花生壳式单层网壳结构设计与制作的研究

　　摘要：上海轨道交通11号线南翔站A地块办公，商业及住宅幕墙工程，商业部分分原设计的采光顶是采用钢管桁架式，效果较普通，为了提高商业地块的价值，提高建筑的效果。我提出了采用单层网壳结构，造型按花生壳设计。本文简介三维建模、深化设计及加工制做过程。
　　关键词：花生壳，单层网壳，节点体系，数控加工，钢管桁架式
　　
　　1，方案设计
　　1.1设计院的原方案：
　　
　　图1：设计院的原方案图2：单层网壳(花生壳)室内效果图
　　
　　1.2单层网壳花生壳式方案
　　图3：单层网壳(花生壳)室外效果图
　　1.3经过比对，业主主最终采用了单层网壳(花生壳)的设计。
　　2，在确定了其本的方案后，对单层网壳(花生壳)的节点细部进行深化设计。
　　2.1首先是采用通用三维建模软件建数字化模型。
　　
　　图4（左）：花生壳局部数字化模型模图
　　
　　2.2数据处理
　　对于空间自由曲面，网格划分单线模型已经确定了的节点和杆件中心线
　　的位置，但未确定节点和杆件的局部坐标即构件的空间放置方位。由此，需要对构件的方位控制原则进行确认。网格模型为连续非光滑的离散结构，但每个分格相对于整体结构外形尺寸很小，故可借用光滑曲面的切面或法线的概念来确定节点的空间方位：节点法向为与之相连接三角形外法线(单位向量)矢量算术平均值；杆件法向为与之相连接两个三角形外法线(单位向量)矢量算术平均值，见图22。本方法未考虑各三角形顶角α在求矢量平均值过程中对面法线权值的影响，经过对比考虑α权值和不考虑结果，误差在1%之内，本工程在具体计算过程中未考虑α权值的影响。从工程实践来看，离散曲面简化法线确认法足以满足建筑外观要求。确定节点与杆件局部坐标后，理论空间模型则唯一确立。
　　图5：局部坐标系
　　3，基本术语与参照坐标系定义
　　3.1基本术语定义
　　1）翼缘方向：本工程的节点与杆件，位于天棚上部的我翼缘均称为上翼缘，位于天棚下面的翼缘均称为下翼缘。
　　2）节点法向：节点处各杆件在横截面内从下翼缘中点指向上翼缘中点单位方向矢量的矢量和，即称为该节点的法向向量，该向量始终指向球体外部。
　　3）弯扭牛腿型节点：方管汇交的节点区由钢板焊接而成，其中节点区的上翼缘板与下翼缘板均为整板下料切割而成，牛腿区段的上下翼缘板均为弯扭板件。
　　3.2．弯扭节点参照坐标系定义
　　各牛腿所连杆件的上翼缘上表面中心线交点为O，即节点原点，Z轴与节点外法线方向重合且同向，X轴位于局部编号1号的牛腿上翼缘中心线与Z轴确定的平面内，Y轴以右手法则确定。Z轴与节点核心区上翼缘上表面的交点与O点重合。牛腿局部编号绕Z轴按右手法则排列分布。
　　4、编号规则
　　4.1杆件编号
　　杆件的编号由七位数字及字母组成：
　　
　　杆件流水码在每一层区段内，以从上到下按照顺序方向编排。
　　4.1节点编号
　　1）节点编号由七位数字及字母组成：
　　
　　节点流水码在每一层区段内，以从上到下按照顺序方向编排。
　　2）牛腿编号
　　节点上的牛腿用"NT-*"表示，其中字符"*"代表数字"1~8"，即牛腿顺序号。