CN105735475B - 一种以膜钢结构为主体的球形建筑 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种以膜钢结构为主体的球形建筑，包括表层、网壳、支柱、横梁和地板，所述表层的主体为膜，所述网壳、所述支柱、所述横梁均为预制的钢质材料，所述地板为轻质预制板。本发明的有益效果是：降低了整个球形建筑自重，节省了安装时间以及材料成本；球形建筑采用大量可拆卸的预制件，降低了施工安装的复杂度，实现整个建筑构件可快速安装及拆卸、运输转移的目的；另外，球形建筑结构属于架空式建造，既可以实现最小范围破坏生态地被，保护生态环境；同时又可以根据不同地质环境，地形环境，在普通平地、山坡或水上等各种不同地形环境中进行建造，为行业提供了一种既保护生态又可灵活建设的用地方法。

Description

一种以膜钢结构为主体的球形建筑

技术领域

本发明涉及球形建筑领域，特别涉及一种以膜钢结构为主体的球形建筑。

背景技术

目前，球形建筑物越来越常见。一般球形建筑物的设计依据是三角形作为几何图形中稳固性最强的原理出发，由于这种三角形结构的稳定性，使它并不依赖于通常厚重的砌体墙面或钢筋混凝土墙体，更不需要其它内部的结构支撑，因此，就拥有最大面积的内部空间及其无遮挡的通透性。建筑技术人员经过测算表明，球形建筑物的结构，要比其它结构形式做支撑体系的建筑物牢固。球形建筑物能较有效地抵御地震、飓风等自然灾害的袭击。

目前已有的球形建筑一般都是半球形状，这些球型建筑的外墙一般采用钢板或者混凝土砌筑，自重较大、建造工艺复杂，施工周期很长；同时由于整个建筑的链接承重构件种类繁多，使得建造成本过高；尤其是此类型建筑一经建成，便不易拆卸，也难以转移到另外的地方实现再利用，所以不适宜作为灵活拆卸的、可复制的建筑构造形式。

发明内容

为了解决现有球形建筑物自重大、结构复杂、不易拆卸的技术问题，本发明中披露了一种以膜钢结构为主体的球形建筑，本发明的技术方案是这样实施的：

一种以膜钢结构为主体的球形建筑，包括表层、网壳、支柱、横梁和地板，所述表层的主体为膜，所述网壳、所述支柱、所述横梁均为预制的钢质材料，所述地板为轻型预制板；所述网壳包括杆件和连接所述杆件的节点；所述网壳固定并支撑起所述表层；所述横梁、所述地板位于所述网壳内部；所述支柱支撑起所述横梁；所述横梁端部连接所述网壳的节点，以支撑起所述网壳；所述横梁还支撑起所述地板。

优选地，所述表层还包括设置于所述网壳底部的透明玻璃钢块。

优选地，所述网壳包括球面网状部、多边顶部和多边底部；所述球面网状部包括球面节点和球面杆件；所述球面节点位于直径为Z的球面上，所述球面节点分为K层，每层所述球面节点设置于相同的高度位置上；每层所述球面节点的数量相同为N，N为4的倍数且不小于12；相邻层之间的所述球面节点以180°/N的角度差布置；所述球面节点通过所述球面杆件连接至本层及相邻层的距离最近的两个所述球面节点；所述多边顶部，包括N/4个顶部节点和3N/4个顶部杆件；所述顶部节点在同一高度上设置于直径为Z的球面上；所述顶部节点通过所述顶部杆件连接至两个相邻的所述顶部节点和两个球面节点；所述多边底部，包括N/4个底部节点和3N/4个底部杆件；所述底部节点在同一高度上设置于直径为Z的球面上；所述底部节点通过所述底部杆件连接至两个相邻的所述底部节点和两个球面节点。

优选地，K为奇数，所述球面网状部以基准层E层为基础，上下对称。所述多边底部的设置与所述多边顶部的设置以基准层E层为基础，上下对称；所述球面节点数量N为每层12，16，20，24或32。

