專利名稱：雙曲面金屬幕墻的裝配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種建筑裝飾物的裝配方法，特別涉及一種雙曲面金屬幕墻的裝配方法。
背景技術(shù)：
金屬幕墻是一種新型建筑裝飾材料，球面、橢球面、拋物面等造型的金屬幕墻被廣泛應(yīng)用于大型建筑物的內(nèi)外墻裝飾，它由優(yōu)質(zhì)的鋁板材，經(jīng)過鈑金成型、裝配等工序制成。在球面、橢球面或拋物面等雙曲面金屬幕墻的制作過程中，先要在平面板材上下料、沖壓，然后將各個小塊的平面板材裝配成設(shè)計好的曲面形狀，要求裝配后的曲面塊之間接縫整齊、曲面紋路走勢平滑。
要在平面板材上截取曲面所需要的平面材料，須首先將曲面展開成平面形狀。由于雙曲面是不可展曲面，只能近似地展開成平面，即展開的平面域和空間域上的網(wǎng)格點坐標是近似對應(yīng)關(guān)系。而由平面塊連接構(gòu)成曲面塊時，對應(yīng)邊長的變化將使對應(yīng)點不能完全重合。因此，如何設(shè)計各小塊平面板材，是直接影響金屬幕墻造型美觀的一個關(guān)鍵問題，現(xiàn)有方法難以同時保證雙曲面金屬幕墻制作中的曲面塊之間接縫整齊、曲面紋路走勢平滑的技術(shù)要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決雙曲面金屬幕墻曲面塊之間要求接縫整齊、曲面紋路平滑的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種雙曲面金屬幕墻的裝配方法，按照該方法設(shè)計的小塊平面板材加工成曲面，再將各曲面塊裝配成成品，提高了金屬幕墻造型的美觀程度。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，雙曲面金屬幕墻的裝配方法，按以下步驟進行步驟一，首先設(shè)計金屬幕墻的空間立體形狀；步驟二，將上述設(shè)計好的立體形狀按經(jīng)線和緯線全部分割成曲面塊；步驟三，根據(jù)上述分割的各個曲面塊設(shè)計與曲面塊相對應(yīng)的平面塊；步驟四，根據(jù)上述設(shè)計的各平面塊在平面板材上下料；步驟五，將上述各平面塊沖壓制做成與之對應(yīng)的曲面塊；步驟六，最后將上述做成的各個曲面塊組裝成步驟一設(shè)計的整體形狀。
金屬幕墻被廣泛地應(yīng)用于大型建筑物的外墻裝飾，本發(fā)明的方法不僅提高了設(shè)計效率，保證了組裝成的金屬幕墻各曲面塊之間接縫整齊、曲面紋路平滑的要求，提高了裝配美觀的效果。


圖1是曲面塊和與之對應(yīng)的平面塊示意圖，其中，a是設(shè)計的分割下的曲面塊，b是根據(jù)a確定的平面塊；圖2是中心點的確定示意圖；圖3是用圓弧分段擬合曲線示意圖；圖4是本發(fā)明給出的實施例設(shè)計的橢球面曲面塊示意圖；圖5是確定的與圖4曲面塊相對應(yīng)平面塊的示意圖；圖6是橢球面上截取曲面塊示意圖；圖7是圖6中曲面塊1的不同中心點及展開圖；圖8是圖6中曲面塊2的不同中心點及展開圖；
圖9是圖6中曲面塊3的不同中心點及展開圖；圖10是圖6中曲面塊4的不同中心點及展開圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。
本發(fā)明的雙曲面金屬幕墻裝配方法，特點是采用等邊心距法，根據(jù)分割的各個小曲面塊確定與曲面塊相對應(yīng)的平面塊尺寸，保證了下料沖壓后的平面塊做成相對應(yīng)的曲面塊時，與設(shè)計的曲面塊非常吻合，從而能保證組裝成的金屬幕墻各曲面塊之間接縫整齊、曲面紋路平滑。
以下以一橢球面金屬幕墻的實施例來說明本發(fā)明。
