一种双曲面不锈钢结构成型方法及双曲面不锈钢结构与流程

1.本发明涉及大型钢结构景观成型技术领域，具体涉及一种双曲面不锈钢结构成型方法及双曲面不锈钢结构。


背景技术：

2.钢产量的大幅度提高和相关新技术的日渐成熟，为钢结构的园林景观设计在发展空间上提供了技术支持。由于钢结构可循环、更新、污染和耗能少、可再用等特点，所以也称作是绿色建材。钢结构同混凝土、砖石等材料相比较，可以避免进行开山挖石、破坏环境，并且从施工方法上也可以节约用水，不会产生较大的粉尘，易于搬迁拆卸，具有较高的回收率。在钢结构的构件当中，它方便组装和变更，不会造成浪费。
3.对于体积较小的楼阁、亭台等体积较小的钢结构景观，为了使其细部的节点具有较高的精准度，在各个构件之间通过焊接连接或通过铆钉以及螺栓进行连接。而对于体积较大的地标性建筑、场馆等大型刚结构景观，为了方便成型，现有技术中在建造大型钢结构景观时通过模锻件一次浇筑而成。由于模锻件在建筑安装时不可控因素较多，在安装完成后局部模锻件可能会出现支撑强度不足、弯曲精度不足而无法安装连接等问题，模锻件部分出现问题会导致模锻件整体均需要重新浇筑，而且对于造型变化较大的构造而言，模锻件锻造的尺寸精度难以满足产品需要，导致造型变化较大的大型钢结构景观通过模锻件一次浇筑成型施工困难，在现场施工时难以实现。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的造型变化较大的大型钢结构景观浇筑成型困难的缺陷，从而提供一种双曲面不锈钢结构成型方法及双曲面不锈钢结构。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供一种双曲面不锈钢结构成型方法，包括以下步骤：
6.制备不锈钢结构本体等比例缩小的实物模型；
7.对所述实物模型进行数字扫描得到不锈钢结构本体的数字模型，获取所述数字模型各处的弯曲程度数据，根据待分割数据对数字模型进行面板分段得到数字双曲面板单元，根据数字双曲面板单元和弯曲程度数据构造数字龙骨；
8.根据数字龙骨锻造成型龙骨本体，根据数字双曲面板单元形状和弯曲程度数据锻造成型双曲面不锈钢单元，将不锈钢单元固定安装到龙骨本体的对应位置，完成双曲面不锈钢结构的成型。
9.可选地，构造数字龙骨步骤包括：
10.确定数字模型中参数化构件的约束基点，根据数字模型的布置信息和所述约束基点构建参数化构件的参数化族，进而配置参数化构件摆放时对应的参照平面；
11.所述参数化构件包括天地龙骨、竖向龙骨、横向龙骨和双曲面板；所述布置信息包
括模型顶部轮廓线和尺寸数据；
12.根据数字模型的布置信息确定竖向龙骨的布置点；对竖向龙骨的布置点处理得到横向龙骨轮廓线，并将横向龙骨轮廓线的中心点位作为横向龙骨的布置点；根据参数化构件的参照平面构建各个布置点所对应的三维工作平面，完成数字龙骨的构造。
13.可选地，确定数字模型中参数化构件的约束基点包括：确定天地龙骨以其端部中点为约束基点；确定竖向龙骨以其端部中点为约束基点；确定横向龙骨以其中段中心点为约束基点；确定双曲面板以竖向龙骨的中线与横向龙骨的中线交点为约束基点。
14.可选地，构造数字龙骨步骤后，还包括：
15.获取横向龙骨轮廓线的起点和终点作为基准平面点，根据参数化构件的参照平面和基准平面，进而生成数字双曲面板单元的形状信息。
16.可选地，还包括：根据数字双曲面板单元的形状信息，拾取数字模型中对应的造型以得到所述造型的外部轮廓线，根据所述造型的外部轮廓线提取得到数字双曲面板单元的尺寸数据。
17.可选地，所述对竖向龙骨的布置点处理得到横向龙骨轮廓线步骤包括：
