CN106759918B - 一种具有刚性面板的可展结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有刚性面板的可展结构，该结构由下部径向伸缩网架结构和上部刚性面板组成；下部径向伸缩网架结构由两个以上的环向链形剪式机构和两个以上的径向链形剪式机构组成，下部径向伸缩网架结构在投影面上分为彼此连续的由三角形面板连接单元和四边形面板连接单元组成的刚性面板连接单元；上部刚性面板由位于三角形面板连接单元的第一刚性板折叠单元和位于四边形面板连接单元的第二刚性板折叠单元组成，第一刚性板折叠单元展开状态下的几何形状为一等腰三角形板，第二刚性板折叠单元展开状态下的几何形状为一对角线垂直的四边形板。本发明结构伸缩自由，伸缩率大；构造合理、设计和施工简单，特别适合中小跨度的建筑。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有刚性面板的可展结构。
背景技术
可展结构是近半个多世纪发展起来的一种新型结构，在宇航、建筑结构和军事工程等领域起着重要作用。可展结构的主要特征是具有两种稳定的构型：完全折叠状态和完全展开工作状态。在折叠状态时，结构收拢在某一特定形状，在外界驱动力的作用下，结构逐步展开，达到完全展开的工作状态，然后锁定为稳定状态。这种结构完全折叠后成为紧密的捆状，充分展开固定后达到初始工作状态，能够覆盖较大的空间。但国内外建筑对于可展结构的应用十分有限，并且不能良好满足人们对可展结构的建筑功能需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供了一种竖向刚度好、收缩率大且结构简单易于折叠的具有刚性面板的可展结构。满足建筑对可展结构的各项功能要求,还具有设计和施工方便等优点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种具有刚性面板的可展结构，该结构由下部径向伸缩网架结构和上部刚性面板组成；所述下部径向伸缩网架结构由两个以上的环向链形剪式机构和两个以上的径向链形剪式机构组成，环向链形剪式机构同心布置，径向链形剪式机构沿所述环向链形剪式机构形成的圆环的径向布置；环向链形剪式机构由多个环向对称剪式铰单元头尾相连成环形；径向链形剪式机构由多个径向对称剪式铰单元头尾相连成线形；所述环向对称剪式铰由两个长度相等的第一连杆在杆中间铰接组成，所述径向对称剪式铰由两个长度相等的第二连杆在杆中间铰接组成；径向链形剪式机构与环向链形剪式机构通过径向对称剪式铰单元的第二连杆端部与环向对称剪式铰单元的第一连杆端部铰接实现连接；所述下部径向伸缩网架结构在投影面上分为彼此连续的由三角形面板单元和四边形面板连接单元组成的刚性面板连接单元；
所述三角形面板连接单元沿径向链形剪式机构对称，所述三角形面板连接单元的三个顶点包括两个间隔的径向链形剪式机构和最内侧的环向链形剪式机构铰接形成的第一顶点和第二顶点，以及位于第一和第二顶点中间的径向链形剪式机构和最内侧相邻的环向链形剪式机构的铰接点构成的第三顶点；
所述四边形面板连接单元沿径向链形剪式机构对称，所述四边形面板连接单元的四个顶点位于相邻的三个径向链形剪式机构上并且都在径向链形剪式机构和环向链形剪式机构的铰接点上；所述四边形面板连接单元的四个顶点包括位于相邻的三个径向链形剪式机构的中间径向链形剪式机构与相间隔一个环向链形剪式机构的两个环向链形剪式机构的铰接点上的第四顶点和第五顶点，以及位于相邻的三个径向链形剪式机构中两侧的径向链形剪式机构和被相间隔的环向链形剪式机构的铰接点上的第六顶点和第七顶点；