步驟一，可以采用各種軟件，首先設(shè)計金屬幕墻的空間立體形狀，球面、橢球面或是拋物面等雙曲面形狀，本實例設(shè)計的空間立體形狀如圖4所示。
步驟二，將設(shè)計好的金屬幕墻的立體形狀按經(jīng)線和緯線全部分割成曲面塊，分割的曲面塊大小根據(jù)設(shè)計要求確定。一般應(yīng)盡可能的小，這樣分割的曲面塊多，制作后的曲面塊更加平滑，但要保證材料加工的方便。如果在組裝后的曲面塊之間需要縫隙，可將分割后的曲面塊各邊內(nèi)縮一個縫隙寬度的二分之一。
圖4實例中，顯示的分割的四塊曲面塊，橢球面的兩個水平軸半徑分別為100和120，垂直軸半徑為100，所取曲面塊的參數(shù)如表1。
表1曲面塊參數(shù)

步驟三，根據(jù)上述分割的各個曲面塊設(shè)計與曲面塊相對應(yīng)的平面塊。
a.首先在分割的曲面塊上找中心點P。
在分割下來的曲面塊上，取經(jīng)線沿縱軸方向長度的一半，與上下高度平均值的交點為中心點P。
由于平面金屬材料有一定厚度和重量，比較合理的中心點應(yīng)該是平面形狀的重心，但是在對曲面展開前平面形狀是未知的，而經(jīng)緯分割一般使分割的曲面塊上下大小不一(跨越球面，橢球面的零緯度的曲面塊上下大小相等或近似)，中心點的確定應(yīng)當(dāng)取偏向大的一側(cè)，可以使中心點在上下方向接近重心位置。在左右方向上，因為經(jīng)緯分割法引起的左右大小沒有明顯不同，中心點可取左右緯度的平均值。為了方便，如圖2所示，可取經(jīng)線EF沿縱軸方向的長度的一半，這樣，由于曲面彎曲，曲面的上下部分傾斜程度不一樣，取上下高度的平均得到的中心點在重心附近，該中心點的確定方法簡單易行。
b.計算中心點P到曲面塊各邊緣點的曲面距離，確定各邊緣點對應(yīng)的二面角。
在曲面上過中心點P作曲面法線PQ，如圖1所示。曲面方程F(x，y，z)＝0在三維坐標的三個軸方向的偏導(dǎo)數(shù)構(gòu)成的向量(Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)x)為法線PQ的方向向量。直線PQ的點法式方程為x-xpFx|p=y-ypFy|p=z-zpFz|p]]>其中(xp，yp，zp)為P點坐標，(Fx|p，F(xiàn)y|p，F(xiàn)z|p)為向量(Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z)在P點的值。
過直線PQ作平面PQME和曲面ABCD相交，得相慣線PE，計算出PE的曲線長度，以此確定平面上對應(yīng)PE間的直線距離。
平面PQME繞PQ轉(zhuǎn)動至PQNA位置得交線PA，計算出PA的曲線長度，以此確定平面上對應(yīng)PA的直線距離。圖1b中夾角EPA為圖1a中平面PQME與PQNA所確定的二面角，這樣用長度和角度可以確定A點在平面上的位置。
同理，平面PQME繞PQ轉(zhuǎn)動一周，在不同的位置得到不同的平面，從而得到不同的空間曲線。以這些曲線的長度作為平面上對應(yīng)點到中心點的距離，角度的確定都和平面的原始位置PQME所夾的二面角相對應(yīng)。這樣，得到曲面展開后的平面輪廓圖如圖1b。理論上，需要把曲面邊界上的每一點與中心點P之間的曲線長度計算出來，才能得到準確的平面形狀，在實際工程中可以按照一定的精度要求取一些離散點來實現(xiàn)。
如圖1a中的空間曲線1，2，3，都是曲面塊與旋轉(zhuǎn)平面在不同位置的交線。在平面轉(zhuǎn)動一周的過程中每一個位置都需要求取其方程表達式，用來計算所得空間曲線的長度。下面舉例說明求取平面PQME方程表達式的過程。
