具有四個自由度的桁架結構的製作方法
2023-06-12 23:06:56
專利名稱：具有四個自由度的桁架結構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種桁架結構，尤其是一種具有四個自由度的桁架結構。
背景技術：
現有的可開啟式屋蓋結構，其幾何形狀大多只考慮「開始」和「結束」兩個狀態，也即摺疊狀態和展開狀態。這兩個狀態之間的轉換方式大致為水平移動式、水平旋轉移動式、空間移動式、中樞軸轉動式、摺疊移動式和組合移動式等。但是這些可開啟式屋蓋結構只有平動或者轉動的能力，事實上整個屋蓋結構的外形並沒有改變。所以這些可開啟式結構並不是真正意義上的幾何可變結構。在全球範圍內利用太陽能、風能等新能源的很多大型項目，通常都是與建築分離 的獨立接受太陽輻射的發電系統。太陽能屋頂與建築結合是太陽能應用領域的新趨勢。新型太陽能屋頂將是建築一體化太陽能發電系統。設計人員可以精準地計算出每塊網格接受太陽輻射的效率，根據太陽的方位不斷調整結構的幾何外形，在考慮到整體建築美觀性的同時，盡最大可能接受太陽輻射，使整套系統的發電功效實現最大化。另外，現在體育館內舉辦各種文藝演出活動越來越頻繁，有時甚至超過了體育比賽頻次，因此在設計體育館時必須考慮兩種功能的協調。而舉辦不同文藝演出時所需的空間、燈光等設施也是不同的，屋蓋結構需要通過調整幾何外形改變屋蓋所覆蓋的空間。為了滿足太陽能屋頂盡最大可能接受太陽輻射以及多功能體育場館舉辦不同活動時的燈光、空間、節能等的要求，十分有必要提出可以在多個幾何狀態之間變化的屋蓋體系，並且這些幾何狀態是穩定的。
發明內容為了滿足太陽能屋頂盡最大可能接受太陽輻射以及多功能體育場館舉辦不同活動時的燈光、空間、節能等的要求，十分有必要提出可以在多個幾何狀態之間變化的屋蓋支撐結構，並且這些幾何狀態是穩定的。本實用新型提供了一種具有四個自由度的桁架結構，該桁架可以用作需要多個穩定幾何構形屋蓋體系的支撐結構，其不僅能滿足建築對屋蓋形狀變化的各項功能要求，還具有設計和施工方便等優點，能較好地滿足各種跨度建築對屋蓋開合功能的要求。為了達到上述目的，本實用新型採用了如下技術方案一種具有四個自由度的桁架結構，包括連杆機構和拉索，所述的連杆機構由η個四連杆機構通過η-i節點相互連接而成，η不小於3且不大於720，所述的四連杆機構由第一連杆、第二連杆、第三連杆及第四連杆相互轉動連接組成，所述的四連杆機構的第三連杆及第四連杆和相鄰四連杆機構的第一連杆和第二連杆共用一個節點，η個四連杆機構中第一個四連杆機構的第一連杆和第二連杆的節點與第一支座鉸接點轉動連接，最後一個四連杆機構的第三連杆和第四連杆的節點也與第二支座鉸接點轉動連接，其特徵在於所述的η-1個節點包括第一鉸接點、第二鉸接點以及η-3個銷接節點,第一鉸接點和第二鉸接點間隔的布置在η-3個銷接節點之間，與每個銷接節點連接的兩個四連杆機構的第一四連杆機構的第三連杆和另一個四連杆機構的第一連杆形成一根杆件，與每個銷接節點連接的兩個四連杆機構的第一四連杆機構的第四連杆和另一個四連杆機構的第二連杆形成一根杆件；所述的連杆機構被第一鉸接點、第二鉸接點、第一支座鉸接點以及第二支座鉸接點分為三個子連杆機構，在每個子連杆機構中首尾均為鉸接節點，在每個子連杆結構上設置第一拉索和第二拉索，所述第一拉索從該子連接結構首個節點開始，穿過第一個四連杆機構的第一連杆和第四連杆的連接節點，然後穿過第一個四連杆機構的第二連杆和第三連杆的連接節點，再穿過第二個四連杆機構的第一連杆和第四連杆的連接節點，隨後再穿過第二個四連杆機構的第二連杆和第三連杆的連接節點，如此反覆，直至連接到尾部的節點，所述的第二拉索連接子連杆機構首尾的兩個節點；在第一鉸接節點或第二鉸接點連接的相鄰兩個四連杆機構的第二連杆和第三連杆的連接節點之間設置一根伸縮杆。從而通過六根拉索和一根伸縮杆長度的變化來改變桁·架結構的幾何外形。本實用新型的有益效果是，本實用新型由壓杆組成具有四個自由度的連杆機構，並利用三根第一拉索、三根第二拉索和一根伸縮杆驅動連杆機構，形成具有多個穩定幾何構形的桁架結構；該發明可以從一個幾何構形任意變化到另外多個幾何構形，並且在這些幾何構形處可以承受外荷載；另外，由於本實用新型由高強度索和壓杆組成，其質量較小，結構的部分剛度由預應力提供，所以可以節省大量的材料，減少自重；而且其構造合理、設計和施工簡單，適合於各種跨度的建築。
