摘要：上海軌道交通11號線南翔站A地塊辦公，商業(yè)及住宅幕墻工程，商業(yè)部分分原設(shè)計(jì)的采光頂是采用鋼管桁架式，效果較普通，為了提高商業(yè)地塊的價(jià)值，提高建筑的效果。我提出了采用單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，造型按花生殼設(shè)計(jì)。本文簡介三維建模、深化設(shè)計(jì)及加工制做過程。
　　關(guān)鍵詞：花生殼，單層網(wǎng)殼，節(jié)點(diǎn)體系，數(shù)控加工，鋼管桁架式
　　
　　1，方案設(shè)計(jì)
　　1.1設(shè)計(jì)院的原方案：
　　
　　圖1：設(shè)計(jì)院的原方案圖2：單層網(wǎng)殼(花生殼)室內(nèi)效果圖
　　
　　1.2單層網(wǎng)殼花生殼式方案
　　圖3：單層網(wǎng)殼(花生殼)室外效果圖
　　1.3經(jīng)過比對，業(yè)主主最終采用了單層網(wǎng)殼(花生殼)的設(shè)計(jì)。
　　2，在確定了其本的方案后，對單層網(wǎng)殼(花生殼)的節(jié)點(diǎn)細(xì)部進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。
　　2.1首先是采用通用三維建模軟件建數(shù)字化模型。
　　
　　圖4（左）：花生殼局部數(shù)字化模型模圖
　　
　　2.2數(shù)據(jù)處理
　　對于空間自由曲面，網(wǎng)格劃分單線模型已經(jīng)確定了的節(jié)點(diǎn)和桿件中心線
　　的位置，但未確定節(jié)點(diǎn)和桿件的局部坐標(biāo)即構(gòu)件的空間放置方位。由此，需要對構(gòu)件的方位控制原則進(jìn)行確認(rèn)。網(wǎng)格模型為連續(xù)非光滑的離散結(jié)構(gòu)，但每個(gè)分格相對于整體結(jié)構(gòu)外形尺寸很小，故可借用光滑曲面的切面或法線的概念來確定節(jié)點(diǎn)的空間方位：節(jié)點(diǎn)法向?yàn)榕c之相連接三角形外法線(單位向量)矢量算術(shù)平均值；桿件法向?yàn)榕c之相連接兩個(gè)三角形外法線(單位向量)矢量算術(shù)平均值，見圖22。本方法未考慮各三角形頂角α在求矢量平均值過程中對面法線權(quán)值的影響，經(jīng)過對比考慮α權(quán)值和不考慮結(jié)果，誤差在1%之內(nèi)，本工程在具體計(jì)算過程中未考慮α權(quán)值的影響。從工程實(shí)踐來看，離散曲面簡化法線確認(rèn)法足以滿足建筑外觀要求。確定節(jié)點(diǎn)與桿件局部坐標(biāo)后，理論空間模型則唯一確立。
　　圖5：局部坐標(biāo)系
　　3，基本術(shù)語與參照坐標(biāo)系定義
　　3.1基本術(shù)語定義
　　1）翼緣方向：本工程的節(jié)點(diǎn)與桿件，位于天棚上部的我翼緣均稱為上翼緣，位于天棚下面的翼緣均稱為下翼緣。
　　2）節(jié)點(diǎn)法向：節(jié)點(diǎn)處各桿件在橫截面內(nèi)從下翼緣中點(diǎn)指向上翼緣中點(diǎn)單位方向矢量的矢量和，即稱為該節(jié)點(diǎn)的法向向量，該向量始終指向球體外部。
　　3）彎扭牛腿型節(jié)點(diǎn)：方管匯交的節(jié)點(diǎn)區(qū)由鋼板焊接而成，其中節(jié)點(diǎn)區(qū)的上翼緣板與下翼緣板均為整板下料切割而成，牛腿區(qū)段的上下翼緣板均為彎扭板件。
　　3.2．彎扭節(jié)點(diǎn)參照坐標(biāo)系定義
