机械设计原理及加工在建筑幕墙工程中的应用
机械设计原理及加工在建筑幕墙工程中的应用
上海迪蒙幕墙工程技术有限公司宁波分公司总工师 周利恩
摘 要：机械设计原理及加工在建筑幕墙工程中的应用仅仅是机械应用的一个方面，其他行业都需要机械设计原理及加工的应用，任何行业都需要机械设备进行加工，有机械设备行政都需要技术改进和创新，因此都要运用机械设计原理和有关机械加工。
关键词：三维建模、建筑幕墙、BIM、有限元、杠杆原理、机器人、数控加工
一、引言
随着经济的发展和技术的提高，建筑物从单一化、简单化向多元化、复杂化发展。建筑师门为追求独特的建筑效果，不再满足于现状---有规则、整齐划一和平淡的设计，而是天马行空、奇形怪状，各种具有独特个性和标志的建筑层出不穷，在实现其使用功能的前提下体现每栋建筑物的不同个性；如各大体育场馆、机场和会展中心等大型公共建筑更是如此。而为这些建筑物做嫁衣的外围护结构----建筑幕墙的设计增加了许多不小的难度，幕墙工程的设计、定位、下单、安装施工以及维修和日常清洗，都需要借助机械设计来完成。
二、利用AutoCAD的三维建模
在建筑工程设计领域中，AutoCAD已成为设计人员的常规工具，不管是以AutoCAD为平台开发的专业软件，还是自开发图形平台的结构软件，都要使用AutoCAD完成最后成图。因此，掌握如何在AutoCAD环境下开发基于图形操作系统的工程应用软件，对于建筑幕墙工程的设计是至关重要的一步。
但是AutoCAD的二维进行幕墙设计已经过时了。许许多多建筑幕墙以逐渐凌乱倾斜、凹凸无序的艺术形式来体现，二维图纸更本无法直观表达和体现双曲面幕墙、曲面采光顶的各类信息，因此需要AutoCAD三维建模来进行构思和创造。众所周知，空间三维信息获取技术是近20年来发展起来的一门综合性的技术，它涉及到建筑学、测绘学、机械加工学，地理学、计算机科学等学科。而随着我国经济实力增强，很多有实力的公司逐渐摆脱建筑成本给他们带来的束缚，尝试着并更加张扬，唯美，更具实用性、可操作性、务实性和真实性。
为了在整个设计过程中沟通设计意图，有时同时需要实体模型和图纸二种方式，以弥补单一二维图纸不能直观体现建筑幕墙各类信息的不足；因此三维建模很快应用在建筑幕墙工程设计中。随着国内幕墙行业技术的不断发展，三维幕墙工程的实例也越来越多，运用三维建模的软件也是各不相同。以下介绍二款AutoCAD三维建模软件（三维建模Rhinoceros作简单介绍）。
（一）三维建模Rhinoceros（犀牛）软件是由美国Robert McNeel公司于1998年推出的一款基于NURBS为主的软件。Rhinoceros是最为先进的专业NURBS建模软件之一，拥有简洁操作界面和强大功能，与其它高价的3D软件相比,毫不逊色，它包含了所有的NURBS建模功能，用它建模感觉非常流畅，从设计、手绘到实际产品，或只是一个简单的构思，Rhinoceros所提供的曲面工具可以精确地制作所有用来作为渲染表现、动画、工程图、分析评估以及生产用的模型。
（二）AutoCAD应用软件ATHENA是一个完全符合使用者需要的软件包，它可以满足设计者是常设计工作的所有需要。ATHENA包含4个功能组；
1、二维设计，带有大量实用计算子程序和数据库的二维绘图界面来完成节点视图、剖面图和加工图，以及平面图和大样图。特别实用的是带有大量小型副助工具如：半成品、防水膜、隔热层、盖板和焊缝的子程序，带有72000个标准件的标准件数据库或者材料、层和块的管理工具。特优之处在于：所有的ATHENA对象都是智能化的ARX对象。