以下結合附圖
及實施例對本實用新型進一步詳細說明圖I是本實用新型結構示意圖。圖2是桁架結構穩定構形一(拉索和伸縮杆沒有顯示)。圖3是桁架結構穩定構形二 (拉索和伸縮杆沒有顯示)。圖4是桁架結構穩定構形三(拉索和伸縮杆沒有顯示)。
具體實施方式
一種具有四個自由度的桁架結構，包括由連杆機構和拉索構成，所述的連杆機構有多個四連杆機構5組成，所述的四連杆機構5由第一連杆I、第二連杆2、第三連杆3及第四連杆4組成，且第一連杆I的一端與第二連杆2的一端轉動連接，第二連杆2的另一端與第三連杆3的一端轉動連接，第三連杆3的另一端與第四連杆4的一端轉動連接，第四連杆4的一端與第一連杆I的另一端轉動連接。所述的四連杆機構的第一連杆I、第二連杆2、第三連杆3及第四連杆4的長度均相等。所述的連杆機構由η個四連杆機構5通過η-i節點相互連接而成，η不小於3且不大於720，且四連杆機構的第三連杆3及第四連杆4和相鄰四連杆機構的第一連杆I和第二連杆2共用一個節點，η個四連杆機構中第一個四連杆機構的第一連杆I和第二連杆2的節點與支座轉動連接，最後一個四連杆機構的第三連杆3和第四連杆4的節點也與支座轉動連接。且在這η-i個節點中，有η-3個節點連接的四連杆機構的第三連杆3和相鄰四連杆機構5的第一連杆形成一根杆件，且四連杆機構的第四連杆4與相鄰四連杆機構的第二連杆2形成一根杆件，從而使這η-3個節點變為兩桿杆件的銷接節點，而另外兩個節點仍然為四根杆件相互鉸接節點，分別稱之為第一鉸接點6和第二鉸接點7。所述的連杆機構被第一鉸接點6、第二鉸接點7及兩個支座鉸接點分為三個子連杆機構，在每個子連杆機構中首尾均為鉸接節點，且用一根拉索8將首尾鉸接點相鄰，所述的拉索，從首部鉸接節點開始，穿過第一個四連杆機構的第一連杆I和第四連杆4的連接節點，然後穿過第一個四連杆機構的第二連杆2和第三連杆3的連接節點，再穿過第二個四連杆機構的第一連杆I和第四連杆4的連接節點，隨後再穿過第二個四連杆機構的第二連杆2和第三連杆3的連接節點，如此反覆，直至連接到尾部的鉸接節點，另一根拉索9連接子連 杆機構首尾的兩個鉸節點。在第一鉸接節點6連接的相鄰兩個四連杆機構的第二連杆2和第三連杆3的連接節點之間設置一根伸縮杆10，從而通過六根拉索和一根伸縮杆長度的變化來改變桁架結構的幾何外形。下面參照說明書附圖，對本實用新型的具體實施方式
作出更為詳細的說明如圖I所示，一種具有四個自由度的桁架結構，包括由連杆機構和拉索構成，所述的連杆機構有多個四連杆機構5組成，所述的四連杆機構5由第一連杆I、第二連杆2、第三連杆3及第四連杆4組成，且第一連杆I的一端與第二連杆2的一端轉動連接，第二連杆2的另一端與第三連杆3的一端轉動連接，第三連杆3的另一端與第四連杆4的一端轉動連接，第四連杆4的一端與第一連杆I的另一端轉動連接，所述的連杆機構由12個四連杆機構5通過11節點相互連接而成，且四連杆機構的第三連杆3及第四連杆4和相鄰四連杆機構的第一連杆I和第二連杆2共用一個節點，12個四連杆機構中第一個四連杆機構的第一連杆I和第二連杆2的節點與支座轉動連接，最後一個四連杆機構的第三連杆3和第四連杆4的節點也與支座轉動連接，且在這11個節點中，有9個節點連接的四連杆機構的第三連杆3和相鄰四連杆機構4的第一連杆形成一根杆件