CN102605886A - 平板式开合屋盖结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平板式开合屋盖结构，由多榀四块平板组成的四连板机构沿屋盖长度方向相互连接构成，四连板机构由第一平板、第二平板、第三平板及第四平板组成；一个四连板机构的第一平板和相邻四连板机构的第四平板滚动节点连接，且其第二平板和相邻四连板机构的第三平板也是滚动节点连接；位于端部的一榀四连板机构的第一平板的两个端点与屋盖支撑结构铰接，其余各榀四连板机构第一平板和第四平板的交线的两个端点与屋盖支撑结构滑动连接。由于本发明构成的构件数远少于一般的折叠网格结构，因此给人们一种简洁明快的效果，克服了网格结构感观上杆件繁多凌乱的缺点；而且其构造合理、设计和施工简单，特别适合中小跨度的建筑。

Description

平板式开合屋盖结构
技术领域
本发明涉及一种开合屋盖结构，特别是一种平板式开合屋盖结构。
背景技术
开合屋盖是在建筑理念中引入可展结构思想的结果，是现代体育建筑的一个主要发展趋势，它越来越受到人们的青睐。我国在最近十几年兴起了建造开合结构的热潮，小规模的开合式屋顶建筑已经有数十座，目前运行状况良好，大型开合结构的建造也有了一定的成就。但国内外现已建成的数百座开合屋盖建筑结构形式和开合机理较为简单，而且开合屋盖的研究滞后于工程实践状态。
近年来，国际上有一些学者将折叠板壳结构和开合屋盖结合起来，形成了一种新的开合屋盖形式。其折叠板壳形式一般来源于折纸艺术。加州理工学院Pellegrino教授等提出了一种基于球形四连杆机构的开合屋盖结构，其屋面材料为轻质材料，这样可以减轻自重；而该体系的缺点是由于各个单元之间存在不相容性，所以为在运动过程中其应力较大；而且体系中各个单元是独立的，其自由度较多，其运动控制依赖与板壳结构下部的剪式单元。
发明内容
为了克服现有板壳式开合屋盖结构的缺陷,本发明提供了一种平板式开合屋盖结构, 该开合屋盖不仅能满足建筑对屋盖开合的各项功能要求,还具有设计和施工方便等优点,能较好地满足中小跨度建筑对屋盖开合功能的要求。
为了达到上述目的,本发明采用了如下技术方案:
一种平板式开合屋盖结构，其特征在于：由多榀四块平板组成的四连板机构沿屋盖长度方向相互连接构成，所述的四连板机构由第一平板、第二平板、第三平板及第四平板组成，所述的第一平板、第二平板、第三平板以及第四平板形状均为长方体，所述的第四平板的第一侧面和第一平板的第一侧面通过公共边滚动节点连接，所述的第二平板的第一侧面和第三平板的第一侧面通过其公共边滚动节点连接，在第一平板与第一侧面相交的第二侧面中部设置有一第一中部铰，所述的第二平板与第一侧面相交的第二侧面也连接在所述的第一中部铰上，在第四平板与第一侧面相交的第二侧面中部设置有一第二中部铰，所述的第三平板与第一侧面相交的第二侧面也连接在所述的第二中部铰上。
一个四连板机构的第一平板和相邻四连板机构的第四平板滚动节点连接，且其第二平板和相邻四连板机构的第三平板也是滚动节点连接；
位于端部的一榀四连板机构的第一平板的两个端点与屋盖支撑结构铰接，其余各榀四连板机构第一平板和第四平板的交线的两个端点与屋盖支撑结构滑动连接。
一个四连板机构的第一平板和相邻四连板机构的第四平板两平板的连接面为圆弧形面，且其第二平板和相邻四连板机构的第三平板两平板的连接面也为圆弧形面。
所述的第一平板和第四平板之间、所述的第二平板和第三平板之间存采用滚动节点连接，该滚动节点包括两个固定端和中间的柔性连接段，两个固定端分别连接在第一平板和第四平板上或第二平板和第三平板上。
所述的四连板机构的第一平板和第四平板位于屋盖支撑结构的内侧，第二平板和第四平板位于屋盖支撑结构的外侧。
所述的平板可以是钢结构、混凝土结构或者木结构。
所述的平板可以是相同截面的或者变截面的。
本发明的有益效果是，本发明由四连板机构组合而成，在屋盖开合过程中，各个四连板机构之间是运动相容的，不会产生额外的内力，其受力性能优越；而且本发明的平板式开合屋盖机构为单自由度体系，减小了屋盖驱动装置的数量；采用滚动节点连接相邻平板，可以避免运动过程中相邻构件的碰撞，增大了四连板机构的运动行程，从而提高了开合屋盖的收缩率；另外，由于本发明构成的构件数远少于一般的折叠网格结构，因此给人们一种简洁明快的效果，克服了网格结构感观上杆件繁多凌乱的缺点；而且其构造合理、设计和施工简单，特别适合中小跨度的建筑。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明：
图1是平板式开合屋盖结构示意图。
图2是四连板机构基本单元示意图。
图3是第一平板和第二平板连接侧视图。
图4是第一平板和第二平板连接俯视图。
图5是典型销接节点示意图。
图6是考虑拓扑干涉的四连杆设计示意图 其中（a）为侧视图，（b）为俯视图。
图7是滚动节点运动过程示意图。
图8是滚动节点制作示意图一。
图9是滚动节点制作示意图二。
具体实施方式
下面参照说明书附图，对本发明的具体实施方式作出更为详细的说明：
如图1所示，一种平板式开合屋盖结构，由四块平板组成的四连板机构沿屋盖长度方向相互连接构成。
所述的四连板机构，如图2所示，是由第一平板1、第二平板2、第三平板3及第四平板4组成，且第一平板1和第二平板2通过中部柱铰连接（如图3和4所示），第二平板2和第三平板3通过其公共边滚动节点连接，第三平板3和第四平板4通过中部柱铰连接，第四平板4和第一平板1通过公共边滚动节点连接，
所述的四连板机构有多榀，位于屋盖固定端的一榀的第四平板4的两个下部节点与屋盖支撑结构5转动连接，其余各榀四连板机构第四平板4的下部节点和所有四连板机构第二平板2的下部节点与屋盖支撑结构5滑动连接，也即这些节点可以沿着屋盖长度方向滑移。
一个四连板机构的第一平板1和相邻四连板机构的第四平板4滚动节点连接，且其第二平板2和相邻四连板机构的第三平板3也是滚动节点连接。
所述的四连板机构的第一平板1和第四平板4位于屋盖支撑结构的内侧，第二平板2和第四平板4位于屋盖支撑结构的外侧。
所述的平板可以是钢结构、混凝土结构或者木结构。
所述的平板可以是相同截面的或者变截面的。
四连杆机构以及折叠板壳体系中最常用的销接节点如图5所示。该节点拥有一个旋转自由度，其可以连接两根杆件，也可以连接两块板。但其缺点是由于节点的尺寸问题，两个构件在折叠时，会产生碰撞，从而限制其运动，机构学中称之为“拓扑干涉”。
图6为常用的考虑拓扑干涉的平面四连杆机构设计示意图，从图中可以看出，其主要思路是将两根杆件放置在不同平面，从而避免相邻杆件间的碰撞。本发明第一平板1和第二平板2的连接方式即是通过将两块板放置在不同平面，避免杆件在运动过程中的碰撞，但是本发明中第二平板2和第三平板3的连接不能错位。所以在该处本发明使用了滚动节点连接，如图7所示。由图中可以看出，滚动节点连接相邻平板的端部均为半圆柱，其半圆柱的直径可以相等也可以不相等，图7所示为半径相等的案例。两个半圆柱的接触方式为滚动接触，其运动过程如图中所示。当机构运动时，其中一个半圆柱绕着另外一个半圆柱旋转，两个面之间没有滑动；两个半圆柱轴心线之间的距离始终保持相等，为两个半圆柱半径之和。
滚动节点的制作方法如图8所示，用薄板将节点连接平板端部的两个半圆柱面相连。其中AB和DE部分固定在平板上，而BC和CD部分和平板分离。图9所示为滚动节点运动后的示意图。