2、三维设计，多样性的三维设计功能提供了由三维节点自动生成零配件列表和施工图的可能。可用于复杂几何形状的建筑幕墙的设计，如斜屋顶幕墙、金字塔、玻璃屋顶、拐角、曲面幕墙等。为此只需将型材或型材组的轴线构成一个网架模型，型材的截取尺寸可自动计算，每个带有截取尺寸的单独构件均可列入零配件总表或施工图；包括型材几何尺寸、材料属性、设计准则或要求。三维节点可同时考虑构件组、连接形式和截取尺寸、加工方式、金属薄板、玻璃镶嵌和小配件。它们既能显示三维，也能通过任意截面进行二维显示。
3、工程设计计算，高效的静力学和机械物理学计算功能是设计计算非常好的工具；可以计算重心、面惯性矩及阻力矩、挠度、热传导阻力和隔音，还可进行热工分板和湿度分析（等温线计算），在工程设计时即可避免出现热桥。
4、金工薄板加工，ATHENA有一个功能全面的金属薄板加工子程序可应用于自动展开的金属薄板快速设计。直观的对话框用于输入薄板的基本数据和进行薄板加工，简单可控的三维视图，各种绘图数据的导入和输出。
三、BIM在建筑幕墙设计中的应用
（一）BIM技术的有关概念
BIM技术两大特点：三维可视化和4D关联数据库。BIM技术的最大优点在于将工程设计、设计审核、工程预算、工程管理等等整合到一起。
BIM建筑信息模型的定义：创建并利用数字模型工程项目进行设计、建造及运营管理的过程。
它的技术核心是一个由计算机三维模型所形成的数据库，不仅包含了建筑幕墙工程师的设计信息；而且可以容纳从设计到建成使用，甚至是使用周期终结的全过程信息，并且各种信息始终是建立在一个建筑幕墙三维模型数据库中。BIM可持续即时地提供项目设计范围、进度以及成本信息，这些信息完整可靠并且完全协调；能够在综合数字环境中保持信息不断更新并可提供访问，使得建筑师和幕墙工程有关人员以及业主可以全面清楚地了解项目进展情况，支持连续应用和实时应用，加快决策进度和提高决策质量。
BIM的结构是一个包含有数据模型和行为模型的复合结构；不但包含有几何图形及数据有关的数据模型，还包含有管理有关的行为模型，两相结合通过关联为数据赋予意义，可模拟真实世界的行为。据说采用BIM技术后，上海中心大厦在电脑里如同一部3D电影。
BIM设计的核心理念：参数化设计、构件关联性设计、参数驱动建筑幕墙形体设计、协作设计、BLM=BIM+互用+协同、BIM应用的初始阶段和高级阶段。
（二）BIM技术的应用
BIM在建筑幕墙应用分为三个阶段：设计核查：避免百万数量级的图纸错误损失；施工核查：节约造价损失可达5%多纬度助力进度管理；物业运营：全新管理模式，加速构件运输，提升商业价值。
1、第一次应用--应用BIM技术为业主进行设计核查：设计图纸的错漏碰缺评估、设计成果的建筑性能评估、设计成果的造价评估、设计缺陷的损失评估。制定正确投标策略；
2、第二次应用--应用BIM技术为业主进行建造核查：通过4D模拟进行施工方案评估、标段造价、进度款的核查、进度与实施的跟踪核查、施工缺陷的损失评估。碰撞检查、施工管理、成本管控、材料采购、进度支付、指导施工。有了BIM，我们才有了一直需要的管理支撑平台---一个可随时、快速、普遍查询到最新、最准确、最完整的6D关联工程数据库，创建、管理、共享数据，实现虚拟建造。可以快速的进行构件汇总--按楼层汇总、按立面汇总以及按不同施工区汇总；可以精细生产作业计划，大幅提升精细化管理水平；最大限度的减少二次搬运；虚拟三维总体布局，直接全面指导施工，提高协同能力，极大的提高施工质量和进度；利用BIM模型内部漫游——更提高施工安全，使得施工作业具体、形象、完整、互相关联互动、可控化。
3、第三次应用--应用BIM技术为幕墙工程交付业主作数字化管理：综合管理、外墙面板损坏管理、外墙维护和清洗管理
4、对于现有二维平面很难判断出三维空间环境下的碰撞情况，而通过BIM三维模型碰撞检查，发现设计与图纸中存在的问题；根据变更条件进行BIM维护，对设计和施工问题提前反应，避免返工与延误工期。