其中三角形面板连接单元S个，四边形面板连接单元N个，X为径向链形剪式机构的个数，Y为环向链形剪式机构的个数，则满足
所述上部刚性面板由位于所述三角形面板连接单元的第一刚性板折叠单元和位于所述四边形面板连接单元的第二刚性板折叠单元组成；
所述第一刚性板折叠单元由两对以上的第一刚性板组铰接而成且展开后成一等腰三角形，每对第一刚性板组为由两块刚性板沿所述等腰三角形的高所在位置铰接的折叠结构，相邻对第一刚性板组的两块刚性板之间的折叠方向相反，相邻第一刚性板组之间的折叠方向相反；所述第二刚性板折叠单元由四对以上的第二刚性板组铰接而成且展开后成一对角线垂直的四边形板，每对第二刚性板组为由两块刚性板沿所述对角线所在位置铰接的折叠结构，相邻对第二刚性板组的两块刚性板之间的折叠方向相反，相邻第二刚性板组之间的折叠方向相反。
第一刚性板组沿所述等腰三角形的高等距布置；第二刚性板组沿所述四边形板的对角线等距布置。
所述径向链形剪式机构在所述圆环上均匀布置，所述环向链形剪式机构在圆环的径向上等距布置。
所述环向链形剪式机构的个数为3～10个，所述径向链形剪式机构的个数为10～40个。
所述第一连杆为直杆。
所述第一连杆为平面直杆。
所述第二连杆为直杆。
所述第二连杆为平面直杆。
当伸缩网架处于完全展开状态时，具有刚性面板的可展结构处于张紧状态，承受外界及结构自身的荷载，此时刚性面板单元的固接角点之间的距离最大；当伸缩网架处于收缩状态时，刚性面板单元的固接角点之间距离缩短。
本发明具有刚性面板的可展结构糅合了可展结构和刚性面板结构的特点，使其有许多优点:
1)自重轻。刚性面板可采用轻盈的材料，从而使结构重量降低，下部的支撑结构和基础的断面尺寸也可以相应缩小，大大降低工程造价。
2)减少能源消耗，节省费用。刚性面板耗材少，并且可以选用有一定透光率的材料，在可展网架结构完全展开时可充分利用自然光，白天使用可以减少人工照明。
3)施工速度快。
本发明由径向链形剪式机构和环向链形剪式机构同步进行伸缩，上部采用刚性面板，从而使得网架-刚性面板组合结构伸缩自由，伸缩率大；剪式铰单元的折叠方向为竖直面，使网架-刚性面板组合结构具有较大的竖向刚度，而且构造合理、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是本发明具有刚性面板的可展结构示意图。
图2是本发明具有刚性面板的可展结构的俯视图。
图3是径向链形剪式机构和环向链形剪式机构铰接示意图。
图4是组成链形剪式机构的对称剪式铰单元示意图。
图5是三角形面板连接单元上的第一刚性板折叠单元展开状态示意图。
图6是三角形面板连接单元上的第一刚性板折叠单元折叠状态示意图
图7是四边形面板连接单元上的第二刚性板折叠单元展开状态示意图。
图8是四边形面板连接单元上的第二刚性板折叠单元折叠状态示意图。
具体实施方式
下面参照说明书附图，对本发明作出更为详细的说明：
如图1所示，一种具有刚性面板的可展结构1。该结构由下部径向伸缩网架结构和上部刚性面板组成，其中网架结构是由3个环向链形剪式机构2和16个径向链形剪式机构4组成。其中，环向链形剪式机构2由48个环向对称剪式铰单元3组成，环向链形剪式机构2沿径向均匀间隔布置；径向链形剪式机构4由12个径向对称剪式铰单元5组成，径向链形剪式机构4沿环向均匀间隔布置。
