011e；第二扭板3012上的五条折弯线依次为第一折弯线3012a、第二折弯线3012b、第三折弯线3012c、第四折弯线3012d、第五折弯线3012e。
25.以第一扭板3011为例说明，第一折弯线3011a、第三折弯线3011c、第五折弯线3011e彼此间隔且平行于第一扭板3011宽度方向所在端面的边缘线。具体地，第一折弯线3011a与第三折弯线3011c之间的间距大于第三折弯线3011c与第五折弯线3011e之间的间距。如图6在折弯线处标注的折弯角度可知，在折弯成型时，令第一折弯线3011a、第三折弯线3011c、第五折弯线3011e三者的折弯方向相同，令第二折弯线3011b与第四折弯线3011d的折弯方向相同，其中，第二折弯线3011b与第一折弯线3011a的折弯方向相反，由此形成一定的曲度。
26.针对上述曲面网格造型结构中的扭转节点，本实施例还给出了该扭转节点的制作方法，具体包括如下内容：步骤1：构建扭转节点模型，如可使用tekla设计软件来构建模型，通过三维模型的构建自动生成钢结构加工图纸。在构建的模型中，将扭转节点的主体扭转箱体301的板件进行拆分，拆分时对于每块扭板按折弯线将对应扭板拆分成多块多边形板，然后通过拟合方式实现每块扭板预设的弯扭度，保证两侧端部尺寸满足扭转度要求。
27.步骤2：拟合完毕后，将拆分的对应多边形板按折弯线再合并成一块扭板，实际加工过程中则通过整块板折弯成型。在模型中将合并后的扭板展开，方便加工时可以利用数控切割机进行板件尺寸的切割。扭板的展开图上需画出折弯线位置，并在折弯线位置处标注折弯角度，方便加工时采用数控折弯机进行折弯，还需在展开图上每条折弯线端部标注扭度尺寸值，便于尺寸检验，最后完成加工图纸的输出打印。
28.步骤3：实际加工中，先按加工图纸进行板件的切割，再按照加工图纸中标注的折弯线对板件进行弯扭加工。
29.步骤4：完成板件的弯扭加工后，按加工图纸标注的扭度值搭设胎架，将折弯成型后的扭板放置在胎架上进行尺寸检验。
30.步骤5：依据焊缝对各个板件开设相应坡口。
31.步骤6：根据扭转节点的图纸尺寸放置地样，依据地样尺寸搭设节点胎架。
32.步骤7：根据投影尺寸及胎架，依次对板件进行装配，组装形成扭转节点。
33.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种曲面网格造型结构，其特征在于：包括连接杆和扭转节点，连接杆为截面呈长方形的直箱体，扭转节点包括主体扭转箱体和箱型牛腿，主体扭转箱体的相对两侧各连接一个箱型牛腿形成x型结构，主体扭转箱体的两端与两侧的箱型牛腿形成扭转节点的四条支腿；箱型牛腿为截面呈长方形的直箱体，主体扭转箱体包括端板以及四块具有弯扭度的扭板，四块扭板拼接形成截面为长方形的箱型结构，端板将箱型结构的一端敞口处封闭，箱型结构的另一端敞口，连接杆与扭转节点的支腿固定连接形成曲面网格造型结构。2.根据权利要求1所述的一种曲面网格造型结构，其特征在于：所述曲面网格造型结构还包括顶部圈梁，顶部圈梁为截面呈长方形的直箱体，靠近顶部圈梁的连接杆与顶部圈梁固定连接。3.根据权利要求1所述的一种曲面网格造型结构，其特征在于：所述箱型牛腿与主体扭转箱体非垂直连接，主体扭转箱体两侧的箱型牛腿位于同一中心线上，所述曲面网格造型结构中的网格为菱形，所述菱形的两条对称轴长度不相等。4.