5、对以前材料采购是根据班组计算的计划工程量制定采购计划，责权颠倒，而施工过程无法准确、及时的获取各分项工程所需的实物材料，无法实行过程控制，材料领取仅凭经验和想象。现在运用BIM技术方案4D关联数据库能快速、准确获得施工过程中所需各种材料的实物量，随时为采购计划制定和限额领料提供及时、准确的数据支持，为各种单据的现场管理情提供审核情况；控制材料损耗，合理安排生产，降低生产成本。
6、对以前图纸审核不清楚、不明确，施工过程损耗过大；施工交底不清，不同班组采用多版图纸施工，管理混乱；项目管理人员成救火队员，延误施工进度；复杂、异型、特殊节点位置空间概念混沌，施工错误与返工现象频发。现在运用BIM技术数字化虚拟模型，在计算机中建立一个虚拟建筑幕墙；可提前反映施工难点；可进行信息化三维模型交底，确定幕墙几何尺寸、所用的材料，还可确定建筑幕墙的抗风压强度、抗震、气密、水密、变形、传热系数、材料的强度、性能、构件的造价、采购信息……；展现施工工艺流程；提高技术会议工作效率，优化施工过程管理。因此必须对整个幕墙工程周期所有信息实行全面管理，这对目前建筑幕墙工程越来越大、越来越高、形状越来越复杂，附加在幕墙工程上的信息量越来越多和越来越大的情况，掌握好、利用好和处理好这些信息，尽快消灭由于设计不当甚至是错误造成的工程损失以及加快工程进度具有很大的意义。
7、以前项目实际工支出费用，甲方已支付款项易统计，而甲方应当支付款项额度难统计；无法根据形象进度、变更图纸及时和准确获取合同规定的工程量及工程造价。而现在应用BIM技术4D关联数据库、合同和三维图形等相关要求设定相应参数快速、准确获得进度工程量；确定相关参数区域框图出价；还实现全过程短周期三算对比，月度产值核心算，月进度控制等。
8、应用BIM技术还可实行多工程统计分析、多维度统计分析、全公司统计分析，真正实现多算对比等各种高价值应用。因此BIM应用在建筑幕墙的价值是很大的：可以马上拥有快速准确获取项目数据的能力；可以马上享用BIM技术在项目管理全过程应用价值；可以大幅提升项目利润；真正实现幕墙工程基础数据信息化、自动化、智能化。
9、共享和互利：幕墙设计专业可以直接生成三维实体模型；结构专业可以依照进行计算，其他专业可以进行有关能量分析、声学分析和光学分析等；工程剖门可以进行备料和下料；预决算部门可根据其中的信息进行造价编制、产品定货；物业单位也可以用之进行可视化物业管理。
四、有限元分析在幕墙工程设计中的应用
有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域的总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。如板结构进行数值计算常用的有效方法,将平板弯曲问题简化为二维，即将复杂问题简单化。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
有限元是随着电子计算机的发展而发展起来的新的结构分析技术。在有限元未兴起以前、建筑工程往往使用经典的结构分析方法。虽然经典的结构分析方法可以得到准确的理论解，但它只适用典型的结构。超出这个范围，比如对于大量的静不定、复杂结构，它就无能为力了。有限元则不然，它对任何结构都是适用的。有限元计算分析技术实现了幕墙、钢结构产品与建筑艺术的完美结合，并优化出最佳设计方案，达到既安全、可靠稳定、又轻巧美观、大方，同时也给工程节省大量用料，降低工程造价，提高经济效益。
有限元ANSYS软件是一种应用十分广泛的通用成熟和完备的工程分析工具。它具有多种多样的分析能力，从简单的线性静态分析到复杂的非线性动态分析，除此之外还有方便用户设计的参数化设计语言和产品优化设计等附加功能。
（一）有限元分析在框支承式(构件式)的幕墙中的应用；