　　各牛腿所連桿件的上翼緣上表面中心線交點(diǎn)為O，即節(jié)點(diǎn)原點(diǎn)，Z軸與節(jié)點(diǎn)外法線方向重合且同向，X軸位于局部編號1號的牛腿上翼緣中心線與Z軸確定的平面內(nèi)，Y軸以右手法則確定。Z軸與節(jié)點(diǎn)核心區(qū)上翼緣上表面的交點(diǎn)與O點(diǎn)重合。牛腿局部編號繞Z軸按右手法則排列分布。
　　4、編號規(guī)則
　　4.1桿件編號
　　桿件的編號由七位數(shù)字及字母組成：
　　
　　桿件流水碼在每一層區(qū)段內(nèi)，以從上到下按照順序方向編排。
　　4.1節(jié)點(diǎn)編號
　　1）節(jié)點(diǎn)編號由七位數(shù)字及字母組成：
　　
　　節(jié)點(diǎn)流水碼在每一層區(qū)段內(nèi)，以從上到下按照順序方向編排。
　　2）牛腿編號
　　節(jié)點(diǎn)上的牛腿用"NT-*"表示，其中字符"*"代表數(shù)字"1~8"，即牛腿順序號。一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的牛腿以該節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)法向?yàn)檗D(zhuǎn)軸，按右手規(guī)則依次按升序排號。起始牛腿（即NT-1）由詳圖給定。牛腿編號原則如圖1所例舉。
　　
　　圖6：牛腿編號原則圖
　　
　　3）牛腿控制點(diǎn)編號
　　a）牛腿端部控制點(diǎn)編號原則
　　如圖2所示。控制點(diǎn)編號n從1號牛腿按逆時(shí)針依次排列到最后一條牛腿，編號順次遞增。上下翼緣對應(yīng)位置的編號相同，僅用翼緣的"上"、"下"區(qū)分。n=2N-1（其中N為牛腿編號）。
　　
　　圖7：彎扭節(jié)點(diǎn)牛腿端部控制點(diǎn)編號原則圖
　　
　　b）牛腿翼緣切割控制點(diǎn)編號原則:
　　如圖3所示。翼緣切割控制點(diǎn)編號n從1號牛腿按逆時(shí)針依次排列到最后一條牛腿，編號順次遞增。上下翼緣對應(yīng)位置的編號相同，僅用翼緣的"上"、"下"區(qū)分。n=3N-2（其中N為牛腿編號）。上下翼緣在NT-1上定位孔在展開面局部坐標(biāo)系下位置均為X=150、Y=0，如果下翼緣定位孔位置位于翼緣之外，可對上下翼緣定位孔Y坐標(biāo)同時(shí)調(diào)整。
　　
　　圖8：彎扭節(jié)點(diǎn)牛腿腹板與切割控制點(diǎn)編號原則圖
　　
　　4）節(jié)點(diǎn)中的板件編號
　　a）腹板與封頭板編號原則如圖3所示，其中符號"*"代表數(shù)字"1~8"，即牛腿順序號。以節(jié)點(diǎn)法向?yàn)檗D(zhuǎn)軸，按逆時(shí)針方向繞行來區(qū)分FB1與FB2。
　　b）腹板組立拼接如圖4所示，*-FB1開坡口，*-FB2伸長10mm。
　　
　　
　　圖9：腹板組立俯視圖
　　4.4節(jié)點(diǎn)及桿件鋼印標(biāo)識說明
　　1）節(jié)點(diǎn)及桿件標(biāo)識采用鋼印方式，鋼印深度應(yīng)>0.5mm且應(yīng)保證工廠油漆涂裝完畢后編號可清楚辨認(rèn)。
　　2）節(jié)點(diǎn)鋼印標(biāo)識在節(jié)?閔弦碓�鹞恢迷谂Ｍ�1上靠近中間區(qū)域右下角處,如圖5所示。
　　3）桿件鋼印標(biāo)識在桿件上翼緣位置在桿件上翼緣中間處,如圖4所示。
　　4）深化設(shè)計(jì)中表示桿件與節(jié)點(diǎn)的"G"和"J"在鋼印標(biāo)識中不表達(dá)。
　　5）鋼印中先導(dǎo)位的數(shù)字"0"不標(biāo)識,通過數(shù)位表達(dá),如深化設(shè)計(jì)中B09G003打印為B□9□□3,其中"□"表示數(shù)字"0"的占位空格。