，且四連杆機構的第四連杆4與相鄰四連杆機構的第二連杆2形成一根杆件，從而使這9個節點變為兩桿杆件的銷接節點，而另外兩個節點仍然為四根杆件相互鉸接節點，分別稱之為第一鉸接點6和第二鉸接點7，所述的連杆機構被第一鉸接點6、第二鉸接點7及兩個支座鉸接點分為三個子連杆機構，在每個子連杆機構中首尾均為鉸接節點，且用一根拉索8將首尾鉸接點相鄰，所述的拉索，從首部鉸接節點開始，穿過第一個四連杆機構的第一連杆I和第四連杆4的連接節點，然後穿過第一個四連杆機構的第二連杆2和第三連杆3的連接節點，再穿過第二個四連杆機構的第一連杆I和第四連杆4的連接節點，隨後再穿過第二個四連杆機構的第二連杆2和第三連杆3的連接節點，如此反覆，直至連接到尾部的鉸接節點，另一根拉索9連接子連杆機構首尾的兩個鉸節點，[0031]在 第一鉸接節點6連接的相鄰兩個四連杆機構的第二連杆2和第三連杆3的連接節點之間設置一根伸縮杆10，從而通過六根拉索和一根伸縮杆長度的變化來改變桁架結構的幾何外形，圖2至圖4所示即為幾個幾何構形。
權利要求1.一種具有四個自由度的桁架結構，包括連杆機構和拉索，所述的連杆機構由η個四連杆機構通過η-i節點相互連接而成，η不小於3且不大於720，所述的四連杆機構由第一連杆、第二連杆、第三連杆及第四連杆相互轉動連接組成，所述的四連杆機構的第三連杆及第四連杆和相鄰四連杆機構的第一連杆和第二連杆共用一個節點，η個四連杆機構中第一個四連杆機構的第一連杆和第二連杆的節點與第一支座鉸接點轉動連接，最後一個四連杆機構的第三連杆和第四連杆的節點也與第二支座鉸接點轉動連接，其特徵在於 所述的η-i個節點包括第一鉸接點、第二鉸接點以及η-3個銷接節點，第一鉸接點和第二鉸接點間隔的布置在η-3個銷接節點之間，與每個銷接節點連接的兩個四連杆機構的第一四連杆機構的第三連杆和另一個四連杆機構的第一連杆形成一根杆件，與每個銷接節點連接的兩個四連杆機構的第一四連杆機構的第四連杆和另一個四連杆機構的第二連杆形成一根杆件； 所述的連杆機構被第一鉸接點、第二鉸接點、第一支座鉸接點以及第二支座鉸接點分 為三個子連杆機構，在每個子連杆機構中首尾均為鉸接節點，在每個子連杆結構上設置第一拉索和第二拉索，所述第一拉索從該子連接結構首個節點開始，穿過第一個四連杆機構的第一連杆和第四連杆的連接節點，然後穿過第一個四連杆機構的第二連杆和第三連杆的連接節點，再穿過第二個四連杆機構的第一連杆和第四連杆的連接節點，隨後再穿過第二個四連杆機構的第二連杆和第三連杆的連接節點，如此反覆，直至連接到尾部的節點，所述的第二拉索連接子連杆機構首尾的兩個節點； 在第一鉸接節點或第二鉸接點連接的相鄰兩個四連杆機構的第二連杆和第三連杆的連接節點之間設置一根伸縮杆。
2.根據權利要求I所述的一種具有四個自由度的桁架結構，其特徵在於所述的第一連杆、第二連杆、第三連杆及第四連杆的長度均相等。
專利摘要本實用新型公開了一種具有四個自由度的桁架結構，包括連杆機構和拉索，連杆機構由n個四連杆機構通過n-1節點相互連接而成，四連杆機構由第一連杆、第二連杆、第三連杆及第四連杆相互轉動連接組成，n-1個節點包括第一鉸接點、第二鉸接點以及n-3個銷接節點，連杆機構被第一鉸接點、第二鉸接點、第一支座鉸接點以及第二支座鉸接點分為三個子連杆機構，在每個子連杆結構上設置第一拉索和第二拉索，在第一鉸接節點連接的相鄰兩個四連杆機構的第二連杆和第三連杆的連接節點之間設置一根伸縮杆。本實用新型採用連杆機構，並利用六根拉索和一根伸縮杆驅動連杆機構，形成具有多個穩定幾何構形的桁架結構；其構造合理、設計和施工簡單，適合各種跨度的建築。
文檔編號E04B7/16GK202611064SQ20122008468
公開日2012年12月19日 申請日期2012年3月8日 優先權日2012年3月8日
發明者蔡建國, 馮健 申請人:東南大學