一种装配式UHPC薄壳设计与施工方法技术

本发明专利技术公开了一种装配式UHPC薄壳设计与施工方法，通过一个模具制造多个薄壳单元。采用工厂预制、现场装配的方式，可多次重复组装。本发明专利技术的技术特点包括：(1)由多个UHPC薄壳单元组合成具有空间围合感的室外构筑物，且具有多种组合方式。(2)采用数控热线切割机床制作EPS塑料正形单面模具，表面光滑。(3)基于正形模具，采用喷射工艺制造混凝土负形单面模具。(4)基于负形模具，采用喷射工艺制造UHPC薄壳单元。(5)施工现场地面设金属连接件，与薄壳单元边缘的金属连接件固定，以便于现场装配。本发明专利技术只需一个较小模具就能建造一个较大的薄壳结构，并且薄壳单元之间有多种组合方式。

Design and construction method of assembled UHPC shell

【技术实现步骤摘要】
一种装配式UHPC薄壳设计与施工方法
本专利技术属于建筑工程领域，尤其涉及一种装配式UHPC薄壳设计与施工方法。
技术介绍
薄壳结构的建造一般采用现场浇筑的施工方式，所需的模具面积大，且呈曲面形状。浇筑工艺要求模具有较高的强度与精度，一般采用木材来制作。由于每个工程项目所需的模具都不同，所以模具无法重复使用。在当前的工艺条件下，模具的材料成本与制作成本较高，一次性的使用方式造成了资源浪费。在薄壳工程项目中，先由建筑师进行薄壳的形状设计，随后由结构工程师进行力学验算，最后由材料技术供应商、施工方来建造薄壳。目前，前期的形状设计与后期的施工环节容易脱节，导致建筑师很难控制施工细节，因此无法在外形设计阶段有效地控制薄壳最终的形状与品质。薄壳结构适合用超高性能混凝土，简称UHPC(Ultra-HighPerformanceConcrete)。UHPC的致密度、抗压强度、耐腐蚀等方面都优于普通混凝土，因此在工程领域有了广泛的应用。UHPC材料的典型性能：抗压强度120-180Mpa，弹性模量37-55Gpa，极限抗弯强度18-35Mpa。现有喷射工艺预制混凝土制品需3个步骤：制作正形单面模具，用正形模具制作负形单面模具，然后采用喷射混凝土制作最终的产品。其中，正形模具要求精度高，原材料多采用木材或高强度EPS塑料，一般采用数控机床铣削的加工方式。铣削加工所需的时间长，最终模具的表面较为粗糙，需要额外抛光处理。
技术实现思路
专利技术目的：针对一次性模具造成资源浪费、铣削加工正形单面模具的加工时间长、模具表面粗糙的问题，本专利技术提出一种装配式UHPC薄壳设计与施工方法。采用一个小型模具制造一个大型的薄壳结构；采用热线切割机床切割EPS塑料正形单面模具，效率高，模具表面光滑；形成装配式UHPC薄壳的设计、制造、施工的统一工艺流程，使设计师在设计阶段能够准确地把控最终产品的几何形状。技术方案：为实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种装配式UHPC薄壳设计与施工方法，包括以下步骤：步骤1：根据UHPC薄壳单元的外形特征，进行薄壳单元形状设计，得到UHPC薄壳单元5的三维网格模型；所述薄壳单元的形状是具有一定厚度的空间曲面；步骤2：在有限元软件中导入步骤1所得到的三维模型，进行形变与受力的分析；所需要分析的受力数据包括：压力、弯矩、剪力；如果形变与受力数据超出UHPC材料的性能，返回步骤1调整薄壳单元的三维形状或增加厚度，直到形变与受力数据在UHPC材料能承受的范围内，进入步骤3；步骤3：选择薄壳单元三维模型的内表面或外表面作为基准面，采用数控热线切割机床制作EPS塑料正形单面模具1，最终的EPS塑料正形单面模具1的表面形状与选择的基准面的形状一致；步骤4：在制作完成的EPS塑料正形单面模具1表面上喷射混凝土，制作混凝土负形单面模具3；步骤5：在混凝土负形单面模具3上涂刷模具漆，然后在该模具上喷射t层UHPC，总厚度为L，制作UHPC薄壳单元5；步骤6：根据所述步骤1-5制作n个UHPC薄壳单元5，使用制作完成的n个UHPC薄壳单元5进行现场装配。进一步，步骤1所述UHPC薄壳单元的外形特征包括：(1)所有用于装配的薄壳单元都具有相同的几何形状，由同一个模具制作；(2)薄壳单元的平面投影形状在一个直角等腰三角形ABC之内；(3)薄壳单元的最低点在A点处，边BC对应薄壳单元的最高处；(4)薄壳单元的三维形状关于AD轴线对称，D点为边BC的中点；(5)薄壳单元沿边AB或AC与另一个薄壳单元相连。