【钢结构·技术】多案例、多图详解双曲钢构件的深化设计和加工制作流程

一、引言

随着现代建筑造型的日益丰富，双曲钢构件（即沿两个方向同时弯曲的钢结构构件）在体育场馆、机场航站楼、文化中心等大跨度、复杂造型建筑中得到了广泛应用。这类构件外形流畅、受力合理，但同时也给深化设计和加工制作带来了巨大挑战。本文结合鸿泰重工多个实际项目案例，以多图形式详细解析双曲钢构件的深化设计和加工制作全流程。

二、双曲钢构件的特点与分类

双曲钢构件通常可分为两大类：

双向弯曲构件：如弯扭构件、双曲拱等，其表面为不可展曲面，无法通过简单的卷板或折弯一次成型。
空间扭曲构件：如树状柱、自由曲面网壳节点等，常由多个双曲板件焊接而成。

其核心难点在于：

几何表达复杂，传统二维图纸难以描述；
加工时需依赖三维模型进行放样和胎架制作；
焊接变形控制难度大，精度要求高。

三、深化设计流程（含案例图示）

3.1 从建筑模型到结构模型

以某体育场项目为例，建筑Rhino模型先导入Tekla Structures，建立结构线模型。如图所示（图1），提取出每一根双曲构件的中心线及控制点。

图1：建筑模型与结构线模型对比（原Rhino曲面→提取中心线→杆件单元）

3.2 三维实体建模与板件拆分

采用Tekla或Rhino+Grasshopper对每根构件进行实体建模，并拆分为若干块双曲板件（腹板、翼缘、隔板等）。拆分原则：

尽量将双曲板转化为单曲板或平板；
考虑轧制方向与焊缝位置；
控制单块板件重量与尺寸便于运输和吊装。

图2：双曲箱形构件拆分为四块单曲/双曲板件

3.3 展开与放样（展开图生成）

对于不可展曲面，需采用近似展开方法（如三角网格法、测地线法）。图中展示了某弯扭构件的展开结果（图3），并标注了坡口位置和加工余量。

图3：弯扭翼缘板展开图与样板

3.4 出图与数据输出

最终输出内容包括：

单件装配图与零件图（含三维轴测图）
NC加工文件（用于数控切割、卷板）
胎架放样图（提供坐标点与定位块位置）
焊接顺序与预变形方案

图4：某双曲节点深化设计图（含胎架定位点）

四、加工制作流程（含案例图示）

双曲钢构件的加工是一个“以胎架为基准、数控为辅助、人工校形为核心”的过程。

4.1 数控下料

根据展开图进行数控切割，切割后需标注板件编号及方向标识。如图5所示，为某项目双曲腹板下料后状态。

图5：数控切割后的双曲板件（带保方向标记）

4.2 边缘加工与坡口制备

采用铣边机或火焰/等离子切割制备焊接坡口，注意坡口角度随曲面曲率变化须对应调整。见图6。

图6：坡口机加工双曲板边缘

4.3 卷板与压型（冷弯/热弯）

对于单曲板件，可用三辊卷板机卷制；对于双曲板件，则需采用模具压力机或局部热弯。多案例表明，采用“多点成型”技术效果较好。图7为压力机压制双曲板的过程。

图7：双曲板局部压型加工（多点模具示意）

4.4 胎架制作与构件组装

胎架是双曲构件成型精度的关键。需根据深化模型中提取的坐标点，设计并制作型钢胎架（见图8）。构件在胎架上进行组装、点焊、测量、调整。

图8：双曲箱形构件组装胎架及构件吊装就位

4.5 焊接与变形控制

焊接顺序对称、分段退焊，并辅以预热、层间温度控制及焊后保温。部分构件需采用反变形措施。图9展示了埋弧焊焊接双曲箱形构件内部。

图9：双曲箱形构件内部埋弧焊

4.6 矫正、检测与预拼装

焊接后采用火焰矫正或机械矫正。检测手段包括全站仪测量、三维激光扫描、模板检查等。某些复杂节点还必须进行工厂预拼装（见图10）。

图10：双曲构件三维激光扫描检测与工厂预拼装

五、典型工程案例简介

| 项目 | 构件特点 | 难点与对策 |
|------|----------|------------|
| 某体育场罩棚 | 弯扭箱形钢梁 | 采用多段展开+胎架压型，精度±3mm |
| 某机场航站楼 | 树状柱双曲节点 | GH参数化建模+扫描校核 |
| 某文化中心 | 自由曲面网壳 | 拆分单曲板、数控卷板+胎架拼焊 |

详细案例图解见项目附件P1\~P20。