1、幕墙支座结构性能分析及其有限元分析模块开发意义。
幕墙支座结构分析性能主要是强度分析，运用材料力学、机械设计和钢结构设计基本原理和方法，但有许多不足和局限性。现在采用有限元方法分析幕墙支座结构性能可以取得较好的效果用，用构件式幕墙支座参数化有限元建模与分析模块的解决方案，该模块主要原理是运用ANSYS软件UIDL开发本模块专用的用户界面，运用ANSYS软件APDL实现支座结构性能参数化有限元建模和分析，该模块的主要功能是实现构件式幕墙支座参数化有限元建模、分析以及后处理工作，以期提高对该类支座结构性能分析的精度和效益。
2、幕墙构件有限元建模的有关内容
对构件式幕墙支座有限元建模的若干关键问题进行分析，以确定相关计算模型和方法。主要包括：（1）、分析用有限元法模拟螺栓联接及其预紧力方法和它们各自的特点，以确定支座中螺栓联接副有限元模型及其预紧力的施加方法；（2）、分析用有限元法模拟角焊缝连接的方法和它们各自的特点，以确定支座中角焊缝连接的有限元模型；（3）、以构件式幕墙中最常用的一种支座（基型支座）为对象，研究支座结构性能参数化有限元建模和分析实现过程及方法。包括建立几何模型、建立有限元模型、加载和求解以及后处理。
3、幕墙构件有限元建模的机械基础理论。
要进行上述分析需要了解材料的机械性能。支座结构在外界荷载的作用下，其局部区域将进入塑性变形阶段，会产生较大的变形，因此需要材料的真实应力应变关系来描述构件中的效应，以提高分析结果的准确性。
材料的工程应力应变曲线和真实应力应变曲线；要通过标准试件的机械拉伸试验原理获得。材料应力与拉伸试验拉力及截面积的关系、有关曲线的描述、各种应力的关系，以及材料的屈服极限等有关机械性能，这里不详细述说。
4、有限单元法
有限单元法是求解数理方程的一种数值方法，是将弹性理论、数学计算和计算机软件有机结合在一起的一种数值分析方法，是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具。其主要思想是：是对连续体的求解域进行单元剖分和分片近似，通过节点连接成一个整体，然后用有关函数求解域内的未知场变量，利用相关节点函数值相同条件，将原来待求场函数的无穷自由度问题，转化为求解场函数节点值的有限自由度，最后采用加权余量法，建立求解场函数节点的代数方程组或常微分方程组，并采用各种数值方法求解。
有限单元法处理问题步骤；结构离散化—位移模式选择—单元力学特性分析研究—等效节点力计算—建立整体结构平衡方程—求解未知节点位移及应力。
5、关于参数化设计
参数化设计是一种使用关键几何参数快速构造和修改几何模型的造型方法。关键几何参数包括控制形体大小尺寸和定位形体的方向矢量等。参数化技术是CAD工程的重要课题研究之一，也是新一代智能化、集成化CAD系统的核心技术之一。根据实现参数化的不同机制，参数化设计方法可分为代数法、人工智能法、直接操作法和语言方法等。
这些参数化设计方法都有一个共同特点：都使用参数来控制图形的几何形状，修改某一参数，相关部分自动调整。参数化设计方法使图形的修改变得非常容易，因此不必担心某一个几何元素是否精确，系统可以根据用户定义的约束来自动求出物体的精确模型。这样构造几何模型时可以不考虑具体的尺寸值，使得用户可以从整体的角度构造模型。
6、构件式幕墙支座中螺栓联接副的有限元模型
构件式幕墙的立挺先与钢角码连接件通过螺栓联接，后将钢角码连接件与埋设在主体结构上的预埋件螺栓联接或焊接。螺栓联接是支座各构件之间常用的联接方式之一，其有限元模型是否合理对支座有限元分析结果有相当大的影响。
螺栓联接中的预紧力，幕墙构件与钢角码连接件的螺栓联接是紧联接，因此需施加预紧力，其目的是增加连接的刚性、紧密性和防松能力。为保证联接需要的预紧力，同时又不使过载，其预紧力可根据下式确定：