进一步，所述薄壳单元的最小规模的组合方式为，两片薄壳沿着边BC对称分布，形成最小的稳定结构，其平面投影是一个边长等于AB的正方形；所述薄壳单元的厚度遵循下部厚、上部薄的规律；下部的薄壳厚度为AB边长的1％-2.5％，顶部的薄壳厚度为AB边长的0.5％-1％；薄壳下部到薄壳顶部的厚度从厚到薄均匀变化；所述薄壳单元具有内外表面，一面光滑，另一面相对粗糙；根据实际需求选择外表面或内表面为光滑面；所述薄壳单元三维模型文件格式包括dwg,dxf,obj,stl。进一步，步骤3所述采用数控热线切割机床制作EPS塑料正形单面模具1，步骤如下：3-1，根据机床的最大加工幅面以及EPS塑料块的尺寸对EPS塑料正形单面模具1进行分块，确定所需加工的EPS塑料块数量m；3-2，根据薄壳单元三维模型及EPS塑料正形单面模具1分块结果，生成用于数控热线切割机床加工的机器代码文件；3-3，数控热线切割机床读取加工文件，分别加工每一个EPS塑料块；3-4，所有的EPS塑料块加工完成后，放置在一个水平面上，将所有EPS塑料块拼装成完整的EPS塑料正形单面模具1。进一步，步骤3-1所述根据机床的最大加工幅面以及EPS塑料块的尺寸对EPS塑料正形单面模具1进行分块，分块的步骤为：(1)将薄壳单元的三维形状沿着边BC旋转，使整个形状的最高点与最低点之间的差值最小，将该差值记为h；需要加工的基准面朝向上方，同时确定EPS塑料块的厚度为h+x；(2)选择用于加工的EPS塑料块，每一个EPS塑料块对应的加工面不得超过热线切割机床的最大加工幅面，若超过机床的最大加工幅面，对该EPS塑料块进行分块，直到满足机床的最大加工幅面；(3)将EPS塑料块沿着边BC方向与轴线AD方向密布，所有EPS塑料块完整地包含整个薄壳单元的三维形状，确定所需加工的EPS塑料块数量m。进一步，步骤4所述制作混凝土负形单面模具3，步骤如下：4-1，在制作完成的EPS塑料正形单面模具1表面涂刷模具漆；4-2，在EPS塑料正形单面模具1的边缘处铺设连续的薄木板2；4-3，在EPS塑料正形单面模具1表面上喷射混凝土，将薄木板2覆盖在内；混凝土负形单面模具3包括边缘处连续的薄木板2；在喷射的过程中预埋金属支架4，用于混凝土负形单面模具3的移动和固定；4-4，当混凝土负形单面模具3硬化之后，使用工具提拉模具上的金属支架4，使混凝土负形单面模具3与EPS塑料正形单面模具1分离；将混凝土负形单面模具3的正面朝上，金属支架4朝下放置在地面上。进一步，步骤5所述在混凝土负形单面模具3上涂刷模具漆，然后在该模具上喷射t层UHPC，总厚度为L，制作UHPC薄壳单元5；步骤如下：(1)在混凝土负形单面模具3表面预埋一定数量的金属连接件7，用于后续现场安装；(2)在模具上喷射一层UHPC，喷射厚度为总厚度L的p％；在喷射过程中预埋一定数量的吊装件6，用于移动薄壳单元；(3)重复执行步骤(2)，直至喷射完成t层UHPC，薄壳的实际厚度与总厚度L一致；(4)喷射完成后立刻进行人工抹平，需要分别抹平UHPC与薄木板2、吊装件6、金属连接件7的交接处；(5)当UHPC薄壳单元5硬化之后，使用工具提拉薄壳单元上的预埋吊装件6，使薄壳单元与模具分离。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种装配式UHPC薄壳设计与施工方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：/n步骤1：根据UHPC薄壳单元的外形特征，进行薄壳单元形状设计，得到UHPC薄壳单元(5)的三维网格模型；所述薄壳单元的形状是具有一定厚度的空间曲面；/n步骤2：在有限元软件中导入步骤1所得到的三维模型，进行形变与受力的分析；所需要分析的受力数据包括：压力、弯矩、剪力；/n如果形变与受力数据超出UHPC材料的性能，返回步骤1调整薄壳单元的三维形状或增加厚度，直到形变与受力数据在UHPC材料能承受的范围内，进入步骤3；/n步骤3：选择薄壳单元三维模型的内表面或外表面作为基准面，采用数控热线切割机床制作EPS塑料正形单面模具(1)，最终的EPS塑料正形单面模具(1)的表面形状与选择的基准面的形状一致；/n步骤4：在制作完成的EPS塑料正形单面模具(1)表面上喷射混凝土，制作混凝土负形单面模具(3)；/n步骤5：在混凝土负形单面模具(3)上涂刷模具漆，然后在该模具上喷射t层UHPC，总厚度为L，制作UHPC薄壳单元(5)；/n步骤6：根据所述步骤1-5制作n个UHPC薄壳单元(5)，使用制作完成的n个UHPC薄壳单元(5)进行现场装配。/n...