根据权利要求3所述的一种曲面网格造型结构，其特征在于：所述主体扭转箱体的内部设有加劲板，所述加劲板包括间隔平行设置的第一加劲板和第二加劲板，第一加劲板平行于箱型牛腿的其中一个侧壁，第二加劲板平行于箱型牛腿的另一个侧壁。5.根据权利要求1所述的一种曲面网格造型结构，其特征在于：所述端板为平板，所述扭板分为左右相对的第一扭板和第二扭板、上下相对的第三扭板和第四扭板，第一扭板及第二扭板的宽度大于第三扭板及第四扭板的宽度。6.根据权利要求5所述的一种曲面网格造型结构，其特征在于：所述第三扭板与第四扭板均通过一次折弯形成符合要求的弯扭度，所述第一扭板与第二扭板均通过五次折弯形成符合要求的弯扭度。7.根据权利要求6所述的一种曲面网格造型结构，其特征在于：所述扭转节点中第三扭板上的折弯线与第四扭板上的折弯线上下重合，所述扭转节点中第一扭板上的折弯线分为首尾依次相连的第一折弯线、第二折弯线、第三折弯线、第四折弯线、第五折弯线，第一折弯线、第三折弯线、第五折弯线彼此间隔且平行于第一扭板宽度方向所在端面的边缘线，将第一扭板沿平行于第一扭板宽度方向的中心线转动180
°
后其折弯线与第二扭板上的折弯线相对且重合。8.根据权利要求7所述的一种曲面网格造型结构，其特征在于：所述第一折弯线与第三折弯线之间的间距大于第三折弯线与第五折弯线之间的间距，第一折弯线、第三折弯线、第五折弯线三者的折弯方向相同，第二折弯线与第四折弯线的折弯方向相同，第二折弯线与第一折弯线的折弯方向相反。9.一种如权利要求1-8任一项所述曲面网格造型结构中扭转节点制作方法，其特征在于，包括如下内容：步骤1：构建扭转节点模型，模型中将扭转节点的主体扭转箱体上的每块扭板按折弯线拆分成多块多边形板通过拟合实现每块扭板预设的弯扭度；步骤2：拟合完毕后将对应的多边形板按折弯线拼合形成相应扭板，将每块扭板展开，然后在扭板的展开图上画出折弯线，并在折弯线处标注折弯角度，每条折弯线端部标注扭度尺寸值，最后输出加工图纸；步骤3：按加工图纸进行板件切割及折弯；
步骤4：按加工图纸标注的扭度值搭设胎架，将折弯成型后的扭板放置在胎架上进行尺寸检验；步骤5：依据焊缝对各个板件开设相应坡口；步骤6：根据扭转节点的图纸尺寸放置地样，依据地样尺寸搭设节点胎架；步骤7：根据投影尺寸及胎架，依次对板件进行装配。

技术总结
本发明涉及一种曲面网格造型结构及其扭转节点制作方法，包括连接杆和扭转节点，连接杆为截面呈长方形的直箱体，扭转节点包括主体扭转箱体和箱型牛腿，主体扭转箱体的相对两侧各连接一个箱型牛腿形成X型结构，主体扭转箱体的两端与两侧的箱型牛腿形成扭转节点的四条支腿；箱型牛腿为截面呈长方形的直箱体，主体扭转箱体包括端板以及四块具有弯扭度的扭板，四块扭板拼接形成截面为长方形的箱型结构，端板将箱型结构的一端敞口处封闭，箱型结构的另一端敞口，连接杆与扭转节点的支腿固定连接形成曲面网格造型结构。本发明利用扭转节点实现曲面度的转换，保证了曲面网格安装精度，降低了装配难度，实现了节点中力的有效传递，保证了结构的受力安全。保证了结构的受力安全。保证了结构的受力安全。


技术研发人员：水峰 何剑峰 陈芳亮 袁洋 曹端雄 王闯 章强 宋凯 王腾 潘斌
受保护的技术使用者：浙江精工重钢结构有限公司
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/9/7