异“曲”同工！曲面铝板幕墙成形技术浅析

目前市场上常见的曲面铝单板成形方式大致有以下几种：普通三轴棍转板成形、三轴辊转板结合传统手工钣金成形、以直代曲简化成形、胎膜拉伸成形、机械金属模一次性冲压成形、利用多点成形压力机成形、柔性辊压三维成形、现场成形等等。

现就以上各种曲面铝板成形方式的特点分别做一概述。

一、 普通三轴辊转板成形

三轴辊转板成形是目前最常见的金属曲面板成形方式。是在传统的单片折弯的基础上发展而来的，其主要特点是可连续自动化生产，辊弯半径可调。特别适用于曲面曲率固定，批量大的产品。其成形精度容易控制。主要的不足是，对于曲率变化的，数量大、批量小的金属板，无法满足实际生产要求。

普通三轴辊转板成形工作原理见图1。

图 1

在此基础上，对三轴辊压机稍作优化，适当改变辊压轴的形状和相对位置关系，可以实现半径变化的单曲面板的辊压。但是改进后的三轴辊，亦无法实现多曲率小批量的金属板辊弯成形。鉴于目前三轴辊弯成形工艺已相当成熟，在此就不做深入剖析。

二、三轴辊转板结合传统手工钣金成形

目前此成形方式主要应用于批量很小，造型复杂的金属板材。由于开模费用高，这样的板材，一般采用三轴辊卷板与手工钣金结合的成形方式。单件板材，曲率变化较多，又无法达到一定的批量，如果仅靠传统三轴辊的方式是无法实现成形的效果的。一般都是首先利用特制的三轴辊，三轴辊的一个辊轴采用非规则的凸起椭圆形状，另一个辊轴为凹面。板材进入三轴辊转板机后，能辊压出近似的弧面。

然后，将半成品板材放在预先制作的靠模（如图2）上进行比对，对于误差比较大的地方，由工艺娴熟的钣金工，以塑料槌手工敲打，使得金属面板逐步形成所需的曲面效果。然后继续往靠模上靠，进行比对，重复进行此项工作，直到板材曲面与靠模完好贴合为止。这种手工钣金成形的方式，需要在过程中，多次将成形的板材放到预先做好的靠模上去比对，当成形件与靠模完美贴合后，即达到理想的效果。图2所示为北京银河SOHO多曲铝板样品制作所需的靠模。

图  2

值得注意的是，此靠模的制作精度很重要，一般都是直接从3D模型中提取所需曲面上各点的参数，利用数控机床，切割 出不同曲面的铝板，作为立筋，拼接出如图2所示的“小方格”，此“小方格”排布越密，则靠模精度越高。

此成形方式的优点是：如果所需产品数量少、尺寸不大、曲面复杂，则可以灵活实现所需效果，操控性强。

缺点：耗时，速度慢，制作费用高，成形的板材板幅不宜过大。如果板材面积越大，成形后板材表面凸凹不平的现象会越严重。

比如北京银河SOHO连桥多曲面铝板幕墙，沿铝板弧面任何方向剖切出来的铝板轮廓线，均为样条曲线。在样板制作阶段，也采用了先利用三轴辊辊弯，然后采用手工钣金成形的方式。由于曲面铝板板幅较大，虽然钣金工人手艺娴熟，但是成形完成，铝板上墙后，近距离明显可以观察到铝板表面的凸凹“波纹”。如果在铝板喷涂后再进行观察，此“波纹”现象将更加明显。附图3、4为银河SOHO采用此方式制作的实际曲面样墙（铝板面未喷涂）。图3为第一次成形的样件，图4为将板幅改小，将靠模的“小分割”加密后的效果，很明显，当分格适当减小，靠模精度提高时，成形效果更理想。

图 3                                                      图 4

三、以直代曲简化方式成形

单一的圆弧形状比较好处理，利用三辊机就能直接实现。而双曲面、球形是二维、三维成弧，由于三辊机只能一维成弧，所以就不能利用三辊机直接加工成形，要加工双曲面、球面形状铝板就只能开模，用模具成形，但模具成形成本较高，周期较长，若无特殊需要，本着降低成本，缩短工期的要求，在不影响装饰效果的基础上，就需要进行简化设计，运用简化方法可以达到这一目的。