　　6）由于各節(jié)點(diǎn)類型牛腿長度不一致，因此留給鋼印的位置空間不一，因此不對各節(jié)點(diǎn)類型字體大小作統(tǒng)一規(guī)定，清晰易辨認(rèn)即可。
　　4.5．桿件
　　1）桿件的翼板及腹板長度按兩節(jié)點(diǎn)對應(yīng)牛腿端面（端銑后）之間的距離下料，寬度方向
　　未標(biāo)注加工余量。
　　2）當(dāng)腹板長邊開坡口與翼緣焊接時(shí)，圖紙中標(biāo)注的腹板寬度已扣除坡口間隙。
　　
　　圖10：節(jié)點(diǎn)與桿件標(biāo)識鋼印示意圖
　　上翼緣俯視圖
　　
　　5、下料
　　1）牛腿長度確定原則：牛腿端面與對應(yīng)的桿件軸線垂直。從節(jié)點(diǎn)原點(diǎn)到牛腿端面的��00mm。該長度不包括加工余量。
　　2）上下翼緣板均采用整板制作。板件下料圖中各牛腿的寬度未考慮加工余量，牛腿端部已考慮加工余量，余量為5mm。
　　6、加工
　　1）鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制作，其放樣、號料、切割、矯正、彎曲和邊緣加工、組裝《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）和《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范GB50205-2001）中相關(guān)要求及本工程的規(guī)定進(jìn)行。
　　2）所有主要構(gòu)件，除設(shè)計(jì)圖上另有規(guī)定外，一律不得用短料拼接。
　　3）所有鋼材在使用前均應(yīng)按相應(yīng)規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行復(fù)檢，如有變形等情況，應(yīng)采取不損壞鋼材的方法展直矯正。
　　4）在放樣畫線時(shí)，應(yīng)根據(jù)施工工藝要求，預(yù)估安裝焊接及構(gòu)件加工中焊接收縮余量，以及切割、刨邊、銑平等的加工余量，對焊接收縮余量必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)測定。
　　5）本工程所有高強(qiáng)螺栓孔及工藝孔均應(yīng)采用鉆孔制孔的方法。
　　7、數(shù)控加工數(shù)據(jù)
　　1）數(shù)控加工的電子數(shù)據(jù)文件格式為MicrosoftExcel.
　　2）每個(gè)電子表格包含四個(gè)工作表："平面割板數(shù)據(jù)"、"開圓孔定位尺寸"、"控制點(diǎn)三維坐標(biāo)"及"牛腿角度數(shù)據(jù)"。
　　3）工作表"平面割板數(shù)據(jù)"：為上下翼緣平面板件下料切割控制點(diǎn)坐標(biāo)。
　　4）工作表"開圓孔定位尺寸"：為節(jié)點(diǎn)1號牛腿上工藝孔的定位尺寸。
　　5）工作表"控制點(diǎn)三維坐標(biāo)"：為各牛腿端面角點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)，包括收縮及端銑前后兩種加工狀態(tài)的數(shù)據(jù)。
　　6）工作表"牛腿角度數(shù)據(jù)"：為各牛腿在節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系中的分度角、俯仰角與扭轉(zhuǎn)角。分度角為牛腿上表面中心線在節(jié)點(diǎn)法向垂直面的的投影夾角；俯仰角為牛腿上表面中心線向量（指向牛腿端面）與節(jié)點(diǎn)法向量之間的夾角；扭轉(zhuǎn)角為節(jié)點(diǎn)法向量在牛腿端面上的投影向量與牛腿截面方向向量之間的夾角。數(shù)據(jù)精度保留4位小數(shù)，單位為度。
　　8、焊接
　　8.1焊接施工要求