FP=K·σs·A
式中：K—联接系数，受剪螺栓联接取0.10～0.20；受拉螺栓联接取0.50～0.70；
σs—螺栓材料的屈服极限，对于M12 A2—70不锈钢螺栓取σs=450MPa
A—螺检有效应力截面积
螺栓联接预紧力的模拟方法：降温法和预紧单元法。预紧单元法又有梁单元法和实体单元法。
梁单元法实质上是使用中间弹性体对被联接件在联接点处相对位移的弹性耦合。此方法较简单，适用于结构分板的重点在于结构体本身，而对于结构体之间的联接细节可忽略。实体单元法中，除忽略螺纹齿部的结构细节外，对螺栓联接较为全面的仿真，能全面反映螺栓联接在受拉、剪复合荷载时，螺栓和被联接件之间的相互作用及其效应，但模型较复杂，计算时间也较长。
7、构件式幕墙支座参数化有限元建模和分析的实现
参数化有限元建模和分析是通过结构几荷特征及结构属性等数据，快速构造和分析产品的设计方法，是实现设计、分析自动化的主要手段之一。适用于基本结构形状相同，特征和属性参数可变的系列产品建模与分析。
支座参数化有限元建模和分析实现的流程：几何建模—有限元建模—加载求解—后处理。
几何建模阶段：主要是完成支座几何模型的创建；
有限元建模阶段：主要是在上述支座几何模型的基础上，定义单元类型、定义单元实常数、定义材料属性及有限元网格的划分。
加载和求解阶段：主要包括施加荷载和边界条件、设置求解类型和相关参数、求解计算。
后处理阶段：主要是包括支座的强度分析和支座转动刚度的分析。
支座参数化有限元建模与分析模块用户界面设计在此不做详述。
8、支座参数化有限元建模与分析模块的应用
运用有限元ANSYS软件研究构件式幕墙支座构造和连接方式对支座结构性能的影响。研究表明：
（1）增加钢角码连接件厚度或增设加强肋，能有效降低钢角码连接件与预埋钢板之间角焊缝的应力，提高支座水平方向的线刚度和转动刚度，其中设置加强肋效果显更为显著。
（2）当钢角码连接件与预埋钢板采用螺栓联接时刚度略有下降；在外荷载恒荷载的作用下，当螺栓联接受剪时，联接中的挤压作用导致构件局部应力较高；采用焊接时，支座上的钢角码连接件较高应力出现在直角弯部位。此外，由于焊接的连接刚度略高，能使支座的整体刚度有相应的提高，但幅度不大。
（二）有限元分析在点支式的幕墙中的应用；
本文对点支承夹层玻璃面板的力学性能进行研究，主要研究结论和成果如下：1、通过有限元模型计算分析得知：玻璃面板的长跨与短跨之比、玻璃厚度和孔边距对玻璃面板承载后的最大挠度和应力都有较为明显影响，而PVB材料的厚度对最大挠度和应力几乎没有影响。2、提出点支承夹层玻璃面板在荷载作用下最大挠度和应力计算的修正公式。通过对比分析四点支承和六点支承夹层玻璃面板有限元模型计算结果得出：四点支承和六点支承夹层玻璃面板的最大挠度和应力随着各影响参数变化的规律是相似的；但四点支承玻璃面板长边中点的挠度和应力比六点支承玻璃面板长边中点的挠度和应力有较为明显增大。因此，规范给出的四点支承夹层玻璃面板挠度和应力计算公式可以用于六点支承夹层玻璃面板，但必须进行相应修正。3、通过有限元模型的计算分析，总结出修正系数速查表格。结合修正公式，设计者可以方便、快捷、准确地计算出六点支承夹层玻璃面板在荷载作用下的最大挠度和应力，避免建立有限元模型进行分析计算，从而有效地减少了幕墙设计者的工作量。4、通过对有关工程实例计算，验证了修正公式和修正系数速查表格可以满足实际工程计算的精度要求。
结构离散化应用在有限单元法中,将薄板（玻璃面板）离散为有限数目的板单元。这样,原来的板结构可以看成是有限个板单元的集合体。常用的板单元有三角形单元和矩形单元。将连续体转化成有限个单元的集合体,是有限元分析的关键，称为结构的离散化。
五、机械杠杆原理在幕墙工程中的应用