对于有些二维双曲面造型铝板，也可以采用以直代曲的简化方法处理，可以将之细分成很多一维弧形铝板，即在一个方向上保持原来的弧形不变，在另一个方向上用很多的直线代替原来的弧形。

有些时候，装饰效果上可以允许折线段的存在，即在整个双曲面造型上允许一个方向上有很明显的直线段。在弦高越小的情况下，直线就越接近弧线，以直代曲加工出来的双曲面铝板就比较顺滑。一般来说，根据所需装饰效果的实际情况，视觉上感觉不到很明显的直线组合就可以了。比如，一般可以考虑长弧形方向弦高4mm为界，在弦高小于等于4mm时，采用用直线代替弧线以简化双曲面造型的设计加工。将所有分段的折线铝板在工厂焊接拼接起来，表面打磨圆滑后，再进行喷涂等各项工序。图5为某工程双曲铝板采取以直待曲方式的制作的过程样品。（表面未处理）

图 5

一般来说，采用以直代曲的方式，铝板成形大多采用了小段拼焊的方式，成形后，铝板表面需打磨光滑，焊缝处平滑过渡，这样喷涂后，铝板外视面才会流畅、视觉效果才不至受到影响。而这种铝板成形方式，适合于同曲率、批量产品的制作，如果数量大而品种多，实际拼接制作过程将十分繁杂。成本也将很高。

四、胎膜拉伸成形

目前市场上常见的双曲面金属板大多采用此方式成形。胎膜拉伸成形又分为两种方式，一种为固定的整体拉形胎膜（如图6），另一种为可变多点拉形胎膜（如图7）。

图 6

图 7

常规的固定整体拉形模，特别适用于大批量产品生产。一次性制作胎膜，可以实现批量生产。金属面板拉压到一定程度，与胎膜表面完全吻合，待内应力消除后，裁除残缺边角，即可得到设计所需的曲面板材。此成形方式缺点是不易实现小批量、多种类的异形板成形，否则开模费用极高。

而多点拉形模，将传统的整体拉形模具离散成规则排列的基本体矩阵，形成数字化控制的多点模具。调整基本体的高度，构造出不同型面的拉形模具，与拉形机配套，进行不同形状蒙皮的数字化拉形。

多点拉形技术的特点：

1、模具型面由离散的点构成，这些点的位置可调。

2、用离散点取代连续的模具型面，会带来局部形状的误差，可以用加弹性垫的方法进行弥补（如图8）。

3、多点拉形模具具有柔性特点，根据不同零件的特点可以进行灵活调整，实现不同零件的需要。

4、采用多点模具，可以省去大批的模具费用。

5、适合单件、小批量钣金件的生产。

6、避免手工方法中成形质量无法控制、生产效率低、劳动强度大的不足。

图 8

而多点拉形模具，成本价格比较高。模具制作费用高，但可以实现任何曲面效果的模具调节组合，组合出不同的曲面，反复利用。

五、机械金属模一次性冲压成形

图 9                                                          图 10

金属模一次性冲压成形。这是传统的金属板材成形方式。特别适用于日常生活中常见的金属品小件。广泛应用于各五金模具厂家。金属模具一般分固定模（下模）和活动模（上模），参见图9、图10。根据成形板材的最终成形面的性质，预先制作出金属上模和下模，一般下模固定，把需要成形的板材放入固定模，上模（活动模）通过液压驱动，快速冲压板材，从而一次性把板材冲压出所需要的形状。

这种机械金属模特别适用于大批量的金属板材成形。一次性制作好模具，可以实现大批量生产。因模具制作周期和费用的限制，不适合于小批量异形件成形。

根据机械金属模成形原理，可以改进出多点冲压的模具技术，如图11所示。将上下金属模变化为若干杆状金属矩阵，每个矩阵单体均可以上下调节，这样可以根据所需要的成形面形状，调整模具形状。待调整到需要的模具后，固定好上下模，一般通过液压驱动，冲压成形。（参见图11示意图）

图 11

六、利用多点成形压力机成形

所谓多点成形，即将传统的整体冲压模具离散为规则排列的若干基本体矩阵，形成了多点式、数字化控制的模具。每个基本体均由计算机自动控制，可以根据需要调整基本体的高度，从而构造出不同成形面的模具。