径向伸缩网架结构在投影面上分为彼此连续的刚性面板连接单元，包括三角形面板连接单元ACE、四边形面板连接单元ABCD。三角形面板连接单元中的两个顶点A、E位于间隔的两个径向链形剪式机构和内侧的环向链形剪式机构铰接形成的第一顶点、第二顶点，以及位于第一和第二顶点中间的径向链形剪式机构和最内侧相邻的环向链形剪式机构的铰接点构成的第三顶点C；
四边形面板连接单元沿径向链形剪式机构对称，四边形面板连接单元的四个顶点位于相邻的三个径向链形剪式机构上，其中，A、B顶点位于相邻的三个径向链形剪式机构的中间径向链形剪式机构与两个环向链形剪式机构的铰接点上，另外两个顶点C、D分别位于相邻的三个径向链形剪式机构中两侧的径向链形剪式机构和环向链形剪式机构的铰接点上；
如图2所示，在可展结构的投影面上连续分布着三角形面板连接单元7和四边形面板连接单元8。具有刚性面板的可展结构有8个三角形面板连接单元7，16个四边形面板连接单元8。刚性面板连接单元的角点与三角形、四边形的顶点固接，相邻单元之间在边界处紧密过渡连接。
如图3所示，径向链形剪式机构和环向链形剪式机构的连接节点构成如下：环向链形剪式机构2和径向链形剪式机构4通过上下两个剪式铰单元连杆端部铰节点6连接。由此，通过该铰节点的作用，实现网架结构开合过程中径向链形剪式机构和环向链形剪式机构的同步伸缩。
如图4所示的组成径向链形剪式机构和环向链形剪式机构的对称剪式铰单元是目前应用最为广泛的平行剪式铰单元。对称剪式铰单元的连杆长度相等，且通过连杆中间的一个销接节点相连，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；同时对称剪式铰单元之间的连接是通过杆端部铰节点铰接实现。该单元在运动过程中其端部铰节点的连线保持平行。
如图5和图6所示是三角形面板连接单元上的第一刚性板折叠单元示意图。第一刚性板折叠单元布置在三角形ACE上，其中顶点A、E在间隔的两个径向链形剪式机构4和内侧的环向链形剪式机构2的铰接点上；顶点C在A、E中间的径向对称轴所在的径向链形剪式机构4和与内侧相邻的环向链形剪式机构2的铰接点上。在本实施例中，三角形面板单元是由6对第一刚性板组相互铰接而成，其中第一对板组和最后一堆板组为三角形板单元铰接而成，中间4对板组由梯形刚性板单元铰接而成，各刚性板连接处的公共边为边界线，边界线分为峰线和谷线，分别代表向外和向内的折叠方向。向外折叠是指相邻的刚性板的外法线之间的夹角变大，向内折叠是指相邻刚性板的内法线之间的夹角变大。点71、73是峰线的交点，点70、72、74是谷线的交点，并且峰线的交点和谷线的交点在径向对称轴上交替等距分布。
如图7和图8所示是四边形面板连接单元上的第二刚性板折叠单元示意图。四边形面板连接单元8的四个顶点ABCD位于相邻的三个径向链形剪式机构上，其中，顶点C、D位于相邻的三个径向链形剪式机构中两侧的径向链形剪式机构上且位于同一环向链形剪式机构上，另两个顶点A、B位于相邻的三个径向链形剪式机构中间的一个径向链形剪式机构上且位于径向链形剪式机构和环向链形剪式机构的铰接点上。在四边形面板连接单元两条对角线上，分别对称的布置有相互铰接的第二刚性板组，第二刚性板组与第一刚性板组的结构相同，也有若干组三角形板和梯形板组成。在本实施例中，第二刚性板组为15对，包括11对由梯形刚性板单元组成的刚性板组和4对由三角形刚性板单元组成的刚性板组。各刚性板连接处的公共边为边界线，边界线分为峰线和谷线，分别代表向外和向内的折叠方向。向外折叠是指相邻的刚性板的外法线之间的夹角变大，向内折叠是指相邻刚性板的内法线之间的夹角变大。对角线的交点81处有四条峰线和四条谷线相交，其中谷线分布在对角线AB、CD上，峰线是点81和四边形各边中点82、83、84、85的连线。峰线的交点和谷线的交点均分布在对角线AB、CD的N1等分点和N2等分点上(N1和N2是大于2的整数)。