优选地，所述球面节点为球形节点。

优选地，所述地板为ALC预制板。

优选地，所述球形建筑底部设置有自动升降门。

优选地，所述膜与所述网壳节点的连接方式包括螺栓连接、焊接或粘结；所述杆件、所述支柱、所述横梁、所述地板均为拼接件。

优选地，所述多边顶部设置有天窗。

优选地，所述膜采用PVC材质。

实施本发明的有益效果是：

1、以膜作为表层主体，以钢作为支撑主体，降低了整个球形建筑自重，节省了安装时间以及材料成本；

2、球形建筑采用大量可拆卸的预制件，降低了施工复杂度，实现整个建筑可快速安装及拆卸、转移的目的；

3、球形建筑结构只有支柱与地面有接触，这种结构体系，既可以实现最小范围破坏生态地被，保护生态环境；同时又可以根据不同地质环境，地形环境，在普通平地、山坡或水上等各种不同地形环境中进行建造，为行业提供了一种既保护生态又可灵活建设的用地方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种实施例中，网壳和支柱结构的示意图；

图2为图1网壳结构的节点简化后的示意图；

图3为图1网壳俯视结构示意图；

图4为另一种实施例中，网壳和支柱结构的示意图。

编号说明：1-网壳、2-支柱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的一种具体实施方式中，结合图1、图2、图3，一种以膜钢结构为主体的球形建筑包括表层、网壳1、支柱2、横梁和地板，所述表层的主体为膜，所述网壳1、所述支柱2、所述横梁均为预制的钢质材料，所述地板为轻型预制板；所述网壳1包括杆件和连接所述杆件的节点；所述网壳1固定并支撑起所述表层；所述横梁、所述地板位于所述网壳内部；所述支柱2支撑起所述横梁；所述横梁端部连接所述网壳1的节点，以支撑起所述网壳1；所述横梁还支撑起所述地板。

本发明的膜采用现有建筑中常用的膜材料，包括但不限于聚酯纤维覆聚氯乙烯(PVC)、玻璃纤维覆聚聚四氟乙烯(Teflon)。本发明所述的表层可以全部采用膜材料，也可以通过膜与玻璃、塑料、金属中的一种或多种模块一起构建起来；膜可以采用一种透光度的材料，也可以在不同的区域设计多种不同透光度，以满足居住者观景、透光、遮光等不同需求。膜可以直接铺在网壳1上，通过螺栓来固定，也可以以粘接的方式和网壳1进行连接固定；网壳1的外表可以设置一些弧形的杆件或者平面来支撑膜，达到更好的支撑效果和增大与膜的接触面积。使用膜材料作为建筑表层，减省了传统建设模式中的许多施工步骤和建设材料，加快了施工速度，提高了时间效率，降低了建设成本。

本发明中的网壳1是一种与平板网架类似的空间杆系结构，系以杆件为基础，按一定规律组成网格，按壳体结构布置的空间构架，它兼具杆系和壳体的性质。其作为建筑的主要支撑体，采用钢质的杆件和节点，与表层一起构成球形建筑墙体最主要的部分，与现有以钢筋混凝土、石板等墙体材料相比，具有更小的自重。

本发明中的支柱2的数量为3根以上，每根支柱可以一体成型，但最好的方式是每条支柱在出厂时分成许多段，在施工的时候每段支柱通过高强螺栓连接的方式连成一条支柱；这样的好处是利于工厂规模制作、利于以散件形式运输、利于根据当地地形来调节具体每条柱子的长度。本实施例中的支柱2(如图1所示)是4根各自相互平行、同时皆垂直于基地水平面的钢构支柱，其下端插入地基中与桩基固定，进一步地，支柱2与桩基可以以螺栓焊接的方式支撑起球形建筑内部的横梁，横梁的两端通过和网壳1的节点或者杆件连接，构成整个网壳的结构体系。

本发明中的地板采用轻质的、现有的预制板材，进一步降低了球形建筑整体自重。常见的轻质预制板材，包括木楼板、钢筋混凝土楼板、ALC板等。ALC是蒸压轻质混凝土(Autoclaved Lightweight Concrete)的简称，是高性能蒸压加气混凝土的一种。ALC板是以粉煤灰(或硅砂)、水泥、石灰等为主原料，经过高压蒸汽养护而成的多气孔混凝土成型板材(内含经过处理的钢筋增强)。