根据所需生产的零件的曲面形状，可以预先将设计的零件曲面参数（一般直接输入模型）输入计算机控制系统，由计算机自动控制，调整冲压模的各基本体的高度，达到成形零件的理想模具的形面。然后，只要启动压力机，瞬间就可以冲压出精确曲面的产品零件。图12所示为某公司用于舰艇外壳板成形的多点冲压模的基本体。又如，图13、图14所示为某公司用于生产高速列车车头外壳的多点成形模具设备。图15所示为用于人脑头颅骨修复所需的钛合金产品生产所需的模具。由此可见，利用多点对压成形技术时，只要能将设计出来的金属曲面数字化模型参数输入计算机，通过计算机自动调整冲压模的各基本单元体，就能实现各种复杂曲面金属板的一次性快速冲压成形。

图 12

                  图 13                                             图 14

图 15

图 16 为某多点成形的CAD/CAM控制界面

多点压力机成形技术成形快速、方便、使用效率高，适合于小批量异形板材成形。但是其设备成本十分昂贵，据笔者了解的情况，目前国内此设备极少，全靠进口，购置一套设备大约需要1500万美元。并且，此多点冲压成形的技术，目前在国内还基本处于研发阶段，有几家单位先后承担过一些项目，进行了类似的产品研发工作，但都是采用了简易的调形装置，距离产业化生产，还有很大的距离。而且一般能成形的板材宽度都不超过1.2米，对于超宽板也无法满足成形要求。

七、柔性辊压三维成形

其基本原理同多点成形一致。它是多点连续成形的基本成形工具，其特点是工作辊轴线可以弯曲，而且弯曲的形状可以根据需要进行控制和调整。

图 17

如图17所示，待成形件夹持于工作辊之间，工作辊在驱动机构作用下同步转动，带动工件产生进给运动，通过增加或者减少柔性辊沿轴线方向各环节的压下量，使工作辊滚压板料，从而使板料产生纵向与横向塑性变形。此成形方式的具体控制方式及实际应用，笔者未曾深入了解，此处不做过多称述。

八、曲面铝板现场成形

根据不同的分类原则，所有的金属板成形方式也可以分为两种：一种为工厂内预成形，另一种为现场成形。此处重点介绍一下单曲铝板现场成形技术。铝板现场成形的方式主要应用于半径较大的单曲铝板。我们以北京银河SOHO工程标准层间侧挂曲面铝板为例，对现场成形方式进行说明。

银河SOHO是由SOHO中国有限公司开发的高档商业写字楼，由国际著名的建筑师Zahadid设计。建筑整体外立面呈现的均为复杂变化的曲面，造型非常丰富、视觉冲击力极强。而本项目最大的亮点就是曲面铝板，所有复杂曲面造型均是以曲面铝板面材来实现的。工程铝板面积共约5万平方米，其中曲面铝板约两万平方米（其他均为平台及檐口吊顶扇形平板）。曲面铝板分层间的侧挂单曲铝板以及连桥部位多曲铝板。

针对本工程复杂的造型，所有层间侧挂单曲铝板的曲率半径各不相同的特点，如果采用普通曲面铝板成形的方法，采用三轴辊滚压成形，因曲率半径各不一致，无法批量生产，铝板面材及背筋的弯弧，需要耗费大量时间和精力。如果采用数字化多点冲压成形，加工费用也十分昂贵，周期也非常长。为此，我们尝试了工厂预成形与现场成形的各种方式，经过样墙试制检验，采用现场成形的方式效果非常理想。因此，本项目单曲铝板最终采用现场成形的方式。图18为银河SOHO项目整体铝板CATIA线框模型。

图 18

本项目单曲铝板现场成形方式的特点如下：

1、 层间侧挂单曲铝板采用竖向加强背筋（背筋与铝板弯弧方向垂直），加强筋不需弯弧，解决了加强筋弯弧半径种类繁多的问题；

2、铝板制作方面：采用Catia及Rhino建模软件，从模型中直接提取每块铝板数据，将铝板面板摊平展开，根据展开图下料，根据铝板布筋图，进行背筋植钉，安装固定好背筋型材，然后上喷涂线。最后打结构胶，完成整道工序，加工制作十分简单，不存在铝板弯弧的环节。铝板加工完毕后，仍为平板，直接打包发往工地。