18.将数字模型顶部轮廓线从竖向龙骨的布置点处打断，根据轻钢龙骨设计规范设置横向龙骨纵向布置间距，将分段后的顶部轮廓线纵向阵列，得到横向龙骨布置线；根据竖向龙骨的截面宽度，将横向龙骨布置线首尾两端进行裁剪得到横向龙骨轮廓线。
19.可选地，其特征在于，根据数字双曲面板单元形状和弯曲程度数据锻造成型双曲面不锈钢单元步骤包括：
20.将锻造棒料加热后进行保温处理，再转入终锻模中终锻成型，得到终锻件；控制锻造变形量为棒料至最终成品所需变形量的5％～15％。
21.可选地，将不锈钢单元固定安装到龙骨本体的对应位置步骤包括：
22.将终锻件焊接固定在龙骨本体的对应位置处，使用切割机将终锻件的飞边切除，将终锻件上粗糙度大于预设值的地方进行打磨切除，然后打磨切除加工残留毛边得到锻件成品；将制作好的锻件成品进行光滑打磨。
23.可选地，还包括：在光滑打磨后的锻件成品表面喷涂图案。
24.本发明还提供一种双曲面不锈钢结构，应用本发明所述的双曲面不锈钢结构成型方法锻造成型。
25.本发明技术方案，具有如下优点：
26.1.本发明提供的双曲面不锈钢结构成型方法，通过先制备不锈钢结构本体的等比例缩小的实物模型，能够实际模拟双曲面不锈钢结构各处的弯曲程度和双曲面不锈钢结构各处支撑所需的厚度信息。然后通过扫描实物模型得到数字模型，获取双曲面不锈钢结构中各处的弯曲程度数据，通过便于吊装、便于连接、便于加工等待分割数据对数字模型进行面板分段，得到多个数字双曲面板单元。不锈钢结构本体在实际施工时需要利用龙骨支撑，在制备等比例缩小实物模型时，实物模型体积较小，结构自身的支撑强度足以对其进行支撑，使双曲面不锈钢结构保持设计形状。根据数字双曲面板单元形状信息和弯曲程度数据构造数字龙骨，最终根据数字龙骨和不锈钢单元锻造成型最终的大型双曲面不锈钢结构。通过预先制备仅包括双曲面不锈钢结构本体的等比例缩小实物模型，然后通过对实物模型扫描生成数字模型，对数字模型分段后生成大型双曲面不锈钢结构中的龙骨结构。通过龙
骨和不锈钢单元进行分段锻造，锻造完成后将不锈钢单元安装在龙骨的对应位置，即可完成大型双曲面不锈钢结构的锻造成型。能够有效避免直接利用计算机生成的模型进行浇筑成型后，由于模拟数据与实际数据不符导致的结构成型后局部完全形状或尺寸发生偏差导致的整体结构均需要重新浇筑成型。大大简化了大型双曲面不锈钢结构景观雕塑的成型过程，能够提升大型双曲面不锈钢结构景观雕塑的成型精度。
27.2.本发明提供的双曲面不锈钢结构成型方法，构造数字龙骨步骤包括：确定数字模型中参数化构件的约束基点，根据数字模型的布置信息和所述约束基点构建参数化构件的参数化族，进而配置参数化构件摆放时对应的参照平面；所述参数化构件包括天地龙骨、竖向龙骨、横向龙骨和双曲面板；所述布置信息包括模型顶部轮廓线和尺寸数据；根据数字模型的布置信息确定竖向龙骨的布置点；对竖向龙骨的布置点处理横向龙骨轮廓线，并将横向龙骨轮廓线的中心点位作为横向龙骨的布置点；根据参数化构件的参照平面构件各个布置点所对应的三维工作平面，完成数字龙骨的构造。利用数字模型来生成数字龙骨的构造，并通过数字龙骨的构造来建造龙骨本体以对双曲面不锈钢结构本体进行支撑，能够精准控制双曲面不锈钢结构各处的龙骨形状和龙骨受力情况，避免双曲面不锈钢结构成型后由于局部受力不合理导致的裂缝，使得大型双曲面不锈钢结构在成型后能够长时间使用，能够延长双曲面不锈钢结构的使用寿命。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。
29.图1为本发明的实施方式中提供的双曲面不锈钢结构成型方法的面板分段的示意图。
具体实施方式