Claims (5)

1.一种平板式开合屋盖结构，其特征在于：由多榀四块平板组成的四连板机构沿屋盖长度方向相互连接构成，所述的四连板机构由第一平板、第二平板、第三平板及第四平板组成，所述的第一平板、第二平板、第三平板以及第四平板形状均为长方体，所述的第四平板的第一侧面和第一平板的第一侧面通过公共边滚动节点连接，所述的第二平板的第一侧面和第三平板的第一侧面通过其公共边滚动节点连接，在第一平板与第一侧面相交的第二侧面中部设置有一第一中部铰，所述的第二平板与第一侧面相交的第二侧面也连接在所述的第一中部铰上，在第四平板与第一侧面相交的第二侧面中部设置有一第二中部铰，所述的第三平板与第一侧面相交的第二侧面也连接在所述的第二中部铰上；
一个四连板机构的第一平板和相邻四连板机构的第四平板滚动节点连接，且其第二平板和相邻四连板机构的第三平板也是滚动节点连接；
位于端部的一榀四连板机构的第一平板的两个端点与屋盖支撑结构铰接，其余各榀四连板机构第一平板和第四平板的交线的两个端点与屋盖支撑结构滑动连接。
2.根据权利要求1所述的平板式开合屋盖结构，其特征在于：一个四连板机构的第一平板和相邻四连板机构的第四平板两平板的连接面为圆弧形面，且其第二平板和相邻四连板机构的第三平板两平板的连接面也为圆弧形面。
3.根据权利要求2所述的平板式开合屋盖结构，其特征在于：所述的第一平板和第四平板之间、所述的第二平板和第三平板之间存采用滚动节点连接，该滚动节点包括两个固定端和中间的柔性连接段，两个固定端分别连接在第一平板和第四平板上或第二平板和第三平板上。
4.根据权利要求1或2所述的平板式开合屋盖结构，其特征在于，所述的四连板机构的第一平板（1）和第四平板（4）位于屋盖支撑结构的内侧，第二平板（2）和第四平板（4）位于屋盖支撑结构的外侧。
5.根据权利要求4所述的平板式开合屋盖结构，其特征在于，所述的平板是钢结构、混凝土结构或者木结构。
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