因為曲面已知，邊界點已知，所以E點已知。設(shè)E點坐標為(xe，ye，ze)，則平面PQME的法向量由向量(Fx|p，F(xiàn)y|p，F(xiàn)z|p)和向量(xe-xp，ye-yp，ze-zp)叉乘(積)得到。即平面PQME的法向量為((Fx|p,Fy|p,Fz|p)×(xe-xp,ye-yp,ze-zp)]]>=ijkFx|pFy|pFz|pxe-xpye-ypze-zp]]>平面PQME過P點(xp，yp，zp)，則平面PQME的點法式方程表示為 [(ze-zp)Fx|p-(xe-xp)Fz|p](y-yp)+[(xe-xp)Fy|p-(ye-yp)Fx|p](z-zp)＝0再由PQME平面方程和曲面方程F(x，y，z)＝0聯(lián)立確定曲線PE，計算PE的曲線長度，作為展開平面上PE間的直線距離，如圖1b。
計算二面角的公式如下設(shè)兩平面的法向量分別為(a1，b1，c1)，(a2，b2，c2)則兩平面的二面角的余弦值 曲面與平面相交所得空間曲線的長度，如圖1a中的曲線1，2，3。引入空間直角坐標系后，曲線方程由曲面方程和平面方程共同確定，求空間曲線長度的積分表達式非常復(fù)雜，很難直接求解，本發(fā)明采用了曲線分段擬合的方法。
因為所求空間曲線是由平面和曲面相交所得，所以曲線在空間共面。因此，可用分段逼近擬合的方法，把三維問題轉(zhuǎn)化為平面問題。即把所求曲線段分成若干小段，對于每一小段，先求出此小段的中間點后，用過中間點和此小段兩端點的圓弧段(或拋物線段)的長度擬合此小段曲線長度，然后把每小段的擬合結(jié)果相加，這樣可以得到要求解曲線的長度。具體方法如圖3所示。
設(shè)曲線ABC(粗線)為所要求解曲線的其中一小段。B點為直線AC的中垂線與曲線ABC的交點，過A，B，C三點做三角形ABC的外接圓O，因為A，B，C點確定，所以h和d長度已知。設(shè)圓弧段ABC長為L，則有如下關(guān)系tanθ2＝d/2hθ2＝arctan(d/2h)θ1＝2[π-2arctan(d/2h)]
AB=h2+d2/4]]>r2＝AB2+r2-2r×ABcosθ2l＝r×θ1由上述表達式可求得l＝(4h2+d2)(π-2arctan(d/2h))/4h，其中，d為此小段兩端點直線距離，h為AC中點到B點的距離。
c.確定與分割的曲面塊相對應(yīng)的平面塊的尺寸和形狀；以上述得到的中心點P到曲面塊各邊緣點的曲面距離，作為平面塊中心點到各對應(yīng)邊緣點的直線距離，以上述得到的二面角確定各邊緣點的位置，確定平面塊的尺寸和形狀。
如圖1所示，按經(jīng)緯線分割后的一塊曲面塊如圖1a的曲面塊ABCD所示。其中AB和DC為曲面的經(jīng)線，AD和BC為曲面的緯線。以曲面塊上所有的點到中心點P的距離作為平面塊上對應(yīng)點到中心點P的距離來確定平面塊，比如圖1b，平面ABCD中，直線EP，AP，BP分別取ABCD曲面塊中EP，AP，BP的長度，這就是等邊心距法的規(guī)則。而點E、A、B的位置，則由計算出的二面角來確定。
本發(fā)明所示的圖4實施例展開的平面塊如圖5所示。
步驟四，根據(jù)確定的各個平面塊的尺寸、形狀，在平面板材上下料。
使用通用的金屬剪切設(shè)備或切割設(shè)備在平面板材上切下相應(yīng)尺寸和形狀的各個平面塊。
步驟五，將上述各平面塊沖壓變形，做成與各平面塊對應(yīng)的曲面塊。
使用通用沖壓機械設(shè)備和模胎，將每一個平面塊沖壓成與之對應(yīng)的曲面塊形狀。
步驟六，最后將各個曲面塊組裝成步驟一設(shè)計的整體形狀。
按照設(shè)計曲面的經(jīng)緯分割在建筑物外墻上劃出經(jīng)緯分割線，然后將上述曲面塊以經(jīng)緯分割線為基準使用專用膠粘貼固定到建筑物外墻上。
步驟四、五、六都是常規(guī)的技術(shù)即可完成。
本發(fā)明將各個曲面塊根據(jù)等邊心距法來確定平面塊的尺寸和形狀，其步驟之一是確定中心點P的位置，而曲面塊中心位置相對于平面重心的偏差對平面塊尺寸的影響不大，以下以圖6的測試曲面塊為例予以說明。
