空间网格钢结构球体节点定位装置研究★

苗莉娟 孙海峰

(1.浙江建设职业技术学院，浙江 杭州 311231； 2.天颂建设集团有限公司，浙江 温岭 317500)

空间网格钢结构近年来在大跨度公共建筑中得到了广泛应用，其中的代表性建筑有国家游泳中心“水立方”和北京首都国际机场航站楼“T3A”等。正在施工中的北京大兴区的新机场航站楼屋面也是采用了空间网格钢结构。空间网格钢结构由钢管和钢球组成，钢管在钢球处交汇。钢球的安装定位是空间网格钢结构安装中重要的工作之一。现有的钢球定位操作方法测设精度低，操作时间长。本研究开发的一种空间网格钢结构球体节点定位装置，操作简单，定位速度快，定位精度高，能显著提高施工效率。

1 空间网格钢结构球体节点定位装置的构造

图1,图2分别是球节点定位装置[1]的结构示意图和剖面图，为表达清楚内部构造，图中护筒上方的盖板没有显示。该定位装置由以下27个零部件组成：1扣件，2基座托架，3脚螺旋，4基座板，5球关节，6连接螺旋，7滑槽块，8小立管底盘，9小立管，10中间套管，11外侧套管，12制动环A，13制动环B，14圆水准器，15护筒，16盖板，17定位块，18刻度尺，19螺杆，20锥形齿轮A，21锥形齿轮B，22定位杆，23三角形支架，24制动螺旋A，25制动螺旋B，26卡槽A，27卡槽B。

球节点定位装置由上下两部分组成。下部为基座部分，其主要功能是与脚手架固定并使定位装置水平放置；上部为支架部分，其主要功能是球心三维坐标的测设定位操作。

下部基座部分由零件1～7组成。扣件的构造与施工现场的脚手架扣件[2]完全相同。通过扣件把装置与脚手架相连，转动脚螺旋使圆水准器的气泡居中，从而保证基座板水平。连接螺旋能沿滑槽块平动，滑槽块固定在基座板底面并能绕滑槽块一端转动。

上部定位调整部分由其余零件组成。小立管外侧依次为中间套管、外侧套管。小立管外壁有螺纹，中间套管内壁有螺纹，二者螺纹咬合。外侧套管内外壁均无螺纹。中间套管和外侧套管下部端面有齿牙，制动环A和制动环B上部端面有齿牙。中间套管外壁有卡槽A，制动螺旋A置于卡槽A上部并拧紧时，外侧套管与中间套管之间无相对运动；小立管外壁有卡槽B，制动螺旋B置于卡槽B上部并拧紧时，中间套管与小立管之间无相对运动。中间套管与锥形齿轮、定位杆连接为一体；外侧套管与三角形支架连接为一体；螺杆一端与锥形齿轮连接为一体；另一端嵌入三角形支架。

2 空间网格钢结构球体节点定位装置的设计原理

钢球定位装置的设计原理：由三个定位块组成一个等边三角形，等边三角形的中心与定位杆的轴心重合，由定位杆顶端和三个定位块顶端共四点来确定一个钢球的空间位置。定位杆顶端作为钢球的定位坐标控制点，由三个组成等边三角形的定位块来保证钢球球心与定位杆轴心重合。图3为球节点定位装置的工作原理示意图，图3a)为平面示意图，图3b)为立面示意图。

在使用该装置进行球心定位时，把定位杆的顶端作为该装置的测设点，测设点的理论三维坐标为(X,Y,Z-R，其中X,Y,Z为球心坐标，R为球半径)。把钢球放到三个定位块上面，由于重力作用，钢球会自动滚动到三个定位块的中间位置。

3 空间网格钢结构球体节点定位装置的操作

钢球定位装置的操作方法如下(假定球心坐标为X,Y,Z，球半径为R)：

1)初步定位：把扣件固定于脚手架的钢管上，把定位杆顶端作为该装置的测设点，测设点的理论三维坐标为(X,Y,Z-R)。此时该装置的初步定位位置与最终理论测设位置偏差不应超过100 mm。

2)拧紧连接螺旋，使小立管底盘和基座板完全贴合。再旋转脚螺旋，使圆水准器水泡居中。

3)用现场测量仪器先找到测设坐标(X,Y,(Z-R))，然后通过连接螺旋调整小立管底盘的位置，使定位杆顶端水平坐标为(X,Y)。

4)把制动环A向上推，使制动环A上端的齿牙与外侧套管下端的齿牙咬合，然后把制动螺旋A的螺杆拧入卡槽A。

5)转动三角形支架，等定位杆顶部的Z向坐标为(Z-R)时停止转动。

6)把制动环B向上推，其上端与中间套管的齿牙咬合，然后把制动螺旋B的螺杆拧入卡槽B，放松制动螺旋A。

7)转动三角形支架，待定位块移至钢球直径刻度标记点时停止转动，拧紧制动螺旋A。

8)吊装钢球至定位杆顶部就位。至此完成一个钢球的定位工作。

4 空间网格钢结构球体节点定位装置的特点及应用

钢球节点定位装置具有以下特点：

1)操作简单，定位速度快，定位精度高，适用于任何直径的钢球。

2)该装置采用钢材制作，操作不受天气影响，避免了现场使用线锤由于风吹导致摆动影响定位精度。

项目研究成果取得了多家钢结构施工单位的认可，并通过国家专利[1]。下一步要进行的是委托机械制作单位进行模型的实际制作并推向市场。在制作之前还需对模型进一步深化。