杠杆是一种简单机械，在力的作用下能绕着固定点转动的硬棒就是杠杆(lever)，从支点到力作用线的距离L1和L2叫做力臂，支点、阻力臂、动力臂是杠杆的三要素。杠杆不一定必须是直的，也可以是弯曲的，但必须保证是硬棒。
杠杆原理亦称“杠杆平衡条件”。要使杠杆平衡，作用在杠杆上的两个力矩（力与力臂的乘积）大小必须相等；而且这二个力的大小与它们的力臂成反比。即：动力×动力臂=阻力×阻力臂，用代数式表示为F1·L1=F2·L2。式中，F1表示动力，L1表示动力臂，F2表示阻力，L2表示阻力臂。从上式可看出，欲使杠杆达到平衡，动力臂是阻力臂的几倍，动力就是阻力的几分之一。
（一）幕墙工程中的上悬窗是机械杠杆原理的应用之一，上悬窗的滑撑中的撑杆是一种杠杆，它在开启和关闭过程中，省力杠杆、费力杠杆和等臂杠杆互为转化；开启到最大时动力F1=阻力F2，动力臂L1=阻力臂L2，此时为等臂杠杆；关闭时动力F1=0，阻力F2最大，此时为省力杠杆；而开到一半角度时动力F1>阻力F2，此时为费力杠杆。
（二）幕墙立柱是机械杠杆原理的应用之二，幕墙立柱属于拉弯构件，支点对立柱的拉力（动力F1）与幕墙施加于立柱上的恒荷载（阻力F2）相等，因此它们是属于等臂杠杆。当水平风荷载垂直作用于立柱上的应力（阻力）与立柱的抗弯曲应力（动力）相等时，又是一个等臂杠杆；当水平风荷载垂直作用于立柱上的应力（阻力）大于立柱的抗弯曲应力（动力）时，是一个省力杠杆；在幕墙工程中我们不希望省力杠杆存在和发生，因为此时幕墙结构受到破坏，立柱发生弯曲或转动。这类杠杆称为复合杠杆。
幕墙中还有许多机械杠杆原理的应用在此不再论述。
六、机械设计在曲面和斜面幕墙工程中的应用
曲面和斜面幕墙工程脚手架搭设非常困难，也无法施工，采用吊蓝施工也有相当大的难度，如宁波南部商务区奥克斯大厦南北二侧面呈X型，东西二立面其凹入角度大于30º。
需要设计一个支撑吊蓝滑轨和爬升系统，并且不能使吊蓝脱离滑轨，吊蓝二边各设有二个能沿滑轨爬升的轮子，每一边的二个轮子用钢结构三角支撑连接在一起，采用螺栓或电焊将三角支撑与吊蓝构件连接，连接必须安全可靠有效。吊蓝二边各安装一个电机，电机安装在吊蓝的构件上，与三角支撑分开，每个电机分别驱动吊蓝一边的二个轮子，这样施工人员进入吊蓝后只要开动电机，吊蓝就能向上或向下爬行。但吊蓝向上拉的缆绳不能拆，而且还必须增设向室内拉的缆绳；当然三角支撑、轮子和滑轨必须经过结构受力计算才能安装和使用。同时还需安全行政监督部门对结构设计进行安全论证和对安装验收合格后才能使用。
另一种方法是不采用电机驱动，采用电动葫芦拉升；当主体结构的外墙面向内凹时用二个电动葫芦拉升，一个向上拉，另一个同时向内拉；吊蓝需要下行时只要同时缓慢的放松二个电动葫芦缆绳，注意必须缓慢下降。当主体结构的外墙面向外凸时，二个电动葫芦一个向上拉，另一个向外拉；吊蓝需要下行时与上面相同，同时缓慢的放松二个电动葫芦缆绳；根据现场实际情况如没有必要向外拉，那向外拉的电动葫芦可不设置。这一方案要比上一方案经济、省时、省力。
当然后一种方案同样要经过专家论证和试验。
七、机器人在幕墙工程的清洗的应用
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随着机器人技术的发展，高层建筑幕墙自动化清洗成为可能。"复杂弧面幕墙清洗机器人开发"为863计划资助项目。机器人系统应用于高层幕墙清洗作业，工作条件恶劣，面向工程使用无疑要求系统具有更高的安全和可靠性。因此机器人需要好的控制系统。本文针对曲面高空作业特点，在介绍自攀爬式机器人机构组成的基础上详细介绍机器人控制硬件系统，软件系统不作介绍和说明。