4個曲面塊的數(shù)據(jù)如表2所示。
表2曲面塊數(shù)據(jù)

在曲面塊1的平面展開中，分別取三個不同的中心位置(十字符號表示中心位置)，三個展開平面及它們的重合情況如圖7所示。重合圖四個角旁邊的數(shù)字表示它們的坐標值。曲面塊2的不同中心點的平面展開圖和它們的重合圖如圖8所示；曲面塊3的不同中心點的平面展開圖和它們的重合圖如圖9所示；曲面塊4的不同中心點的平面展開圖和它們的重合圖如圖10所示。
上述測試結(jié)果表明，中心點的偏差對平面展開結(jié)果的影響很微小，按照本發(fā)明的方法確定中心點、即而確定平面塊尺寸的方法，完全可以保證平面塊再加工成曲面塊時的相吻合程度，并進一步保證了裝配成整體時的接縫整齊、曲面平滑的要求。
權(quán)利要求
1.一種雙曲面金屬幕墻的裝配方法，其特征在于，該方法按以下步驟進行步驟一，首先設(shè)計金屬幕墻的空間立體形狀；步驟二，將上述設(shè)計好的立體形狀按經(jīng)線和緯線全部分割成曲面塊；步驟三，根據(jù)上述分割的各個曲面塊設(shè)計與曲面塊相對應(yīng)的平面塊；步驟四，根據(jù)上述設(shè)計的各平面塊在平面板材上下料；步驟五，將上述各平面塊沖壓制做成與之對應(yīng)的曲面塊；步驟六，最后將上述做成的各個曲面塊組裝成步驟一設(shè)計的整體形狀。
2.按照權(quán)利要求1所述的裝配方法，其特征在于，所述步驟三中，設(shè)計與曲面塊相對應(yīng)的平面塊是采用以下方法a.首先在分割的曲面塊上找中心點P；在曲面塊上，取經(jīng)線沿縱軸方向長度的一半，與上下高度平均值的交點為中心點P；b.計算中心點P到曲面塊各邊緣點的曲面距離，確定各邊緣點對應(yīng)的二面角；c.確定與分割的曲面塊相對應(yīng)的平面塊的尺寸和形狀；以上述得到的中心點P到曲面塊各邊緣點的曲面距離，作為平面塊中心點到各對應(yīng)邊緣點的直線距離，以上述得到的二面角確定各邊緣點的位置，以此來確定平面塊的尺寸和形狀。
3.按照權(quán)利要求2所述的裝配方法，其特征在于，所述步驟b中，計算中心點P到曲面塊各邊緣點的曲面距離采用曲線分段擬合的方法，把所求曲線段分成若干小段，對于每一小段，先求出此小段的中間點，用過中間點和此小段兩端點的圓弧段或拋物線段的長度擬合此小段曲線長度，然后把每小段的擬合結(jié)果相加。
4.按照權(quán)利要求2所述的裝配方法，其特征在于，所述步驟b中，確定各邊緣點對應(yīng)的二面角是采用以下方法設(shè)兩平面的法向量分別為(a1，b1，c1)，(a2，b2，c2)則兩平面的二面角的余弦值為
全文摘要
本發(fā)明公開的一種雙曲面金屬幕墻的裝配方法，首先設(shè)計金屬幕墻的空間立體形狀；將上述設(shè)計好的立體形狀按經(jīng)線和緯線全部分割成曲面塊；根據(jù)上述分割的各個曲面塊設(shè)計與曲面塊相對應(yīng)的平面塊；根據(jù)上述設(shè)計的各平面塊在平面板材上下料；沖壓將上述各平面塊做成與之對應(yīng)的曲面塊；最后將各個曲面塊組裝成設(shè)計的整體形狀。本發(fā)明將各個曲面塊根據(jù)等邊心距法來確定平面塊的尺寸，完全可以保證平面塊再加工成曲面塊時與對應(yīng)曲面塊的相吻合，并進一步保證了裝配成整體時，金屬幕墻各曲面塊之間接縫整齊、曲面平滑的技術(shù)要求。
文檔編號E04B2/88GK101041982SQ20071001766
公開日2007年9月26日 申請日期2007年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月11日
發(fā)明者馬炫, 張亞龍 申請人:西安理工大學(xué)