3、现场挂接：单曲铝板加强背筋沿垂直于弯弧方向布置，背筋型材不需弯弧，根据力学计算结果，背筋按照间距不大于500MM布置。每块铝板采用上下两排各7个挂点进行挂接（挂接点直接与背筋连接）。现场安装铝板前，先由3D模型中输出的坐标数据，对每块铝板挂接点进行现场定位。所有钢龙骨均不用弯弧，采用折线分布。曲面铝板上下端各分布一条通长的弧形辅助定位铝管，此型材可起到“靠尺”作用，其弧度同预先从模型中测出的铝板轮廓模型一致。现场安装时，只需调整、固定好此定位型材即可。安装侧挂板时，直接把侧挂板靠到定位弧形型材的胶条上，通过调整多维铝转接系统（此系统可同时实现上下、前后、左右、360度转动等多维调节），直到铝板上下两条边与“靠尺”定位型材完全吻合，单曲铝板实际成形面即实现。紧固所有连接系统。至此单曲铝板现场挂装完成。（参见图19、图20、图21、图22、图23、）

图 19 层间侧挂单曲铝板上端竖剖

图 20 层间侧挂单曲铝板下端竖剖

图 21 层间侧挂单曲铝板横剖 节点

图 22 单曲侧挂铝板系统模型局部截图

图 23 现场成形曲面铝板施工现场实景照片

小结： 经过对以上各种曲面铝板成形方式的初步分析，归纳一下，各有特点：

1、三轴辊转板成形的特点是：主要适用于曲率固定，批量大的产品。其成形精度容易控制。不足是，对于曲率变化的，数量大、批量小的金属板，无法满足实际生产要求。

2、三轴辊转板结合传统手工钣金成形的特点是：适用于曲率不规则，多曲率，小批量异形复杂板。不足之处是对靠模制作精度要求高，对手工钣金修复的工艺要求高，制作周期长，成本也比较高。

3、以直代曲简化成形的特点是：主要适合于同曲率、小批量、小件产品的制作，如小球形、圆环形件。缺点是，如果数量大而品种多，拼接制作过程将十分繁杂，效果将打折扣。对表面打磨处理要求也很高。

4、胎膜拉伸成形的特点：适用于大批量，同曲率铝板的成形。成形速度快，精度高。缺点是，胎膜制作费用高，不适用于小批量多品种曲率的金属件。

5、机械冲压成形的特点：适用于大批量的金属板材成形。一次性制作好模具，可以实现大批量生产。缺点也是因模具制作周期和费用的限制，不适合于小批量异形件成形。

6、液压机数控多点成形的特点：可适用于各种简单及复杂造型曲面，成形速度快，对产品的批量及数量没有很大要求，将曲面模型参数输入计算机，即可很快实现全自动化生产，产品精度高。缺点是，多点成形设备费用昂贵。

7、柔性辊压三维成形的特点：与多点成形类似，可适用于多种复杂曲面造型的铝板成形。但设备价格昂贵，设备维护、调教成本也高。

8、曲面铝板现场成形的基本特点：可广泛应用于大曲率、多曲率的单曲铝板。其铝板制作费用非常低。铝板成形过程完全在工程现场完成，可节约大量的制作成本。缺点是现场施工安装需要加强质量监控，现场曲面铝板定位控制需严格按照设计理论尺寸执行才能保证理想的整体效果。

采用以上各种曲面铝板成形方式时，还必须注意一个共同的问题：金属铝板曲面成形后，均存在一定的应力回弹现象。关于减小或者消除内应力的方法，属于其他课题范畴，此处不做阐述。但是，需要注意的是，实际的铝板幕墙工程中，对于各种复杂的曲面铝板，其加强背筋的固定，需要严格注意，一般曲面铝板的背筋都与铝板面材之间存在一定的拉力，因此为安全起见，背筋最好采取螺桩焊与结构胶粘接的双重固定方式。

参考文献

[1]《双曲面铝板造型设计及加工的简化方法与运用》，作者，赵国友，刘朝生。
[2]《板料多点数字化成形技术现状》，吉林大学无模成形技术中心、长春瑞光科技有限公司，李明哲 
[3]《新编建筑幕墙技术手册》，张芹 ，山东科学技术出版社 ，2004年2月
[4] 《现行建筑材料规范大全》