本发明中的表层、网壳1、支柱2、横梁和地板均为预制件，不需要在施工当地进行制作，其各个建筑构件都可以在工厂进行预制，然后将各部位的预制件以散件的形式运到现场直接组合安装完成，整个流程简单易操作和控制，使工厂加工与现场施工可以协同进行，大大提高了使用效率。同时这种标准化生产可以运用到很多不同环境中，减省了在不同环境中再设计的环节。

在一种优选实施方式中，所述网壳1包括球面网状部、多边顶部和多边底部；所述球面网状部包括球面节点和球面杆件；所述球面节点位于直径为Z的球面上，所述球面节点分为K层，每层所述球面节点设置于相同的高度位置上；每层所述球面节点的数量相同为N，N为4的倍数且不小于12；相邻层之间的所述球面节点以180°/N的角度差布置；所述球面节点通过所述球面杆件连接至本层及相邻层的距离最近的两个所述球面节点；所述多边顶部，包括N/4个顶部节点和3N/4个顶部杆件；所述顶部节点在同一高度上设置于直径为Z的球面上；所述顶部节点通过所述顶部杆件连接至两个相邻的所述顶部节点和两个球面节点；所述多边底部，包括N/4个底部节点和3N/4个底部杆件；所述底部节点在同一高度上设置于直径为Z的球面上；所述底部节点通过所述底部杆件连接至两个相邻的所述底部节点和两个球面节点。在该优选实施方式中，直径Z根据球形建筑实际需求而定，其数值一般取20(米)以上；球面节点的层数K可以是奇数也可以是偶数，在此不作特别限制；球面网状部可以设计为上下对称，但其非对称的结构也将落入本发明保护的范围；每层的节点数N视乎整个球形建筑体积而定，例如可以采用12，16，20，24，32，甚至更大的数值；多边顶部和多边底部既可以是上下对称的形状，也可以是采用两种不同形状的设计。

在一种优选实施方式中，K为奇数，所述球面网状部以基准层E层为基础，上下对称；所述多边底部的设置与所述多边顶部的设置以基准层E层为基础，上下对称。图1、图2、图3所示的一种网壳结构系满足本优选实施方式中的一个例子，该例子中的K取值为7，每层的球面节点参数N取值为16，层与层之间的距离不做特别限制，只要符合每层的节点位于同一球面即可。在此情况下，球形建筑一共有9层，A1层为多边顶部的顶层；B1层为多边顶部的底层，也是球面网状部的顶层；C1、D1层是球面网状部上半部的节点层；E层是球面网状部的基准层；C2、D2层是球面网状部上半部的节点层；B2层为多边底部的顶层，也是球面网状部的底层；A2层为多边顶部的底层。A1、B1、C1、D1层以E层为基准，分别与A2、B2、C2、D2层对称。球面网状部的层与层之间的杆件形成多个等腰三角形(如图中的D1层节点S1与C1层中的S2、S3节点形成的等腰三角形)。

在此情况下，多边顶部与多边底部为井状结构，以多边顶部为例，其包括顶部节点J1、J2、J3、J4，该四个顶部节点依次由A1层顶部杆件相连，4条A1层的顶部杆件此时呈正方形排列；多边顶部与球面网状部B1层的交点为Q1、Q2、Q3、Q4、P1、P2、P3、P4一共8个，而该8个点呈正八边形排列。

在一种优选实施方式中，所述球面节点为球形节点。如图3所示，该设计使得球面节点的规格进一步统一，同时球形节点具有易于加工制造和安装的好处。

在一种优选实施方式中，所述表层还包括设置于所述网壳1底部的透明玻璃钢块。透明玻璃钢块的数量以及具体位置不作特别限制，如图2所示，透明玻璃钢块可以设置于多边底部的杆件之间。采用透明玻璃钢块，可以强化网壳的结构；可以保护球形建筑底部，使其底部不易受到外界的人和动物的冲撞或破坏，也不易被外界污染物所腐蚀；人们也可以将其作为观景的窗口，观赏球形建筑下方种植的花草等景色。

