一種由四邊形平面六桿四面體單元連接組合的球面網殼的製作方法
2023-09-19 14:28:10
專利名稱：一種由四邊形平面六桿四面體單元連接組合的球面網殼的製作方法
技術領域：
本發明涉及建築領域，尤其涉及一種由四邊形平面六桿四面體單元連接組合的球面網殼。
背景技術：
三角錐單元、四角錐單元和六角錐單元是目前網架與網殼結構的基本組成單元。三角錐單元由6根杆件組成，是一種幾何穩定的結構基本單元，要使其組成網殼結構需要在基本單元間增設部分連接杆件。三角錐網殼是以倒置的三角錐為網殼的基本組成單元，隨著三角錐單元不同布設方式，上下弦網格可為三角形或六邊形，從而構成形式各異的三角錐網殼。四角錐單元由8根杆件組成，是一種幾何不穩定的結構基本單元，要使其組成網殼結構需要在基本單元間增設部分連接杆件。由該基本單元構成的網殼結構上下弦平面網格成四邊形，根據四角錐單元不同布設方式，可獲得各種形式的四角錐網殼。六角錐單元由12根杆件組成，是一種幾何不穩定的結構基本單元，要使其組成網殼結構需要在基本單元間增設部分連接杆件。由該基本單元構成的網殼結構上下弦平面網格成六邊形或三角形，可獲得六角錐網殼。以上三種現有結構的基本單元要組成網殼結構均需要在基本單元間增設部分額外的連接杆件，節點匯交杆件數量較多，其中四角錐單元和六角錐單元本身是幾何不穩定結構，這為結構的安裝和施工帶來一定困難。
發明內容
本發明針對現有技術的不足，提出了一種由四邊形平面六桿四面體單元連接組合的球面網殼。四邊形平面六桿四面體單元是由一根上弦杆、一根下弦杆和四根腹杆組成，這種基本單元的上弦杆與下弦杆在杆件中心位置為空間正交布置，四根腹杆分別連接上下弦節點，構成經向上弦環向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元或環向上弦經向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元。根據單元布設位置的不同可形成上弦環向下弦經向雙向折線形球面網殼結構和上弦經向下弦環向雙向折線形球面網殼結構。上弦環向下弦經向雙向折線形球面網殼結構由經向上弦環向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元沿開口球殼向經向和環向拓展構成，其中每個基本單元之間上弦節點與上弦節點相連接，下弦節點與下弦節點相連接，經向上弦環向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元向經向拓展時從開口邊到殼體底邊，各單元經向杆件保持等長，環向杆件長度線性變化，在結構內圈上弦節點增加一圈環向杆件。 上弦經向下弦環向雙向折線形球面網殼結構由環向上弦經向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元沿開口球殼向經向和環向拓展構成，其中每個基本單元之間上弦節點與上弦節點相連接，下弦節點與下弦節點相連接，環向上弦經向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元向經向拓展時從開口邊到殼體底邊，各單元經向杆件保持等長，環向杆件長度線性變化，在結構內圈下弦節點增加一圈環向杆件。對二種折線形球面網殼結構根據不同上、下弦節點構造和不同梁、杆單元布設能分別得到四種結構。經向弦杆、環向弦杆和腹杆均採用梁單元，所有節點均採用剛接節點；經向弦杆和環向弦杆採用梁單元，腹杆採用杆單元，所有節點均採用半剛接半鉸接節點，即弦杆間連接採用剛接連接，腹杆與弦杆間連接採用鉸接連接；經向弦杆採用梁單元，環向弦杆和腹杆採用杆單元，經向弦杆間節點採用半剛接半鉸接節點，即經向弦杆間連接採用剛接連接，腹杆與經向弦杆間連接採用鉸接連接，其餘節點均採用鉸接連接；經向弦杆、環向弦杆和腹杆均採用杆單元，所有節點均採用鉸接節點。二種折線形球面網殼結構所分別對應的四種具體結構形式周邊均可設置為不動鉸支座。本發明具有的有益效果
I.四邊形平面六桿四面體單元幾何穩定，節點匯交杆件少
平面四邊形六桿四面體單元類似於三角錐單元，其本身就是一穩定的幾何不變體。在由此基本單元所組成的球面網殼結構中，交於上弦節點的杆件有六根，交於下弦節點的杆件也有六根。在常用的具有上下弦杆各類網殼結構中，這種結構體系的杆件數和節點數相對是最少的。2.能連接成有雙層作用的、構造簡單的球面網殼
