CN106337523A - 一种具有折叠刚性屋面板的可展开柱面网壳结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有折叠刚性屋面板的可展开柱面结构，由上设有折叠刚性屋面板的多榀折叠拱单元在长度方向连接构成，每榀折叠拱单元由n个四棱锥基本单元沿着结构跨度方向相连组成，四棱锥基本单元由四个正向折杆剪式单元组成，相邻两榀折叠拱单元之间采用反向折叠剪式单元连接，刚性屋面由n个条状折叠刚性板单元组成；四棱锥基本单元的上层4个节点与折叠刚性板子单元最外圈的4个顶点铰接。与现有结构相比，本发明不仅可以实现结构根据需要开合，开合过程方便，且折杆剪式单元尺寸统一制造方便，结构稳固性好并通过其上具有刚性屋面结构使得结构自重较轻，开合灵活，增加了结构的刚度，结构构造简单，设计和施工方便，特别适合中小跨度的建筑。

Description

一种具有折叠刚性屋面板的可展开柱面网壳结构

技术领域

本发明涉及一种可展开柱面网壳结构，特别是一种具折叠刚性屋面板的可展开柱面结构。

背景技术

折叠结构顶符合当代建筑理念，是大跨空间结构的一个主要发展趋势，它越来越受到人们的青睐。折叠结构因其具有工期短、易搬迁和可重复利用等优点，已引起了现代建筑师的极大兴趣。但其在大跨结构中使用较少，主要原因有：（1）折叠网格结构的节点设计一般比较复杂，目前尚缺乏构造简单且实用、造价低廉的适合工程应用的节点设计；（2）折叠网格结构的构件除受轴力外，还受一定弯矩，受力性能不佳，造价较高；（3）折叠网格结构的刚度很差，位移较难满足使用要求。

只有可展开柱面网壳而则会结构刚度不足，若在柱面网壳上连接刚性屋面板则可以很好地提供刚度，即用折叠刚性板形成的板壳结构作为下部折叠网格结构的屋面板。此外，相连的折叠刚性板在展开过程中可形成具有一定曲率的圆弧面，提供了较大的使用空间，使得此种模型可用于建造展览馆、帐篷等可供人们使用的场所，其优越性在于该模型展开到某种状态时，会形成具有一定跨度和矢高的体系。

发明内容

本发明所要解决得技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种结构简单、施工方便、成本低且受力性好的可折叠柱面结构，能较好地满足临时性建筑方便搭建和移动及大跨度建筑对折叠功能的要求，更加可以满足结构的刚度和使用舒适需求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种具折叠刚性屋面板的可展开柱面结构，由上设有折叠刚性屋面板的多榀折叠拱单元在长度方向连接构成，其特征在于：所述每榀折叠拱单元由n个四棱锥基本单元沿着结构跨度方向相连组成，n为≥2的自然数，所述四棱锥基本单元由四个正向折杆剪式单元组成，所述正向折杆剪式单元由两根折杆组成，所述正向折杆剪式单元的两根折杆之间上端的夹角大于下端的夹角，四个正向折杆剪式单元依次首尾通过端部节点连接成环状，四个折杆剪式单元的中间节点位于同一平面内，相邻两榀折叠拱单元之间采用反向折叠剪式单元连接，所述反向折杆剪式单元也由两根折杆组成，所述反向折杆剪式单元的两根折杆之间上端的夹角小于下端的夹角，反向折叠剪式单元的端部节点连接在所述每榀折叠拱单元沿结构长度方向上的正向折叠剪式单元的端部节点上。所述的刚性屋面由n个条状折叠刚性板单元组成。所述的条状折叠刚性板单元由折叠刚性板子单元在可展开柱面结构长度方向相连组成。所述折叠刚性板子单元由四个四边形板组成，四个四边形板两两共线并相交于一顶点，按照逆时针分别为第一四边形板、第二四边形板、第三四边形板和第四四边形板，他们之间的公共边分别为第一公共边、第二公共边、第三公共边和第四公共边；在运动过程中，第一四边形板、第二四边形板和第三四边形板、第四四边形板是关于第二公共边和第四公共边形成的平面对称的。所述的第二公共边、第三公共边和第四公共边为谷线，第一公共边为峰线，相邻的四边形板沿着峰线向外折叠，沿着谷线向内折叠，所述向外折叠是指相邻的平行四边形板的外法线之间的夹角变大，向内折叠是指相邻的平行四边形板的内法线之间的夹角变大。所述第一四边形板在第四公共边两侧的边线与第四公共边的夹角分别为第一夹角和第二夹角；所述第三四边形板在第二公共边两侧的边线与第二公共边的夹角分别为第三夹角和第四夹角；第一夹角和第四夹角互为补角，第二夹角与第三夹角互为补角；且第二夹角和第四夹角相等。