在一种优选实施方式中，所述地板为ALC预制板。采用ALC材料作为楼板主要材料，可以减轻楼板的自重，降低球形建筑自重对支柱2、横梁以及网壳1的负重。

在一种优选实施方式中，所述球形建筑底部设置有自动升降门，以供居住者进出。自动升降门开启时，可变成一条带有台阶踏板的通道，其一端降至地面；自动升降门闭合时，球形建筑外表依然是一个完整的球体。

在一种优选实施方式中，所述膜与所述网壳节点的连接方式包括螺栓连接、焊接或粘结。所述杆件、所述支柱2、所述横梁、所述地板均为拼接件，拼接的形式包括但不限于焊接、螺栓连接，例如一根杆件可以由多段拼接而成，一条支柱也可以细分为多段，这样进一步降低了制造难度和运输难度，同时方便在高处安装和搭建；另外，整个球形建筑因此可以拆卸成小的散件，这些散件可以重复利用，使得球形建筑不仅符合永久搭建的要求，还能应用到临时性的建筑中，可快速安装、拆卸以及复制转移。

在一种优选实施方式中，所述多边顶部设置有可开启天窗。设置可以开启的天窗，可增加建筑内部的采光度，也可用作观景，当天窗打开的时候，更可增加室内空气的流动性。

在一种优选实施方式中，所述膜采用PVC材质。PVC材质具有不易燃性、高强度、耐气侯变化性以及优良的几何稳定性，而且对氧化剂、还原剂和强酸都有很强的抵抗力。

图4是本发明的另一种具体实施例。

本发明所述的网壳1的构造除了上述各种构造外，也可以采用常见的设计。

本发明中各种优选实施方式在不矛盾的情况下，可以相互配合使用。

需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种以膜钢结构为主体的球形建筑，包括表层、网壳、支柱、横梁和地板，其特征在于：所述表层的主体为膜，所述网壳、所述支柱、所述横梁均为预制的钢质材料，所述地板为轻型预制板；

所述网壳包括杆件和连接所述杆件的节点；

所述网壳固定并支撑起所述表层；

所述横梁、所述地板位于所述网壳内部；

所述支柱支撑起所述横梁；

所述横梁端部连接所述网壳的节点，以支撑起所述网壳；

所述横梁还支撑起所述地板；

所述网壳包括球面网状部、多边顶部和多边底部；

所述球面网状部包括球面节点和球面杆件；所述球面节点位于直径为Z的球面上，所述球面节点分为K层，每层所述球面节点设置于相同的高度位置上；每层所述球面节点的数量相同为N，N为4的倍数且不小于12；相邻层之间的所述球面节点以180°/N的角度差布置；所述球面节点通过所述球面杆件连接至本层及相邻层的距离最近的两个所述球面节点；

所述多边底部，包括N/4个底部节点和3N/4个底部杆件；所述底部节点在同一高度上设置于直径为Z的球面上；所述底部节点通过所述底部杆件连接至两个相邻的所述底部节点和两个球面节点；

K为奇数，所述球面网状部以基准层E层为基础，上下对称；所述多边底部的设置与所述多边顶部的设置以基准层E层为基础，上下对称；所述球面节点数量N为每层12，16，20，24或32。

2.根据权利要求1所述的球形建筑，其特征在于：所述表层还包括设置于所述网壳底部的透明玻璃钢块。

3.根据权利要求1所述的球形建筑，其特征在于：所述球面节点为球形节点。

4.根据权利要求1所述的球形建筑，其特征在于：所述地板为ALC预制板。

5.根据权利要求1所述的球形建筑，其特征在于：所述球形建筑底部设置有自动升降门。

6.根据权利要求1所述的球形建筑，其特征在于：所述膜与所述网壳节点的连接方式包括螺栓连接、焊接或粘结；所述杆件、所述支柱、所述横梁、所述地板均为拼接件。

7.根据权利要求1所述的球形建筑，其特征在于：所述多边顶部设置有可开启天窗。

8.根据权利要求1所述的球形建筑，其特征在于：所述膜采用PVC材质。