自攀爬机器人方案是基于建筑物的结构特点设计的。机器人本体按功能分为攀爬机构、驱动机构、清洗机构、俯仰调节机构。机器人样机总长约3米，宽1米，高0．5米，机体由轻质铝型材制成。通过同步带传动，主框架与后箱体之间产生相对攀升运动；主驱动安装在主框架前端，辅驱动安装在主框架尾部长1000mm的两条滑动导轨之间，辅驱动可在该范围内被动滑动，以适应建筑物板面长度变化；主、辅驱动在机器人运动时与建筑物导轨相配合，通过摩擦轮提供驱动力；刷子模块可相对后箱体和主框架垂直于壁面作升降运动，并可与后箱体同步沿主框架移动；前、后俯仰支撑调节机构，其主要用于攀爬时调整机器人的姿态以适应建筑物每层板面间角度的变化，并在机器人攀爬时作为活动受力支点以改善受力。主框架底部采用船型结构，与安装在建筑物导轨上的滑动导杆形状相配合，并在前后夹持部件的协调配合下，进一步保证机器人攀爬和运动的安全。前后夹持部件结构相同，该机构动作时机器人可以牢靠地抓持滑动导杆，并机械锁死以保证机器人高空作业的安全。
机器人主要技术指标如下：最大作业高度50m；最大爬行速度200mm／s；清洗效率＞800m2／日；机器人本体重量<150Kg。
八、流体动力学（风洞试验）在幕墙工程中的应用
（一）风洞试验的目的
幕墙是建筑外围护结构,由面板和支承结构组成的结构系统；其自身平面内可承受较大的变形或相对于主体结构允许有足够的位移；但不承担主体结构荷载。由于幕墙直接暴露在大气环境中,受外部风荷载作用影响明显；因此对幕墙起控制作用的是风荷载。幕墙面板本身具有足够的承载能力,避免在风荷载作用下破碎。相关调查表明,大型现代建筑在风荷载作用下整体被破坏的例子并不多见，但幕墙局部构件被吹起而在高空坠落的例子却时有发生,严重影响到人们生命、财产安全。因此做风洞试就是考虑幕墙是否具有足够的抗风压作用能力。
（二）风洞试验应注意的有关问题
风洞试验分两种：常规的风洞实验和气动弹性风洞实验，前者是刚性试验。所谓幕墙风洞试验就是将测试模型置于试验设备上，利用高压鼓风机模拟自然风吹向测试模型，主要是运用机械流体动力学原理。在做风洞实验时所遇到的第一个问题就是对模型缩尺的确定。这主要与所做实验的风洞试验段大小有关。以国内目前的大气边界层风洞为例，其试验段截面尺寸多为3米量级。如同济大学的TJ-2风洞是3X2.5m，汕头大学风洞为3X2m。在此前提下，模型的大小主要受到风洞阻塞度的限制；一般认为模型的迎风面积不宜超过试验段截面积的5%，如果不能满足则必须进行阻塞度修正。按这一标准，以结构特征尺寸100m为例，在3m量级风洞中的缩尺比应在1:100到1:150之间。试验风速的确定也是一个不可忽视问题。从压力传感器的灵敏度和精度考虑，宜选用较高的试验风速；但是如果试验风速过高，则有可能导致模型被吹坏。因此，对于测压实验，试验风速最好在15m/s到20m/s之间。
风洞试验牵涉的技术是很多的，最为重要的是风场的模拟，想把风场模拟准确，不是一件容易的事，需要时间和技术，以及设备；一个很重要的试验，不应该放松风场的要求；风洞试验设备，精确的风洞试验，对仪器的要求很高，它的可靠性，准确性，合理性，在试验前都应该仔细调试，特别是国产的仪器设备。试验的数据合理性或准确性与边界层调试以及试验室经验水平密切相关的，合理的边界层模拟和测点布置，数据处理都是需要一个试验室长期理论和实践积累的。要求一个没做过多少工程，甚至还没有完全接触过不同建筑类型的试验室作出较理想的数据是基本不可能的。
（二）风洞试验的程序
（1）首先要确定试验类型。是做刚性模型试验还是弹性模型试验，通常工程应用多为前者；此外是仅测平均风压还是要测脉动风压，一般对于比较刚性的结构仅测平均风压就够了，而对于相对较柔的结构（比如幕墙结构），则需要测脉动风压；另外，是测整个结构的风压还是局部风压等等，这些问题都要事先确定好，必要时要多听听专家的意见。
