简述一种双螺旋钢结构雕塑的设计与加工
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摘 要 智慧之光雕塑为南京九龙湖清华启迪科技园内的核心雕塑，由24根不等宽扁钢螺旋上升，整体呈上大下小形态，总高12.6米。该雕塑的制作难度在于辅助支撑结构少，厚扁钢双曲面成型。本片文章介绍了智慧之光雕塑通过借助三维计算机软件建模，等离子数控切割机，多层成型，塞焊等方法设计、制作的整个过程;并通过有限元分析，确定了结构的合理性。
关键词 城市雕塑;扁钢;双螺旋;多层成形;塞焊;等离子数控切割;有限元
左：智慧之光雕塑效果图 右：项目完成图
引言
城市雕塑产品是艺术制像类产品领域中的一部分。近年来，城市雕塑产品的艺术形态既要充分展示出艺术的张力，更要能体现出现代化科技元素。本文所述的智慧之光雕塑极具代表性，外形为24根双螺旋扁钢，线条流畅、动感十足，酷似一道龙卷风，势要在科技园区内卷起科技与智慧的风暴。该雕塑要求结构设计时尽量减少内部支撑结构，避免破坏其原来的形态效果，在结构设计与制作方面该雕塑都是一项挑战。
1 参数化建模
在正向设计过程中，模型的建立速度是决定整个产品开发效率的关键，参数化设计为雕塑建模过程提供了可追溯性，在需要进行修改时可方便回到设计过程的任意步骤进行修改，该雕塑三维设计采用常用的正向建模软件进行建模。
在建模时首先要把雕塑的腰身草图确定下来，采用垂直高度距离0.9米的点，共15个点，来控制腰身样条曲线，通过调整修改控制点与中心线的距离使得连接各点形成的样条曲线变得顺畅自然。接下来采用曲面建模：样条曲线曲面旋转形成曲面a，控制一圈半的螺旋线曲面扫描形成曲面b，对曲面a等距2厘米形成曲面c，曲面b圆周旋转8度形成曲面d，再做底平面与平面进行封口，通过曲面裁剪闭合实体，使曲面模型生成实体模型，得到一根双曲面螺旋的扁钢形状。整体再通过两次圆周旋转生成最终效果，并得到业主方认可。其中，24根扁钢分为两组，每组占圆周153度角，每组中扁钢宽度占8度角，缝隙约占5.18度;两组之间缝隙为27度[1]。
2 结构设计
结构设计要考虑雕塑的安全性，抗自重与风载荷的性能。该雕塑的结构设计包含雕塑内部支撑结构布置、外形扁钢的厚度确定及预埋件设计。
雕塑外观只有是24根不等宽的扁钢螺旋盘旋而上，外形扁钢对整体结构起到一定的支撑作用。每根扁钢宽度占为圆周角度8度，设计扁钢厚度为2厘米。结构设计时在雕塑高度方向每隔1.5米内部焊接一个宽度5厘米，厚度2厘米的环形扁钢，在每层扁钢之间采用四道钢丝绳交错牵引。这样把分离的24根螺旋线通过扁钢圆环连接为一个整体，并通过内部钢丝绳对整体进行加固。
该雕塑底部制作直径1.9米厚4厘米的圆形钢板，在直径1.7米处圆周均布8个?30的径向腰孔。同样在1米深混凝土浇筑的安装平台上预埋M24的地脚螺栓，直径1.7米，周向均布8个[2]。
3 有限元分析
该雕塑所有结构材料均采用普通碳素结构钢Q235B，经计算雕塑总重5.8吨。在有限元分析中，赋予模型Q235B的材料性质。完全约束雕塑底板;加重力加速度g与风压载荷。
载荷：重力加速度g= 9.8m/s^2;风载荷为3.5kn/m^2。
得出应力最大值为75mpa<205mpa，最大位移：52mm/12600<1/200。因此结构满足设计要求。
4 制作生产