四邊形平面六桿四面體單元，在無需另行增設杆系情況下便可連接組合而成球面網殼結構，因此相對於目前常用的三角錐等基本單元具有獨特的優點。由於四邊形平面六桿四面體單元具有上、下弦杆，所以由這種單元連接組合的結構在一定程度上還可起到兩層網格結構的作用，有利於結構整體受力。3.建築造型簡潔、美觀、空間效果強
現有基本單元組成的球面網殼結構，建築造型單一且空間效果不強。但由四邊形平面六桿四面體基本單元所組成的球面網殼結構的上、下表面具有不同的建築造型，其中環向折線形表面既像一盛開的花瓣，又像一把撐開的雨傘，徑向折線形表面又猶如一架演奏著的風琴，優美別致，具有強烈的空間效果。4.根據不同的工程實踐需要可選用多種不同的結構方案
杆件單元類型選取和節點設計是空間網殼結構設計的重點，基於結構整體受力要求，杆件單元類型可分別選取杆單元和梁單元，連接節點可採用剛接節點、半剛接半鉸接節點和鉸接節點等節點構造形式。因此這種網殼結構存在多種不同的結構方案有利於在實際工程中根據具體情況進行多方案比較選用。5.便於吊裝、運輸、標準化、工業化生產
四邊形平面六桿四面體單元本身為一穩定的幾何不變體且其杆件和節點比較單一，尺寸不大，倉儲、運輸、裝卸、安裝都比較方便，採用小型機具設備普通工人便可進行網殼的拼裝工作。基本單元的杆件和節點便於工廠化、標準化製作，可在工廠批量生產，有利於提高加工精度、減少現場施工工作量、加快施工進度、降低材料耗量和工程造價。大多數鋼結構生產企業均可成批加工製作規格俱全的各種結構杆件和節點形式，可接受用戶訂貨。
圖I (a)為本發明中經向上弦環向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元結構圖；、圖I (b)為本發明中環向上弦經向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元結構 圖2 Ca)為本發明中上弦環向下弦經向雙向折線形球面網殼結構 圖2 (b)為本發明中上弦經向下弦環向雙向折線形球面網殼結構 圖3 (a)、(b)、(C)、(d)為上弦環向下弦經向雙向折線形球面網殼結構的四種具體結構 圖4 (a)、(b)、(C)、(d)為上弦經向下弦環向雙向折線形球面網殼結構的四種具體結構圖。
具體實施例方式本發明針對現有技術的不足，提出了一種由四邊形平面六桿四面體單元連接組合的球面網殼。如圖I (a)、(b)所示，四邊形平面六桿四面體單元是由一根上弦杆I、一根下弦杆3和腹杆2組成，這種基本單元的上弦杆I與下弦杆3在杆件中心位置為空間正交布置，四根腹杆分別連接上下弦節點，構成經向上弦環向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元或環向上弦經向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元。根據單元布設位置的不同可形成上弦環向下弦經向雙向折線形球面網殼結構或上弦經向下弦環向雙向折線形球面網殼結構。如圖2 (a)所示，上弦環向下弦經向雙向折線形球面網殼結構由經向上弦環向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元沿開口球殼向經向和環向拓展構成，其中每個基本單元之間上弦節點與上弦節點相連接，下弦節點與下弦節點相連接，經向上弦環向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元向經向拓展時從開口邊到殼體底邊，各單元經向杆件保持等長，環向杆件長度線性變化。為了滿足構造封口要求，在結構內圈上弦節點增加一圈環向杆件。如圖2 (b)所示，上弦經向下弦環向雙向折線形球面網殼結構由環向上弦經向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元沿開口球殼向經向和環向拓展構成，其中每個基本單元之間上弦節點與上弦節點相連接，下弦節點與下弦節點相連接，環向上弦經向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元向經向拓展時從開口邊到殼體底邊，各單元經向杆件保持等長，環向杆件長度線性變化。為了滿足構造封口要求，在結構內圈下弦節點增加一圈環向杆件。對二種折線形球面網殼結構根據不同上、下弦節點構造和不同梁、杆單元布設能分別得到四種結構。