钢结构旋转楼梯建模制图及制造工艺
一前言
随着钢结构在国内的广泛应用,建筑造型对钢结构的制造提出了更高的要求,特别是高档会展中心、大型宾馆酒店、休闲中心常常会碰到旋转楼梯,其中钢结构旋转楼梯结构轻巧,流线性强、更能表现轻快气氛,为广大用户所青睐,而日常生活中遇到的旋转楼梯大多数都是混凝土结构,现场支模、现浇即可,但没有钢结构楼梯轻巧、美观。
如果采用钢结构旋转楼梯,因旋转楼梯的梯梁是空间立体结构,为螺线型,车间很难控制梯梁的空间立体形位公差,因此钢结构旋转楼梯的车间制造工艺一直成为制造中的难点,本文以新皖西宾馆内的钢结构旋转楼梯制造工艺,提出一套简便可靠的方法。
二钢结构旋转楼梯的工程特性和实体放样。
该钢结构旋转楼梯的主要结构尺寸如下:内径r = 2100 mm;外径R = 3600 mm;楼梯角度平面投影角度=218度：踏步高共计27 级;梯高H = 4800 mm;踏步高177.8mm；两侧梯梁为400X200X18箱梁;踏步板厚5 mm 花纹钢板,上铺石材装饰板, ,钢材均为Q235。
钢旋转楼梯的平面和立面结构形式如图1。
A．根据楼梯主要结构尺寸计算螺旋楼梯基本数据（以内侧梯梁为例进行计算）
螺旋线高度h=4800÷218×360=7926.606mm
梯梁内侧上边线螺旋半径r1=2100mm
梯梁外侧上边线螺旋半径r2=2100+200=2300mm
螺旋线上点坐标：X=r×cos（θ÷180×π）
Y=r×sin（θ÷180×π）
Z=r×（θ÷360）
把螺旋线分成360个点计算坐标
应用Excel电子表格计算梯梁内侧上边线螺旋坐标
半径R 螺距高H 角度θX Y Z CAD座标
2100 7926.606 0 2100 0 0 2100,0,0
1 2099.68 36.65005 22.01835 2099.68,36.65,22.02
2 2098.721 73.28894 44.0367 2098.72,73.28,44.04
3 2097.122 109.9055 66.05505 2097.12,109.9,66.06
4 2094.88
5 146.488
6 88.0734 2094.88,146.49,88.07
……………………
358 2098.721 -73.2889 7882.569 2098.72,-73.29,7882.57
359 2099.68 -36.6501 7904.588 2099.68,-36.65,7904.59
360 2100 -5.1E-13 7926.606 2100,-0,7926.61
应用Excel电子表格计算梯梁外侧上边线螺旋坐标
半径R 螺距高H 角度θX Y Z CAD座标
2300 7926.606 0 2300 0 0 2300,0,0
1 2299.65 40.14053 22.01835 2299.65,40.14,22.02
2 2298.599 80.26884 44.0367 2298.60,80.27,44.04
3 2296.848 120.3727 66.05505 2296.85,120.37,66.06
4 2294.397 160.4399 88.0734 2294.40,160.44,88.07
……………………
358 2298.599 -80.2688 7882.569 2298.60,-80.27,7882.57
359 2299.65 -40.1405 7904.588 2299.65,-40.14,7904.59
360 2300 -5.6E-13 7926.606 2300,0,7926.61
梯梁内侧上边线螺旋线投影线长：L1=r1×2π= 13194.68mm
梯梁内侧上边线螺旋线实长：L2=SQRT(L1×L1+ h×h)= 15392.56mm
楼梯内侧上下边线间投影高度：h1=400÷L1×L2=466.63 mm
B．根据螺旋楼梯基本数据进行CAD实体放样
在Excel电子表格复制整体螺旋线坐标，在CAD命令项中输入spline命令，然后在CAD命令项中粘贴螺旋线坐标，分别完成梯梁内外侧上边线螺旋线输入。
然后将上边线往下h1=466.63 mm即为梯梁下边线。
以同样的方法完成内外梯梁边线输入。
在CAD命令项中输入loft（放样）命令，选择相邻两根边线用放样命令建扭曲面，分别建四个扭曲面。
然后在CAD命令项中输入loft（放样）命令Thicken （加厚），