　　1）施工單位對所有焊接均應(yīng)按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）及《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》（JGJ81-2002）之嚴(yán)格要求進(jìn)行。
　　2）在厚板及焊件厚度大于20mm的角接接頭的焊接中，施工單位（包括制作及安裝單位）應(yīng)采取一切必要的措施為止在厚度方向出現(xiàn)層狀撕裂，焊接前，對母材焊道中心線兩側(cè)各2倍板厚加30mm的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行超聲波探傷檢查。母材中不得有裂紋、夾層及分層等缺陷存在。
　　3）焊接施工過程中，應(yīng)做好記錄，并隨時(shí)供監(jiān)理單位和施工單位檢查。
　　4）當(dāng)采用襯墊板焊接時(shí)，除焊接坡口根部間隙尺寸須符合設(shè)計(jì)要求外，應(yīng)使襯墊板和焊件緊密貼合，使焊流溶入襯墊板，并符合要求：a)該墊板的預(yù)處理方法應(yīng)與所焊構(gòu)件相同。
　　5）當(dāng)在預(yù)埋件上施焊時(shí)，應(yīng)采用細(xì)焊條、小電流、分層、間隔施焊等措施，控制整塊埋件溫度。
　　6）三面圍焊及繞角焊時(shí)，轉(zhuǎn)角處必須連續(xù)施焊。
　　7）鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在受力狀態(tài)下不得施焊。
　　8）焊縫應(yīng)盡量避免相互重疊。
　　8.2焊接質(zhì)量檢驗(yàn)等級、無損檢測要求
　　1）節(jié)點(diǎn)腹板與翼緣、牛腿翼緣板與節(jié)點(diǎn)核心區(qū)板的聲波探傷，評定等級II，檢驗(yàn)等級B級。
　　2）桿件腹板與翼緣的連接為全熔透二級焊縫，20%超聲波探傷，評定等級III，檢驗(yàn)等級B級。
　　3）節(jié)點(diǎn)與桿件的對接焊縫為全熔透一級焊縫，100%超聲波探傷，評定等級II，檢驗(yàn)等級B級。
　　4）節(jié)點(diǎn)牛腿端頭的封頭板與牛腿翼緣及腹板的連接為部分熔透三級焊縫。
　　5）所有角焊縫均為三級焊縫，并滿足二級焊縫外觀要求。
　　6）所有焊縫應(yīng)作100%外觀檢查，其檢查標(biāo)準(zhǔn)按本說明GB50017-2003）及《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB50205-2001)要求進(jìn)行，當(dāng)上述檢查發(fā)生疑問時(shí)須進(jìn)行著色滲透探傷或磁粉探傷的復(fù)檢。
　　9、安裝
　　1）安裝的主要工藝，如測量校正、厚鋼板焊接、栓釘焊接、高強(qiáng)度螺栓連接的摩擦面加工等，應(yīng)在施工前進(jìn)行工藝試驗(yàn)，并制定各項(xiàng)操作工藝。
　　2）鋼結(jié)構(gòu)的安裝，其定位軸線、標(biāo)高、地腳螺栓，構(gòu)件的質(zhì)量檢查、安裝順序、接頭的現(xiàn)場焊接順序，鋼構(gòu)件的安裝、安裝的測量校正、焊接工藝，高強(qiáng)螺拴施工工藝、結(jié)構(gòu)的涂層等均應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范中相關(guān)要求進(jìn)行。
　　3）高強(qiáng)螺栓連接的鋼構(gòu)件之間，不得隨意擴(kuò)孔。
　　10、總節(jié)
　　單層網(wǎng)殼率無論在造型及節(jié)約鋼材方面都有很大優(yōu)勢，在國內(nèi)屬發(fā)展初期，希望本文能給廣大工程開發(fā)，設(shè)計(jì)及施工人員有所幫助。