所述的具折叠刚性屋面板的可展开柱面结构，其特征在于：所述折杆在中间节点两侧的长度相等。

所述的具折叠刚性屋面板的可展开柱面结构，其特征在于：所述折杆为平面杆或空间结构的杆件。

所述的具折叠刚性屋面板的可展开柱面结构，其特征在于：所述的四棱锥基本单元的上层4个节点与折叠刚性板子单元最外圈的4个顶点铰接。

所述的具折叠刚性屋面板的可展开柱面结构，其特征在于：所述的第一四边形板法线和第二四边形板法线不应平行，且其其结构完全展开状态下的夹角应大于等于10°。

本发明的机构为单自由度体系，减小了驱动装置的数量；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；并通过其上刚性片使得结构开合灵活，增加了结构的刚度，结构构造简单，设计和施工方便，特别适合中小跨度的建筑。

附图说明

图1为折杆剪式单示意图；

图2为四棱锥单元示意图；

图3为单个条状折叠刚性板子单元完全展开示意图

图4为长度方向上折叠刚性板子单元与四棱锥单元相连示意图；

图5 为基本刚性折叠单元与网壳相连示意图；

图6 为整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明的基本单元是折杆剪式单元1。每个折杆剪式单元1由两根折杆2组成，弯折处在折杆2中点，折杆剪式单元1的两根折杆2在弯折处销接连接，虚线是折叠展开过程中折杆剪式单元的运动轨迹。

四个折叠展开运动方向相同的折杆剪式单元1通过环向相连组成一个可折叠展开的四棱锥单元3，如图2所示。固定端部任意一个折杆剪式单元1，就形成了单自由度体系，可实现整体展开和折叠。确定结构跨度后为避免几何不相容折杆尺寸都通过做辅助线来确定。一个四棱锥单元3可认为是以一个折杆剪式单元1为对象，该折杆剪式单元1折叠展开运动中心为中心点环形阵列形成的。n个这样的四棱锥单元3首尾相连，沿跨度方向环绕半个圆周组成一榀折叠拱单元4。沿结构长度方向，相邻折杆剪式单元运动方向相反。每榀折叠拱单元间通过（n+1）个与折叠拱内基本折杆剪式单元运动方向相反的折杆剪式单元相连，就形成了可折叠柱面网壳5。

刚性屋面由n个条状折叠刚性板单元6组成。所述的条状折叠刚性板单元由折叠刚性板子单元7在可展开柱面结构长度方向相连组成。所述四个平行四边形7板两两共线并相交于一顶点，按照逆时针分别为第一四边形板71、第二四边形板72、第三四边形板73和第四四边形板74，它们之间的公共边分别为第一公共边75、第二公共边76、第三公共边77和第四公共边78；在运动过程中，第一四边形板71、第二四边形板72和第三四边形板73、第四四边形板74是关于第二公共边76和第四公共边78形成的平面对称的。所述的第二公共边76、第三公共边77和第四公共边78为峰线，第一公共边75为谷线，相邻的四边形板7沿着峰线向外折叠，沿着谷线向内折叠，所述向外折叠是指相邻的平行四边形板7的外法线之间的夹角变大，向内折叠是指相邻的平行四边形板7的外法线之间的夹角变小。所述第一四边形板71在第四公共边78两侧的边线与第四公共边75的夹角分别为第一夹角79和第二夹角710；所述第三四边形板73在第二公共边76两侧的边线与第二公共边76的夹角分别为第三夹角711和第四夹角712；第一夹角79和第四夹角712互为补角，第二夹角710与第三夹角711互为补角；且第二夹角710和第四夹角712相等。所述的折叠刚性板子单元7之间折叠到一定角度时在折叠网壳跨度方向相连，如图6所示。