选择扭曲面向梁箱体内侧加厚18mm成实体，完成四个面加厚，即完成螺旋线梯梁实体建模，另外楼梯踏步建模同直跑楼梯相似，比较简单此处不在加以说明。
C．根据实体模型出图，在CAD中从模型不同视图方向用solprof（抽壳）命令抽壳，标注壳体出制作图。
D．螺旋体梁的翼缘板及腹板展开（以内侧梯梁为例进行展开）。
螺旋体梁的翼缘板展开，翼缘板展开数据计算：
内边线直径D=4200mm
翼缘宽度B=200mm
螺旋线高度h=7926.606mm
内螺旋线投影长b1=D×π=13194.69mm
外螺旋线投影长b2=(D+200)×π=14451.33mm
内螺旋线实长L1=SQRT(b1×b1+ h×h)=15392.56mm
外螺旋线实长L2=SQRT(b2×b2+ h×h)=16482.47mm
螺旋内边展开半径实长 R1=B×L1/(L2-L1)=2824.55mm
螺旋外边展开半径实长 R2=B+R1=3024.55mm
螺旋线展开料夹角a=L1×180/π/R1=312.24度
本楼梯实际投影夹角为 c=218度
本楼梯实际展开夹角为 d=a×c/360=189.08度
展开料缺口外螺旋线弦长A=2×R2×SIN((360-d)/2)=6030.12mm
根据上表计算数据对翼缘板进行放样及数控下料。
（放样图见图2）
螺旋体梁的腹板展开，腹板展开数据计算：
内边线直径D=4200mm
内螺旋线投影长b1=D×π=13194.69mm
本楼梯实际投影夹角为 c=218度
本楼梯实际内螺旋线投影长b=b1×218/360=7990.12mm
本楼梯实际高度H=4800
根据上表计算数据对腹进行放样及数控下料。
（放样图见图3）
三制作工艺
由于钢结构旋转楼梯螺旋型的特性, 故有其特有的制造难点:
(1) 钢结构旋转楼梯的18mm 厚内侧梯梁板均是由螺旋线组成,由空间点来描述难以展开的平面,车间放样、下料、装配、焊接比较困难;
(2) 由于钢结构旋转楼梯建立在立体空间上,各点空间位置及各部件相互定位困难;
(3) 梯梁为400X200X18箱梁,压制成螺旋型较难,再加之焊接变形、运输变形等,不易保证楼梯的螺旋线型。
针对以上难点,我们采取了以下一些特有的措施:
(1) 制定系统的工艺程序,由每一步的精度控制及有效工艺措施来控制整个产品的制作过程，以保证产品尺寸精度及焊接质量;
(2) 螺旋梯梁板材拼装前预成型。
由于本楼梯梁板材厚度为18mm，厚度较大必须在拼装前对板材进行预成型，由于腹板在其投影圆的柱面上，因此可以用滚轴滚制成型，如上图3展开腹板滚制成型，滚轴平行于图示滚轴平行线对腹板平料以直径4200mm进行滚制，如果考虑板材成型后回弹时可对钢板进行适当的过量滚制。
在滚制时利用检验模板垂直于卷好后的梯梁腹板i的滚轴平行线对腹板进行靠模检验,看是否符合D4200模板弧度,反复调整检验,直到合模为止。
翼缘板预成型须制作胎样，比较麻烦，就不在单独进行板材预成型了，而在梯梁拼装时在拼装胎架上边成形边拼装。
(3) 为保证梯梁的螺旋线的空间位置,螺旋楼梯梁拼装前必须制作胎架,并且检验胎架尺寸，保证胎架尺寸正确后方可上胎架拼装，拼装完成焊接前，必须对拼装尺寸进行检查，保证尺寸正确后方可焊接，焊接必须有合理的焊接顺序及焊接工艺，以减少不必要的焊接变形，焊接过程中必须对构件尺寸进行适时监控，以减少焊接变形，保证构间尺寸，焊接完成后对构件尺寸进行检查，对未达到尺寸要求的变形进行校正。
(4) 为保证车间制作好的钢旋转楼梯运输方便,将旋转楼梯分段,但同一个螺旋楼梯必须整体拼装后分段，尽量不要同一旋转梯段中不同运输或吊装分段单独放胎架制作，这样很难保证梯段间光顺过度。
运输过程加一些支撑予以加固, 控制变形,到现场用连接板按胎架上划好的对合线拼装成一个整体。
四小结
(1) 钢结构螺旋楼梯,结构合理，形式优雅。
新皖西宾馆内的钢结构旋转楼梯在车间制作工程中通过对其结构形式的深入研究,提出了一套合理的放样制图，制造工艺,该工艺制造简便,精度又高,为钢结构企业制造钢结构旋转楼梯提供参考。
(2) 该工艺不但适用于箱型梯梁旋转楼梯,也适用于板式梯梁或H钢梯梁旋转楼梯,同样也适用于一般旋转式钢结构产品。
参考文献
【1】《钢结构施工质量验收规范》（GB50205-2001）
【2】《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）
【3】《钢结构设计规范》（GB50017-2003）
【4】龚景海、邱国志著，空间结构计算机辅助设计：中国建筑工业出版社。