多面体空间刚架结构制作关键技术

一、所属科学技术领域
　　钢构件加工制作新工艺。
二、主要内容
　　多面体空间刚架结构制作技术，能够很好地解决多面体空间刚架结构的加工问题，这种技术与传统的加工方法有着本质的不同。该技术的工艺原理是：（1）形函数深化详图设计技术。其原理是把几何形体用函数的方式来表达。传统方法描述一个几何形体的表达方式是一个或一组几何图形和一系列标注尺寸；而形函数深化设计的表达方式是一个带有变量的图形和一系列参数的图表。应用该技术能够用计算机进行编程计算设计，能够快速、高效地完成杆或梁单元结构体系的深化设计工作，其效率是传统方法的数十倍且正确率极高；（2）焊接矩形钢管相贯线成型技术。该技术的基本原理是根据形函数深化设计的几何形体参数，制作切割机器人行走轨道，然后让切割机器人在轨道上边行走边切割，应用该技术能够高质量、快速地完成焊接矩形钢管与球体相贯焊接时管端相贯线的成型；　　　（3）不规则复杂多面体空间刚架空间定位技术。该技术的基本原理是先将空间三维坐标转换为二维平面坐标及一个面外坐标，应用时，在节点位置设一个定位点，使用全站仪先定二维平面坐标再定面外坐标，应用该技术简单、高效；（4）材质为Q420C的厚壁（δ≥40mm）焊接削冠空心球成型技术。该技术的基本原理是先将两块圆形钢板在炉内加热到9000C ～10000C，然后在控温状态下用锻压设备压制成两个半球，将其中一个半球切下设计要求的球冠，将切下的球冠再一次在炉内加热到9000C ～10000C，然后在控温状态下用锻压设备压平，将半球、球台、圆平板在精加工设备上加工成设计要求尺寸后，按照焊接工艺评定确定的参数组焊成削冠空心球，应用该技术能够高质量地进行削冠空心球成型；（5）Q420C钢材低温焊接技术。该技术的关键点在于预热、后热及层间温度控制，使用该技术可以确保Q420C钢材在低温（-5℃～-15℃）条件下的焊接质量；（6）薄垫板一级焊缝成型技术。该技术的关键点在于最初的1～3遍焊接热输入量及焊接厚度控制，应用该技术可确保焊缝垫板厚度在突破现行规范的情况下也能达到一级焊缝的要求。

该技术具备以下特点：
1、概念新颖。该技术首次将形函数技术引入详图深化设计中，这种技术能够与施工图结构设计数据进行无缝对接，可以克服详图深化设计错误，提高工作效率，这种详图深化设计方法与传统方法具有本质上的区别，概念十分新颖。
　　2、技术先进。该技术中的“焊接矩形钢管相贯线成型技术”成功地解决了焊接矩形钢管相贯线成型问题。而“薄垫板一级焊缝成型技术”突破国内外现行规范规定。技术水平处于国际领先地位，属国内首创。
　　3、质量容易控制。应用该技术所述“形函数深化详图设计技术”进行详图设计，图纸错误率为零。而应用“焊接矩形钢管相贯线成型技术”所得到的相贯线吻合度比现有多维数控切割机所切割的质量还要好。
　　4、节约成本、缩短工期。该技术应用计算机和自动化的成分较多，可大大节省人工、耗材、设备等，因而成本相对较低，工期较短。

三、保密要点
　　本技术的关键技术有：
　　（1）形函数深化详图设计技术。
　　先将图形的几何参数用函数的方式来表达，然后应用计算机技术编程计算。设计结果正确率为100%，且工效极高。
　　（2）焊接矩形钢管相贯线成型技术。
先制作、安放切割机器人导轨，然后使切割机器人边行走边切割，切割质量十分精确。
　　（3）不规则复杂多面体空间刚架空间定位技术。
　　通过空间坐标维数的转换，使复杂的问题简单化，能够快速、高精度的定位。
　　（4）材质为Q420C的厚壁（δ≥40mm）焊接削冠空心球成型技术。
　　确定恰当的加工工艺流程和参数，可确保Q420C厚壁（δ≥40mm）焊
　　接削冠空心球的成型质量。
　　（5）Q420C钢材低温焊接技术。
通过工艺流程及参数的调整，可确保Q420C厚板钢材在低温（-5℃～-15℃）环境下的焊接质量。
　　（6）薄垫板一级焊缝成型技术。
　　调整焊接参数和焊接方法，可确保垫板厚度及宽度在突破国内外现有规范的情况下，仍能保证一级焊缝的焊接质量，可节约大量焊接辅材的消耗。
　　已申请的专利名称：
　　1.削冠空心球的加工工艺（申请号为200710306841.5）
　　2.空间结构球节点的定位方法及定位器（申请号为200710306840.0）

四、与国内外同比情况
　　该制作工艺提出的多面体空间刚架结构制作技术具有很高的工程应用价值，能够很好地推动多面体空间刚架结构加工制作技术的进步。经国内著名专家评审，认为该工法中的关键技术属国内首创，总体水平达到国际领先。

五、经济效益
　　多面体空间刚架结构加工制作技术具有明显的经济效益，主要体现在高效和节约辅材而带来的经济效益。经同类工程比较表明，采用多面体空间刚架结构加工制作技术比采用传统方法节省人工费用25％，节约辅材费20％，缩短工期约15％。
该技术的社会效益主要在如下几个方面：
　　1．快速高效，可明显缩短加工制作工期。
　　2．正确率高，质量容易控制。
　　3．提出了一种崭新的思路，开拓了科技人员的视野。

六、应用推广情况
　　本工法中的关键技术已在国家游泳中心“水立方”工程中得到有效应用，实践证明该技术是正确的、实用的。由于目前大跨度空间刚架结构在干煤棚、会展中心、机场大厅、机库、体育场馆、影剧院等建筑中得到了广泛应用，多面体空间刚架结构加工制作技术以其先进的技术水平和优越的性能指标，必将为大跨度空间结构的技术进步发挥重大作用。