国家体育场大型空间箱形截面扭曲构件的加工技术

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1、国家体育场大型空间箱形截面扭曲构件的加工技术周永明 蒋良君[摘要] 国家体育场钢结构工程，构件弯扭，建筑造型复杂，加工制作难度非常大，通过对构件形成的原理与规律的研究，为工程加工制作的顺利进行奠定了基础，开发了三维特形构件软件，提高了生产效率，对弯扭构件的加工、制作全过程进行了总结。[关键词] 钢结构；体育场、弯扭构件；成型原理、加工国家体育场位于北京成府路南侧，奥林匹克公园中心区内，建成后将作为北京2008年奥运会的主场，并将成为北京新的标志性建筑之一。国家体育场钢结构为空间钢结构，建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3m 短轴为296.4m，最最高点高度为6

2、8.5ｍ，最低点高度为42.8m，屋盖中间开洞长度不186.7m，宽度为127.5m，48榀主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置，配以屋面次桁架形成大跨度屋盖支撑在周边24根组合钢柱上，组合钢柱之间通过立面次桁架相连形成一整体，整体建筑呈独特的“鸟巢”造型。工程钢结构总重约45000t，所用钢材基本覆盖国内大部分钢材型号及规格，如国内首次轧制并应用于实际建筑工程中的Q460E钢，其它型号有Q235、Q345、Q345GJ以及铸钢件20Mn5V，板厚从8mm到110mm。7国家体育场大型空间箱形截面扭曲构件的加工技术周永明 蒋良君[摘要] 国家体育场钢结构工程

3、，构件弯扭，建筑造型复杂，加工制作难度非常大，通过对构件形成的原理与规律的研究，为工程加工制作的顺利进行奠定了基础，开发了三维特形构件软件，提高了生产效率，对弯扭构件的加工、制作全过程进行了总结。[关键词] 钢结构；体育场、弯扭构件；成型原理、加工国家体育场位于北京成府路南侧，奥林匹克公园中心区内，建成后将作为北京2008年奥运会的主场，并将成为北京新的标志性建筑之一。国家体育场钢结构为空间钢结构，建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3m 短轴为296.4m，最最高点高度为68.5ｍ，最低点高度为42.8m，屋盖中间开洞长度不186.7m，宽度为127.5m，4

4、8榀主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置，配以屋面次桁架形成大跨度屋盖支撑在周边24根组合钢柱上，组合钢柱之间通过立面次桁架相连形成一整体，整体建筑呈独特的“鸟巢”造型。工程钢结构总重约45000t，所用钢材基本覆盖国内大部分钢材型号及规格，如国内首次轧制并应用于实际建筑工程中的Q460E钢，其它型号有Q235、Q345、Q345GJ以及铸钢件20Mn5V，板厚从8mm到110mm。71对构件形成的原理与规律的理解国家体育场外形酷似鸟巢，由许多弯扭构件组装而成，构件纵横交叉十分复杂。面对这样一个复杂的结构，我公司全体技术人员根据以往处理诸多大型复杂钢结构的原

5、则：“化整为零、化难为易、提高单件精度、保证整体精度”，并结合公司二十余年来在诸多大型钢结构制作过程中积累的经验，针对本工程特点对设计提供的图纸及每一个坐标进行深入的研究、分析，反复建模比较、希望能找到构件的成型原理与规则，力争为构件的深化设计、加工制作寻觅到一个简易可行、确保质量、且又便于监控，可操作性强的施工方案。经过深入细致的研究，针对国家体育场的各种弯扭构件的特征，我公司总结出以下几点。1.1  构件的特征：    所有箱形构件的加劲板均为矩形或正方形，其位置垂直于该构件的轴心线。1.2  构件成形原理：1) 先将一矩形(正方形)截面,其形心贯穿于

6、设计给定的箱形构件的轴心线;2) 然后按下列规则移动截面:①矩形(正方形)外侧边各二点紧贴建筑设计师所确定的建筑外形膜皮表面进行移动；②移动过程中截面与箱形构件轴心线始终保持垂直。因此, ①矩形(正方形)四个角点在空间移动的轨迹的连线即为该箱形构件的4角棱线；②矩形(正方形)四条边在空间移动所形成的弧面即为弯扭箱形构件的四个表面。 1.3  潜在规则通过以上分析及对图纸中给定的轴心线坐标值的分析得出，国家体育场弯扭构件，并不是一个不规则的任意弯扭构件，而是一个有规律可循的弯扭构件。具体如下: ①弯扭构件中任意一个垂直于构件轴心线的截面均为矩形(或正方形)；

7、     ②同一轴线上的平面主桁架的上、下弦杆和腹杆各自的轴心线，与该轴桁架柱的内柱及相对应两外柱的轴心线，均在同一平面内，且该平面垂直于大地；③各顶面次桁架轴心线,各自位于对应的垂直平面内；④立面次桁架轴心线基本上各自位于相对应的平面内,该平面与国家体育场建筑外形膜皮表面相应部位的弧面垂直。以上各箱形构件的轴心线所位于的平面我们统称为该构件的基准面。2“三维特形构件软件”的开发与应用根据本工程弯扭构件的成形原理，规则与基准面的设定，我们与造船系统某软件开发公司共同研制开发了“三维特型构件制作软件”。2.1 软件功能本软件结合钢结构制造行业的生产方式和生产

8、习惯设定了一些独特的智能化功能，如：①自动进行二三维转换；②自动计