30.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构
成冲突就可以相互结合。
34.实施例1
35.本实施例提供一种双曲面不锈钢结构成型方法，本实施例中的双曲面不锈钢结构为大型景观雕塑。锻造成型方法包括以下步骤：
36.制备不锈钢结构本体等比例缩小的实物模型。本实施例中制作1：10等比例缩小实物模型。根据所制作的景观雕塑模型体积及各变形工步材料利用情况，确定所需棒料的长度和直径，使用锯床或车床将不锈钢料下料。将下料件加热后立即转入顶锻模具及弯曲模具中，顶锻实现局部聚料，得到材料合理分布的锻件，并弯曲得到弯曲件，完成1：10实物模型制作。
37.对1：10实物模型进行数字扫描得到不锈钢结构本体的数字模型，获取数字模型各处的弯曲程度数据，为后续的面板分段进行数据准备。
38.根据便于吊装、便于连接、便于加工等待分割数据对数字模型进行面板分段得到数字双曲面板单元，得到合适的弯曲程度和分段情况。根据数字双曲面板单元和弯曲程度数据构造数字龙骨。在面板分段时先根据双曲面不锈钢结构在地面上的支撑点进行分段，然后考虑造型、吊装和运输情况等对每个分段进一步人工进行模型分割。如图1所示为对图示中形状的双曲面不锈钢结构的面板分段示意图，在分段时只沿结构的延伸方向分段。
39.根据数字龙骨锻造成型龙骨本体，根据数字双曲面板单元形状和弯曲程度数据锻造成型双曲面不锈钢单元，将不锈钢单元固定安装到龙骨本体的对应位置。具体地，将锻造棒料加热后进行保温处理，再转入终锻模中终锻成型得到终锻件；控制锻造变形量为锻件至最终成品锻造过程所需变形量的5％～15％。然后将终锻件焊接固定在龙骨本体的对应位置处，使用切割机将终锻件的飞边切除，将终锻件上不平滑的地方进行打磨切除，然后打磨切除加工残留毛边锻件成品；将制作好的锻件成品进行光滑打磨。在光滑打磨后的锻件成品表面喷涂图案，完成双曲面不锈钢结构的成型。
40.构造数字龙骨步骤包括：确定数字模型中参数化构件的约束基点，根据数字模型的布置信息和约束基点构建参数化构件的参数化族，进而配置参数化构件摆放时对应的参照平面；参数化构件包括天地龙骨、竖向龙骨、横向龙骨和双曲面板；布置信息包括模型顶部轮廓线和尺寸数据；根据数字模型的布置信息确定竖向龙骨的布置点；对竖向龙骨的布置点处理横向龙骨轮廓线，并将横向龙骨轮廓线的中心点位作为横向龙骨的布置点；根据参数化构件的参照平面构件各个布置点所对应的三维工作平面，完成数字龙骨的构造。
41.确定数字模型中参数化构件的约束基点包括：确定天地龙骨以其端部中点为约束基点；确定竖向龙骨以其端部中点为约束基点；横向龙骨以其中段中心点为约束基点；确定双曲面板以竖向龙骨的中线与横向龙骨的中线交点为约束基点。
42.构造数字龙骨步骤后，还包括：获取横向龙骨轮廓线的起点和终点作为基准平面点，根据参数化构件的参照平面和基准平面生成数字双曲面板单元的形状信息。然后根据数字双曲面板单元的形状信息，拾取数字模型中对应的造型以造型的外部轮廓线，根据造型的外部轮廓线提取数字双曲面板单元的尺寸数据。
43.对竖向龙骨的布置点处理横向龙骨轮廓线步骤包括：将数字模型顶部轮廓线从竖向龙骨的布置点处打断，根据轻钢龙骨设计规范设置横向龙骨纵向布置间距，将分段后的顶部轮廓线纵向阵列，横向龙骨布置线；根据竖向龙骨的截面宽度，将横向龙骨布置线首尾
两端进行裁剪横向龙骨轮廓线。本实施例中，轻钢龙骨包括天地龙骨、竖向龙骨和横向龙骨。
44.具体地，构造数字龙骨步骤为：使用三维照相式扫描仪对实物模型进行八个方向进行扫描，针对棱角造型的拐点及顶点每隔0.05米进行三维点状数据收集，得到实物模型的点云数据，利用contextcapture对所得到的点云数据在软件中进行增强，充分考虑造型、吊装和运输情况等待分割数据后人工进行模型分割，分割后的数字双曲面板单元使用zbrush进行处理，其中拓扑结构、网格分布一类的繁琐问题在后台自动完成。