Claims (5)
1.一种具有刚性面板的可展结构，该结构由下部径向伸缩网架结构和上部刚性面板组成；所述下部径向伸缩网架结构由两个以上的环向链形剪式机构和两个以上的径向链形剪式机构组成，环向链形剪式机构同心布置，径向链形剪式机构沿所述环向链形剪式机构形成的圆环的径向布置；环向链形剪式机构由多个环向对称剪式铰单元头尾相连成环形；径向链形剪式机构由多个径向对称剪式铰单元头尾相连成线形；所述环向对称剪式铰由两个长度相等的第一连杆在杆中间铰接组成，所述径向对称剪式铰由两个长度相等的第二连杆在杆中间铰接组成；径向链形剪式机构与环向链形剪式机构通过径向对称剪式铰单元的第二连杆端部与环向对称剪式铰单元的第一连杆端部铰接实现连接；所述下部径向伸缩网架结构在投影面上分为彼此连续的由三角形面板连接单元和四边形面板连接单元组成的刚性面板连接单元；
所述三角形面板连接单元沿径向链形剪式机构对称，所述三角形面板连接单元的三个顶点包括两个间隔的径向链形剪式机构和最内侧的环向链形剪式机构铰接形成的第一顶点和第二顶点，以及位于第一和第二顶点中间的径向链形剪式机构和最内侧相邻的环向链形剪式机构的铰接点构成的第三顶点；
所述四边形面板连接单元沿径向链形剪式机构对称，所述四边形面板连接单元的四个顶点位于相邻的三个径向链形剪式机构上并且都在径向链形剪式机构和环向链形剪式机构的铰接点上；所述四边形面板连接单元的四个顶点包括位于相邻的三个径向链形剪式机构的中间径向链形剪式机构与相间隔一个环向链形剪式机构的两个环向链形剪式机构的铰接点上的第四顶点和第五顶点，以及位于相邻的三个径向链形剪式机构中两侧的径向链形剪式机构和被相间隔的环向链形剪式机构的铰接点上的第六顶点和第七顶点；
其中三角形面板连接单元S个，四边形面板连接单元N个，X为径向链形剪式机构的个数，Y为环向链形剪式机构的个数，则满足所述上部刚性面板由位于所述三角形面板连接单元的第一刚性板折叠单元和位于所述四边形面板连接单元的第二刚性板折叠单元组成；
所述第一刚性板折叠单元由两对以上的第一刚性板组铰接而成且展开后成一等腰三角形，每对第一刚性板组为由两块刚性板沿所述等腰三角形的高所在位置铰接的折叠结构，相邻对第一刚性板组的两块刚性板之间的折叠方向相反，相邻第一刚性板组之间的折叠方向相反；
所述第二刚性板折叠单元由四对以上的第二刚性板组铰接而成且展开后成一对角线垂直的四边形板，每对第二刚性板组为由两块刚性板沿所述对角线所在位置铰接的折叠结构，相邻对第二刚性板组的两块刚性板之间的折叠方向相反，相邻第二刚性板组之间的折叠方向相反；
所述径向链形剪式机构在所述圆环上均匀布置，所述环向链形剪式机构在圆环的径向上等距布置。
2.根据权利要求1所述的具有刚性面板的可展结构，其特征在于：第一刚性板组沿所述等腰三角形的高等距布置；第二刚性板组沿所述四边形板的对角线等距布置。
3.根据权利要求1所述的具有刚性面板的可展结构，其特征在于：所述环向链形剪式机构的个数为3～10个，所述径向链形剪式机构的个数为10～40个。
4.根据权利要求1所述的具有刚性面板的可展结构，其特征在于：所述第一连杆为平面直杆。
5.根据权利要求1所述的具有刚性面板的可展结构，其特征在于：所述第二连杆为平面直杆。
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