折叠起来之后，跨度方向不同列折叠刚性板子单元7之间按照一定的角度进行旋转排列，从而形成了具有一定曲率的圆弧面。而柱面网壳5长度方向上，刚性屋面每一列是平行的。所以体系在运动过程中将形成柱面壳的构形。将折起来的所有折叠刚性板单元6与下部可折叠柱面网壳5相连，即每个四棱锥单元3上对应一个刚性屋面板单元（与刚性屋面板单元最外圈的4个节点铰接，如图6所示），将四棱锥单元3上端的4个节点（31、32、33和34），参见图2，分别与刚性屋面板单元7最外圈的4个节点（713、714、715、和716）铰接，如图3所示。

整体结构结构如图6所示。从折叠到展开过程中模型的几何形态有较大差别。

Claims (4)

1.一种具有折叠刚性屋面板的可展开柱面结构，由上设有折叠刚性屋面板的多榀折叠拱单元在长度方向连接构成，其特征在于：所述每榀折叠拱单元由n个四棱锥基本单元沿着结构跨度方向相连组成，n为≥2的自然数，所述四棱锥基本单元由四个正向折杆剪式单元组成，所述正向折杆剪式单元由两根折杆组成，所述正向折杆剪式单元的两根折杆之间上端的夹角大于下端的夹角，四个正向折杆剪式单元依次首尾通过端部节点连接成环状，四个折杆剪式单元的中间节点位于同一平面内，相邻两榀折叠拱单元之间采用反向折叠剪式单元连接，所述反向折杆剪式单元也由两根折杆组成，所述反向折杆剪式单元的两根折杆之间上端的夹角小于下端的夹角，反向折叠剪式单元的端部节点连接在所述每榀折叠拱单元沿结构长度方向上的正向折叠剪式单元的端部节点上；所述的刚性屋面由n个条状折叠刚性板单元组成；所述的条状折叠刚性板单元由折叠刚性板子单元在可展开柱面结构长度方向相连组成；所述折叠刚性板子单元由四个四边形板组成，四个四边形板两两共线并相交于一顶点，按照逆时针分别为第一四边形板、第二四边形板、第三四边形板和第四四边形板，他们之间的公共边分别为第一公共边、第二公共边、第三公共边和第四公共边；在运动过程中，第一四边形板、第二四边形板和第三四边形板、第四四边形板是关于第二公共边和第四公共边形成的平面对称的；所述的第二公共边、第三公共边和第四公共边为谷线，第一公共边为峰线，相邻的四边形板沿着峰线向外折叠，沿着谷线向内折叠，所述向外折叠是指相邻的平行四边形板的外法线之间的夹角变大，向内折叠是指相邻的平行四边形板的内法线之间的夹角变大；所述第一四边形板在第四公共边两侧的边线与第四公共边的夹角分别为第一夹角和第二夹角；所述第三四边形板在第二公共边两侧的边线与第二公共边的夹角分别为第三夹角和第四夹角；第一夹角和第四夹角互为补角，第二夹角与第三夹角互为补角；且第二夹角和第四夹角相等；所述的四棱锥基本单元的上层4个节点与折叠刚性板子单元最外圈的4个顶点铰接。

2.根据权利要求1所述的具折叠刚性屋面板的可展开柱面结构，其特征在于：所述折杆在中间节点两侧的长度相等。

3.根据权利要求1或2所述的具折叠刚性屋面板的可展开柱面结构，其特征在于：所述折杆为平面杆或空间结构的杆件。

4.根据权利要求1所述的具折叠刚性屋面板的可展开柱面结构，其特征在于：所述的第一四边形板法线和第二四边形板法线不应平行，且其其结构完全展开状态下的夹角应大于等于10°。