CN102605892B - 基于折杆剪式单元的可动结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于折杆剪式单元的可动结构，由连杆机构和拉索构成，连杆机构包括两个子连杆机构，在两个子连杆之间的四个节点上分别铰接一连杆，四根连杆的另一端则铰接在一起形成铰接节点，第一个子连杆机构的首个折杆剪式单元的中间销接节点与支座转动连接，第二个子连杆机构的尾个折杆剪式单元的中间销接节点与支座转动连接，从而通过四根拉索长度的变化来改变结构的几何外形。本发明由折杆剪式单元和多杆铰接单元组成的连杆机构，并利用四根拉索驱动连杆机构，形成具有多个稳定几何构形的结构；可动结构的几何外形均可以用两个圆弧表示，其构造合理、设计和施工简单，适合于各种跨度的建筑。

Description

基于折杆剪式单元的可动结构

技术领域

本发明涉及一种可动结构，尤其是一种基于折杆剪式单元的可动结构。

背景技术

自上世纪60年代西班牙建筑师Pinero首先成功地将可展结构的概念应用于“可移动剧院”的设计，可开启式屋盖在大跨度空间结构中的应用得以迅速增加。另一方面，随着人们探索外太空步伐的加快，可展结构受到了广泛的关注，相关研究成果已应用到空间的太阳能帆板、卫星天线中。而当前应用最为广泛的主要是基于剪式单元(scissor like element)的可展结构。从几何学角度来考虑，这类可展结构的基本原理是每对连杆通过一个柱铰相连，每对连杆仅能绕垂直与该对连杆所在平面的轴线作相对转动，而其它自由度完全受到了限制；同时剪式单元间的连接是通过单元端部节点铰接实现。

当连接两根连杆的柱铰位于杆件的中部时，形成的是平行剪式单元，如图1所示；当连接两根连杆的柱铰不是位于杆件的中部时，形成的是极线剪式单元，如图2所示。这两种剪式单元常被用于折叠网架或者折叠网壳中。美国工程师Hoberman对剪式单元进行改进，提出了折杆剪式单元，它是由相等的两根弯折角梁单元通过剪式铰在中部连接，当两个角梁单元绕着中间的剪式铰转动时，梁端的夹角保持不变，如图3所示。

现有的可动结构，其几何形状大多只考虑“开始”和“结束”两个状态，也即折叠状态和展开状态。这两个状态之间的转换方式大致为：水平移动式、水平旋转移动式、空间移动式、中枢轴转动式、折叠移动式和组合移动式等。但是这些可开启式屋盖结构只有平动或者转动的能力，事实上整个屋盖结构的外形并没有改变。所以这些可动结构并不是真正意义上的几何可变结构。

发明内容

为了使可动结构实现真正意义上的几何外形可变，十分有必要提出可以在多个几何外形之间变化的结构。

本发明提供了一种基于折杆剪式单元的可动结构，该结构可以用作需要多个稳定几何构形屋盖体系的支撑结构，其不仅能满足建筑对屋盖形状变化的各项功能要求，还具有设计和施工方便等优点，能较好地满足各种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：

一种基于折杆剪式单元的可动结构，由连杆机构和拉索构成，其特征在于：所述的连杆机构包括两个由多个折杆剪式单元通过其上节点和下节点与相邻的折杆剪式单元相互连接而成的子连杆机构，在两个子连杆之间的四个节点上分别铰接一连杆，四根连杆的另一端则铰接在一起形成铰接节点，所述的第一个子连杆机构的首个折杆剪式单元的中间销接节点与支座转动连接，所述的第二个子连杆机构的尾个折杆剪式单元的中间销接节点与支座转动连接，在第一子连杆机构的首个折杆剪式单元和第二子连杆机构的尾个折杆剪式单元的上节点和下节点之间分别设置有第一拉索，在第一子连杆机构的首个折杆剪式单元和第二子连杆机构的尾个折杆剪式单元的销接节点和四根连杆的铰接节点之间分别设置有第二拉索。从而通过四根拉索长度的变化来改变结构的几何外形。