在生产过程中，我们有考虑过以下几种方法，根据分公司产品制作情况，该雕塑的制作也考虑了铸造和钣金两种方法。经分析，铸造制模、翻模周期较长，铸造出来后避免不了气孔、欠铸等表面缺陷。而采用钣金制作，通过现成的热轧钢板等离子切割制作，既能保证表面品质，又能保证线条顺畅。在钣金制作的方法上有考虑到无模成形与卷板机成形。借鉴北京鸟巢钢构的制作，无模成形的方法明显是最理想的制作方法，但由于生产设备限制，最终采用普通卷板机卷板成形后再人工修整的方式制作。
4.1 空间双曲面的展开
对于双曲面螺旋不等径、不等宽的扁钢采用现有的设备制作难度非常大。因扁钢在进行板厚方向的弯曲是可以实现的;但在宽度方向进行弯曲，并且平面还不被破坏的情况下几乎是不可能的。所以首先考虑到的就是如何将空间螺旋双曲面，展开成为平面。得到展开为平面的平面曲线，就可以仅进行厚度方向的弯曲并控制好折弯角度就能自動形成空间螺旋曲面。
经研究发现，在三维软件里面具有钣金建模功能。利用之前建好的模型，通过钣金功能里面的放样折弯，把实体模型转换为钣金模型，钣金模型的主要特点就是具有可展开性。通过这一特性，成功获取了空间双曲面展开为平面后的平面曲线。
4.2 工装件制作
在双曲面扁钢制作前，需要制作特制工装件的用于扁钢制作安装的依附。每0.5米高截取雕塑直径，制作圆形定位板，由中心轴串起来，调整轴的垂直度，一方面是轴投影到地面的直线度，另一方面是通过全站仪测量轴的水平度，在这两个平面内把轴的整体直线度调整在1厘米以内，通过全站仪将24根螺旋线在不同高度圆盘上的位置做上标记。
4.3 空间螺旋扁钢成形
对等离子数控切割机所切割的平面展开扁钢进行卷板弯曲。卷板时，卷板机给的压力大小决定了扁钢成型后螺旋直径的大小，送入角度决定了螺旋高度，送入角度以扁钢底端线与卷板机轴垂直为宜。卷板机压力与工件送入角度均需要多次试验尝试方可控制成形得到的螺旋扁钢与工装件的依附程度及与标记位置的准确度。
经试验尝试，最终发现直接用2厘米厚的钢板卷板，因厚度太后，初次卷板成型后很难进行人工的矫正;而8毫米厚的钢板卷板机进行卷板后进行人工矫正是可行的，因此采用了6mm、8mm、6mm三层厚度的钢板成型后进行塞焊。这种多层成形的制作方式达到了同样的效果。
在制作过程中采用U型扣与楔子装夹固定卷板成形后的钢板，塞焊间距沿卷板扭曲方向30厘米一个直径2厘米塞焊孔，三层钢板中间层8毫米内外侧为6毫米钢板，其中中间层比内外侧钢板两边各窄4毫米，通过满焊填平缝隙。
5 结束语
该雕塑是制像类产品完全正向设计的首例。在设计过程中采用参数化建模，快速有效地将产品的三维形态展现于客户面前;应用了钣金展开性对非一般的钣金产品进行展开，大大解决生产制作难度;对整体结构进行了有限元分析，保证结构设计的合理优化;在厚钢板成形后难以矫正时，采用了塞焊、多层成形的方法。要在业主要求仅两个月的制作周期里圆满交付产品，离不开这些新技术与新工艺。正向设计能充分发挥设计人员的主观创造性，对于产品的创新改进很有帮助。
参考文献
[1] 董西军.基于SolidWorks的参数化设计[J].机械制造与自动化，2007，
（2）：26-27.
[2] 戴春来.参数化设计理论的研究[D].南京：南京航空航天大学，2002.
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