奥运主会场(鸟巢)的设计和建造
为了迎接2008北京奥运会,我国在北京新建了奥运会开幕式主会场——中国国家体育场(俗称“鸟巢”)。“鸟巢”的设计非常独特,其上千根构架几乎没有一根是垂直的,也没有一根是水平的,并且几乎每一根都是扭曲的。所谓“扭曲”,是指又扭又曲,油条是“扭”的,将其弯成圆弧状就是“曲”的,一根弯曲的油条就是又扭又曲的。要处理“曲”并不很难,几乎所有的CAD软件都能胜任,而要处理“扭”就相当复杂了,少量的扭曲可以用死工夫慢慢“磨”出来,当扭曲件很多时,没有有效的软件支撑简直是难以想象的,“鸟巢”的用钢量多达五万吨,相当于20艘万吨轮,用死工夫慢慢“磨”必将会遥遥无期,毕竟,奥运会不可能推迟到2009年再开。
“鸟巢”工程浩大,同时由三家大型钢结构企业参与建造,这三家大企业原先都有各自惯用的软件,有些还有自己的软件开发公司或软件开发部门,可是,因为他们的软件不能有效地处理扭曲板件,最后这三家企业都使用
“三维特型构作”软件ROOTMODEL。
下图是“鸟巢”的一个局部:
RootModel是一个生产设计软件,又称放样软件。放样软件的主要任务如下:
1.让操作者在电脑上方便地按蓝图绘入模型,包括复制、移动、旋转、开孔,当然也可以任意修改;
2.待整个模型建好后,能对每一个零件(板件、角钢、法兰等)或一批零件自动出图,包括自动标注,扭曲板应该展平。这种图称作下料图;
3.能对操作者所选的一批紧邻的零件自动绘出装配图,并自动标注;
4.能输出一个、一批、乃至所有零件的材料表,包括长度、宽度、厚度、材质、面积、重量等;
“鸟巢”高度约70米(上海的国际饭店约75米),整个圆周分成24部分独立建造,因为太高,厂家不可能竖着建造,只能横躺在地面上局部装配,因此,放样软件必须提供各零件横躺在地面上时的局部三维坐标值,
下图是四块板件构成的一个横躺在地面上的箱体:
光有箱体的尺寸是不够的,首先要将四块扭曲板精确展平,给出展平后的板件信息,包括外形尺寸、折弯线、和校核线。图中有好多竖向的折弯线,工人们只要在每条折弯线处用轧机压一下,就能压出一块扭曲板来;如果折弯线都是平行的,那就只能压出只曲不扭的板件,下图中的折弯线不都是平行的,所以能压出既曲又扭的板件来。在压轧的过程中,校核线也在相应变化,若压出的扭曲板是正确的,那么校核线就自动成了一条直线(从上往下看)。
虽然有校核线,不过那只能看看,因为压弯后已经不能用直尺去量了,为了保证精确,放样软件还必须提供每根折弯线两端压轧后的三维坐标值,下图中包含每根折弯线两端的二维坐标值和压轧后的三维坐标值。
其实,我们的“三维特型构作”
RootModel的最大优势就在于对扭曲板件的精确处理,制造厂家曾经用其他软件做过试验,加工后的板件误差多达200毫米,而我们的
RootModel的误差不超过3毫米(最大允许误差是5毫米)。并且一次都没有返工。
以上只是介绍了板件的加工,装配图的难度更大,因过于专业,在此不作赘述。
“鸟巢”高度约70米,用钢量约五万吨,骨架都是扭曲的方型箱体,每个箱体由四块宽约1.2米的钢板焊接而成,箱体中还有几十块小钢板支撑,最厚的钢板达65毫米。