【技术特征摘要】
1.一种装配式UHPC薄壳设计与施工方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1：根据UHPC薄壳单元的外形特征，进行薄壳单元形状设计，得到UHPC薄壳单元(5)的三维网格模型；所述薄壳单元的形状是具有一定厚度的空间曲面；
步骤2：在有限元软件中导入步骤1所得到的三维模型，进行形变与受力的分析；所需要分析的受力数据包括：压力、弯矩、剪力；
如果形变与受力数据超出UHPC材料的性能，返回步骤1调整薄壳单元的三维形状或增加厚度，直到形变与受力数据在UHPC材料能承受的范围内，进入步骤3；
步骤3：选择薄壳单元三维模型的内表面或外表面作为基准面，采用数控热线切割机床制作EPS塑料正形单面模具(1)，最终的EPS塑料正形单面模具(1)的表面形状与选择的基准面的形状一致；
步骤4：在制作完成的EPS塑料正形单面模具(1)表面上喷射混凝土，制作混凝土负形单面模具(3)；
步骤5：在混凝土负形单面模具(3)上涂刷模具漆，然后在该模具上喷射t层UHPC，总厚度为L，制作UHPC薄壳单元(5)；
步骤6：根据所述步骤1-5制作n个UHPC薄壳单元(5)，使用制作完成的n个UHPC薄壳单元(5)进行现场装配。


2.根据权利要求1所述的一种装配式UHPC薄壳设计与施工方法，其特征在于：步骤1所述UHPC薄壳单元的外形特征包括：
(1)所有用于装配的薄壳单元都具有相同的几何形状，由同一个模具制作；
(2)薄壳单元的平面投影形状在一个直角等腰三角形ABC之内；
(3)薄壳单元的最低点在A点处，边BC对应薄壳单元的最高处；
(4)薄壳单元的三维形状关于AD轴线对称，D点为边BC的中点；
(5)薄壳单元沿边AB或AC与另一个薄壳单元相连。


3.根据权利要求2所述的一种装配式UHPC薄壳设计与施工方法，其特征在于：
所述薄壳单元的最小规模的组合方式为，两片薄壳沿着边BC对称分布，形成最小的稳定结构，其平面投影是一个边长等于AB的正方形；
所述薄壳单元的厚度遵循下部厚、上部薄的规律；下部的薄壳厚度为AB边长的1％-2.5％，顶部的薄壳厚度为AB边长的0.5％-1％；薄壳下部到薄壳顶部的厚度从厚到薄均匀变化；
所述薄壳单元具有内外表面，一面光滑，另一面相对粗糙；根据实际需求选择外表面或内表面为光滑面；所述薄壳单元三维模型文件格式包括dwg,dxf,obj,stl。


4.根据权利要求3所述的一种装配式UHPC薄壳设计与施工方法，其特征在于：步骤3所述采用数控热线切割机床制作EPS塑料正形单面模具(1)，步骤如下：
3-1，根据机床的最大加工幅面以及EPS塑料块的尺寸对EPS塑料正形单面模具(1)进行分块，确定所需加工的EPS塑料块数量m；
3-2，根据薄壳单元三维模型及EPS塑料正形单面模具(1)分块结果，生成用于数控热线切割机床加工的机器代码文件；
3-3，数控热线切割机床读取加工文件，分别加工每一个EPS塑料块；
3-4，所有的EPS塑料块加工完成后，放置在一个水平面上，将所有EPS塑料块拼装成完整的EPS塑料正形单面模具(1)。


5.根据权利要求4所述的一种装配式UHPC薄壳设计与施工方法，其特征在于：步骤3-1所述根据机床的最大加工幅面以及EPS塑...

【专利技术属性】
技术研发人员：华好，李飚，张柏洲，陈旭刚，车毓沅，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32