45.应用rhino.inside.revit。将rhino软件集成到revit平台中，在执行参数化建模之前，通过revit软件配置参数化建模配套所需的包括天地龙骨、竖向龙骨、横向龙骨及双曲面板在内的参数化构件。在确定各类参数化构件的约束基点后，利用参照模型的布置信息，通过约束基点构建轻钢龙骨中各类参数化构件所对应的参数化族，以配置轻钢龙骨中各参数化构件摆放方式所对应的参照平面。
46.应用rhino.inside.revit。将grasshopper软件集成到revit平台grasshopper软件中配置有多种运算器；利用各类运算器对参照模型中所需生成轻钢龙骨双曲面板的造型进行数据拾取，处理获得数字双曲面板单元中包括造型顶部轮廓线以及尺寸数据在内的布置信息；利用所述布置信息进行所述目标造型判断后，得到所对应的竖向龙骨的布置点。利用grasshopper软件对竖向龙骨的布置点处理得到横向龙骨轮廓线，并将横向龙骨轮廓线的中心点位作为横向龙骨的布置点。按照参数化构件中天地龙骨、竖向龙骨及横向龙骨的参数化族的参照平面，赋予各布置点所对应的三维工作平面。利用添加组件运算器调用天地龙骨、竖向龙骨、横向龙骨所属的参数化族，以进行天地龙骨、竖向龙骨及横向龙骨模型的建立。
47.在确定参数化构件的约束基点时，天地龙骨以及竖向龙骨分别以其各自参数化构件的端部中点为约束基点，横向龙骨以其参数化构件的中段中心点为约束基点，双曲面板以竖向龙骨的参数化构件的中线与横向龙骨的参数化构件的中线交点为约束基点。
48.在配置轻钢龙骨所对应的参照平面时，读取revit平台中参数化族约束的配置要求，按照各参数化构件的摆放方式配置对应于参数化族的参照平面；在revit平台读取要求为实例参数时，对各所述参数化构件的截面尺寸进行实例参数配置。
49.在完成天地龙骨、竖向龙骨及横向龙骨模型的建立后，还需要按照双曲面板对应的参数化族的参照平面，利用端点运算器获取横向龙骨轮廓线的起点和终点，作为基准平面点后，利用添加组件运算器生成模型的双曲面板。
50.利用各所述运算器对参照模型进行目标双曲面板的数据读取时，利用图形元素运算器拾取参照模型中所需生成造型，以得到造型的外部轮廓线；利用元素参数运算器提取造型的尺寸数据。
51.利用grasshopper软件完成天地龙骨及竖向龙骨的模型建立时，利用天地龙骨及竖向龙骨所对应的参数化族的参照平面，给对应的天地龙骨及竖向龙骨的布置点赋予所对应的三维工作平面，利用添加组件运算器插入revit平台中预先配置的天地龙骨及竖向龙骨的参数化构件；利用元素参数运算器将grasshopper软件中提取的尺寸数据及布置间距赋予对应的参数化构件，以完成天地龙骨及竖向龙骨所对应的模型建立。在进行横向龙骨模型的建立时，按照横向龙骨参数化族的参照平面，利用grasshopper软件获取横向龙骨轮
廓线的中心点位，并作为横向龙骨的布置点，赋予横向龙骨的布置点对应的三维工作平面，利用添加组件运算器调用revit平台中的横向龙骨的参数化族，以生成相关的横向龙骨构件，并利用元素参数运算器将grasshopper软件中算法自动提取的长度数据赋予对应的参数化龙骨构件，完成所述横向龙骨的模型建立。
52.实施例2
53.本实施例提供一种双曲面不锈钢结构，应用实施例1中所述的双曲面不锈钢结构成型方法锻造成型。
54.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。