本发明的有益效果是，本发明由折杆剪式单元和多杆铰接单元组成的连杆机构，并利用四根拉索驱动连杆机构，形成具有多个稳定几何构形的结构；该发明可以从一个几何构形任意变化到另外多个几何构形，并且在这些几何构形处可以承受外荷载；另外，折杆剪式单元中间销接节点的连线为一圆弧，而且这些圆弧的曲率在结构运动过程中是不变的，所以可动结构的几何外形均可以用两个圆弧表示，可以较为方便地设计各个状态下的几何外形以及结构上的覆盖材料；而且其构造合理、设计和施工简单，适合于各种跨度的建筑。

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是平行剪式单元。

图2是极线剪式单元。

图3是折杆剪式单元。

图4是本发明结构的示意图

图5是四杆铰接单元示意图

图6是可动结构运动后非对称构形示意图。

图7是可动结构几何设计示意图。。

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：

一种基于折杆剪式单元的可动结构，如图4所示，由连杆机构和拉索构成，所述的连杆机构有9个折杆剪式单元通过其上节点1和下节点2与相邻的折杆剪式单元相互连接而成，其中首尾两个折杆剪式单元的中间销接节点3与支座转动连接，

将第5个折杆剪式单元中任意一个折杆剪式单元替换为四杆铰接单元4，所述的四杆铰接单元，如图5所示，是将折杆剪式单元中间的销接节点改为铰接节点，也即四根杆件在同一个节点处相连，每根杆件均能绕着中间铰接节点旋转，这样形成的连杆机构共有两个自由度，为了使机构转化为结构，本发明用四根拉索作为驱动装置，所述的连杆机构被中间四杆铰接单元分为两个子连杆机构，在每个子连杆机构中，用一根拉索5连接支座处折杆剪式单元位于支座外的上节点1和下节点2，另一根拉索6连接支座处折杆剪式单元中间销接节点3和四杆铰接单元的铰接节点，从而通过四根拉索长度的变化来改变结构的几何外形。图6所示为拉索长度改变后的几何构形。

图4所示的支座节点和中间多杆铰接单元铰节点之间连接的子连杆机构均由4个折杆剪式单元组成，这些子连杆机构中折杆剪式单元中间销接节点3的连线为一圆弧，而且这些圆弧的曲率在结构运动过程中是不变的，所以可动结构的几何外形均可以用两个圆弧表示，可以较为方便地设计各个状态下的几何外形以及结构上的覆盖材料。

将可动结构的几何设计分为两个方面：一个是正向设计；另一个是逆向设计。其中正向设计是指已知输入参数，求桁架的几何构形；逆向设计指已知其几何构形，求输入参数。

如图7所示，拥有一个多铰单元的多稳态结构可以看出是一个五连杆机构，它有3个转动铰和2个滑动铰，也即为RPRPR机构。可以看出，AB的长度，s是固定的，体系拥有两个自由度，则其输入参数可以确定为AC和BC的长度为s₁和s₂。则其正向设计可以确定为已知s₁和s₂，求体系的矢高(体系的跨度即为AB的长度)。有几何知识可知，如果C点的坐标可知，体系的矢高可以很方便地求得。C点的坐标可以通过下式求得：

$\left\{\begin{array}{c}{(x_c-x_A)}^2+{(y_c-y_A)}^2=s_1^2\\ {(x_c-x_B)}^2+{(y_c-y_B)}^2=s_2^2\end{array}\right.---\left(1\right)$

逆向设计也即已知体系的几何，求s₁和s₂。也即已知了C的坐标，同样可以利用式(1)求得s₁和s₂。

Claims (1)

1.一种基于折杆剪式单元的可动结构，由连杆机构和拉索构成，其特征在于：所述的连杆机构包括两个由多个折杆剪式单元通过其上节点和下节点与相邻的折杆剪式单元相互连接而成的子连杆机构，在两个子连杆之间的四个节点上分别铰接一连杆，四根连杆的另一端则铰接在一起形成铰接节点，所述的第一个子连杆机构的首个折杆剪式单元的中间销接节点与支座转动连接，所述的第二个子连杆机构的尾个折杆剪式单元的中间销接节点与支座转动连接，在第一子连杆机构的首个折杆剪式单元和第二子连杆机构的尾个折杆剪式单元的上节点和下节点之间分别设置有第一拉索，在第一子连杆机构的首个折杆剪式单元和第二子连杆机构的尾个折杆剪式单元的销接节点和四根连杆的铰接节点之间分别设置有第二拉索。

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