（2）根据前面的具体要求，选择试验机构。这一点很重要，因为好的风洞试验室试验设备比较先进，而且那里有好多风工程方面的专家，这样就可以使你的试验数据更准确、更可靠。目前国内在结构风工程方面比较好的风洞实验室有同济大学风洞实验室和汕头大学风洞实验室等。这些实验室的条件可以说是国内一流的。需要强调的一点是，对于建筑模型试验，最好选择大气边界层风洞，不要选择航空风洞；因为航空风洞的试验段长度太短，对近地面自然风模拟通常不理想。 （3）模型制作。一般来讲，模型制作可以委托风洞实验室人员来完成；不过有一些基本要求还是应该做到心里有数。比如，模型的缩尺、测压点的多少等。模型的缩尺一般与风洞的试验段大小有关，太大了会影响风洞的阻塞度，太小了布测点比较困难；测压点的布置也比较有学问，通常在风压变化比较剧烈的区域要布置得比较密一些。此外，还要注意在实际结构的周围有没有比较显著的建筑物或山丘等，如果有也要模拟出来，因为它们会直接影响到结构表面的风场。 （4）实验方案的确定。包括试验风速、风向、时间等。这些可以与实验人员一起讨论完成。最主要的是不要丢项，否则等实验作完了再去补测就很困难了。 （5）有了上述准备工作，你就可以放心试验了。不过，还不要掉以轻心，试验时要随时观察各项数据的变化，一旦发现有与原来设想不一样的地方就要及时查找原因，甚至对实验方案进行调整。 （6）实验数据的处理。这是一项技术性很强的工作，一般城实验机构完成。他们会给你提供一份试验报告，包括具体的风压系数分布和设计建议等。不过要强调的一点是，在进行具体的抗风设计时，千万不要完全依赖实验结果，要有选择的参考。因为在风洞实验结果中不可避免的包含了人员及设备的误差，而且就风洞实验技术本身来说，目前也有一些不完善的地方。 九、机械加工在幕墙工程中的应用
1、幕墙构件的组合钻孔机
根据安装要求，幕墙立挺上通常设计有尺寸相同的一系列孔，为了提幕墙立挺钻孔的效率和精度，拟设计一台立挺组合钻。要求：铝材尺寸200×80×3000mm，孔径Ø3～12mm，保证钻削时钻头轴向移动最大范围为150mm，保证钻削时各个钻头在一条直线内，直线度误差为0.5mm
钻头旋转中心之间水平距离可根据被加工孔系中心距大小进行调整，可调整距离为100±30mm，在保证加工质量情况下，立挺连同工作台可在一个水平面范围内移动，最大调整范围为60mm。为此需要钻削动力头设计，机架的设计，工作台的设计。
2、幕墙构件角接锯（也称锯角机）的设计，也可从专业设备生产商那里采购。
根据隐框和半隐框幕墙工程的实际结构，其铝合金副框和横梁有时需要锯45º角（斜边），当然有时不一定是45º角（斜边），为了有效的加工出高精度的45º角（斜边），拟设计一台用来加工幕墙副框45º锯角（斜边）机的专用设备。
要求：铝材尺寸200×80×3000mm，切割角度±45º范围内可调，锯片的进给速度0～3m/min，要求工作台能自动送料。为此需要锯削动力头设计，进给部分设计，动力头角度调整部分设计，夹紧及送料部分设计，机架的设计。
3、幕墙铝板开槽机的设计，也可从专业设备生产商那里采购。
要求：工作台尺寸4000×1600mm，槽深0.8mm，槽宽5～15mm，进给速度0～3m/min，为此需要机架及铝板夹持部分的设计，进给部分设计，动力头的设计。
4、数控加工在幕墙构件加工中的应用，应是以后幕墙加工的发展方向和趋势。效率、质量是幕墙先进制造加工技术的主体；高速、高精加工技术及装备可极大地提高加工效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。
后记：建筑工程必须要利用机械设备才得以开展生产和施工，而且建筑工程许多地方都要用到机械工辅助设计和原理，如大型钢模板及其支撑构件的副助机械设计，建筑幕墙工程更是如此，因此建筑工程不是单一存在的，而与机械工程紧密相连、密不可分。 |