如圖3 (a)、圖4 (a)所示，經向弦杆、環向弦杆和腹杆均採用梁單元，所有節點均採用剛接節點；如圖3 (b)、圖4 (b)所示，經向弦杆和環向弦杆採用梁單元，腹杆採用杆單元，所有節點均採用半剛接半鉸接節點，即弦杆間連接採用剛接連接，腹杆與弦杆間連接採用鉸接連接；如圖3 (C)、圖4 (c)所示，經向弦杆採用梁單元，環向弦杆和腹杆採用杆單元，經向弦杆間節點採用半剛接半鉸接節點，即經向弦杆間連接採用剛接連接，腹杆與經向弦杆間連接採用鉸接連接，其餘節點均採用鉸接連接；如圖3 (d)、圖4 (d)所示，經向弦杆、環向弦杆和腹杆均採用杆單元，所有節點均採用鉸接節點。
二種折線形球面網殼結構所分別對應的四種具體結構形式周邊均可設置為不動鉸支座。
權利要求
1.一種由四邊形平面六桿四面體單元連接組合的球面網殼，其特徵在於四邊形平面六桿四面體單元是由一根上弦杆、一根下弦杆和四根腹杆組成，這種基本單元的上弦杆與下弦杆在杆件中心位置為空間正交布置，四根腹杆分別連接上下弦節點，構成經向上弦環向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元或環向上弦經向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元； 根據單元布設位置的不同可形成上弦環向下弦經向雙向折線形球面網殼結構和上弦經向下弦環向雙向折線形球面網殼結構； 上弦環向下弦經向雙向折線形球面網殼結構由經向上弦環向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元沿開口球殼向經向和環向拓展構成，其中每個基本單元之間上弦節點與上弦節點相連接，下弦節點與下弦節點相連接，經向上弦環向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元向經向拓展時從開口邊到殼體底邊，各單元經向杆件保持等長，環向杆件長度線性變化，在結構內圈上弦節點增加一圈環向杆件； 上弦經向下弦環向雙向折線形球面網殼結構由環向上弦經向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元沿開口球殼向經向和環向拓展構成，其中每個基本單元之間上弦節點與上弦節點相連接，下弦節點與下弦節點相連接，環向上弦經向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元向經向拓展時從開口邊到殼體底邊，各單元經向杆件保持等長，環向杆件長度線性變化，在結構內圈下弦節點增加一圈環向杆件； 對二種折線形球面網殼結構根據不同上、下弦節點構造和不同梁、杆單元布設能分別得到四種結構，經向弦杆、環向弦杆和腹杆均採用梁單元，所有節點均採用剛接節點；經向弦杆和環向弦杆採用梁單元，腹杆採用杆單元，所有節點均採用半剛接半鉸接節點，即弦杆間連接採用剛接連接，腹杆與弦杆間連接採用鉸接連接；經向弦杆採用梁單元，環向弦杆和腹杆採用杆單元，經向弦杆間節點採用半剛接半鉸接節點，即經向弦杆間連接採用剛接連接，腹杆與經向弦杆間連接採用鉸接連接，其餘節點均採用鉸接連接；經向弦杆、環向弦杆和腹杆均採用杆單元，所有節點均採用鉸接節點； 二種折線形球面網殼結構所分別對應的四種具體結構形式周邊均可設置為不動鉸支座。
全文摘要
本發明公開了一種由四邊形平面六桿四面體單元連接組合的球面網殼，現有技術結構節點匯交杆件數量較多，給安裝和施工帶來一定困難。本發明中的四邊形平面六桿四面體單元是由一根上弦杆、一根下弦杆和四根腹杆組成，上弦杆與下弦杆在杆件中心位置為空間正交布置，其四根腹杆分別連接上下弦節點，球面網殼由四邊形平面六桿四面體基本單元沿開口球殼向經向和環向拓展構成，其中每個基本單元之間上弦節點與上弦節點相連接，下弦節點與下弦節點相連接，四邊形平面六桿四面體基本單元向經向拓展時從開口邊到殼體底邊，各單元經向杆件保持等長，環向杆件長度線性變化，在結構內圈增加一圈杆件。本發明結構穩定，節點匯交杆件少，造型簡潔、美觀。
文檔編號E04B1/32GK102619281SQ20121007906
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月23日 優先權日2012年3月23日
發明者白光波, 董石麟, 鄭曉清 申請人:浙江大學