CN107415327A - 一种基于刚性折纸单元的组合式可展开结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于刚性折纸单元的组合式可展开结构，纵向由全等重复单元组成，即多榀相同的折纸单元组合连续拼接起来达到所需要的空间纵向尺寸，宽度和高度由基本折纸单元的尺寸决定。每榀折纸单元平面图为矩形，折纸单元的中央位置由两个同底等高的梯形板块组成，外侧边缘由八块和中间板块具有相同的宽度和折痕夹角的刚性板块组成，其中四块刚性板块尺寸相同，中间夹有一块短刚性板块。每块刚性板块的几何尺寸决定了结构的整体形状。本发明所展示的组合式可展开结构产生一个可调节纵向尺寸的矩形庇护空间，具有很好的适应性和伸缩性，结构简单，造型美观，易于移动、组装和可扩展，尤其适用于由折纸技术启发的移动模块化收容所等特定项目。

Description

一种基于刚性折纸单元的组合式可展开结构

技术领域

本发明涉及一种基于刚性折纸单元的组合式可展开结构，属于现代空间结构形态设计领域。

背景技术

折纸结构是近几十年发展起来的新型空间结构形式，近年来基于刚性折纸的可折叠结构在工程和建筑设计中的应用越来越广泛。折纸结构的空间可展性使得结构在需要使用时，可以展开至工作状态，工作完毕后可以收回到折叠状态便于运输。折纸结构因其现场安装及拆除速度快，在使用时不需要很多人力和机械就可以方便地在现场展开成形，因而适用范围很广，应用于生活、军事、医学、土木工程、航天工程等领域。

刚性折纸单元有两个较为显著的特性：结构合理性和形状可变性。折纸可以很容易将本来柔软的纸材变得拥有一定的结构强度，这一点奠定了其应用于结构领域的基础。基于折纸艺术的启发，在建筑设计时运用折叠的概念，将能达到方便、灵活的艺术效果。

发明内容

技术问题：本发明将可折叠原理应用于建筑结构，在于改进现有组合折纸结构的不足，提供一种造型简单，安装使用便捷的基于刚性折纸单元的组合式可展开结构。

技术方案：本发明的基于刚性折纸单元的组合式可展开结构，包括多榀依次拼接的全等矩形折纸单元，每一榀全等矩形折纸单元包括位于中间部位的第一对折构型、分别连接于所述第一对折构型两侧的两个第二对折构型、分别连接于所述第二对折构型外侧的两个第三对折构型、分别连接于所述第三对折构型外侧的两个第四对折构型、分别连接于所述第四对折构型外侧的两个第五对折构型，所述第一对折构型由两块对称设置并在长底边连接的梯形板块单元组成，所述第二对折构型和第四对折构型均由两块全等且相互对称的平行四边形板块单元在顶边连接组成，所述第三对折构型由两块全等且相互对称的平行四边形板块单元在底边连接组成，所述第五对折构型为三角形板块单元，每榀全等矩形折纸单元在完全展开于同一平面时，呈现为二维矩形构型。

进一步的，本发明组合式可展开结构的二维矩形构型中，所有斜向折痕与水平折痕的夹角均为α，其中0°＜α＜90°，在展开、折叠运动过程中，角度α保持初始值不变化；所述全等矩形折纸单元中，与水平折痕相连的同一对折构型的板块间的夹角为β，其中0°＜β＜90°，在折叠、展开过程中折痕夹角β发生改变，进而使得所述结构具有不同的外部轮廓，当β＝0°时所述结构完全折叠，当β＝180°时，所述结构完全展开为平面。

进一步的，本发明组合式可展开结构在展开、折叠运动过程中，纵向尺寸变化，而宽度和高度保持不变。

进一步的，本发明组合式可展开结构中，第二对折构型和第四对折构型的尺寸相同。

本发明组合式可展开结构工作状态下的结构构型中β＝90°。

本发明组合式可展开结构的对称结构横向对称性表现为单榀矩形折纸单元的对称性。每榀矩形折纸单元中第一对折构型的梯形板块单元的对称轴即为矩形折纸结构单元的对称轴，其两侧各包括连接于所述第一对折构型的第二对折构型、连接于所述第二对折构型外侧的第三对折构型、连接于所述第三对折构型外侧的第四对折构型、连接于所述第四对折构型外侧的第五对折构型，呈对称分布。

本发明组合式可展开结构的结构纵向对称性表现为能够通过改变依次拼接的全等矩形折纸单元的数量对结构的纵向长度进行调整。

进一步的，本发明组合式可展开结构的对称结构横向宽度和高度取决于折纸单元中各个对折构型的板块单元的尺寸，第一对折构型的梯形板块的底边长度决定了结构顶部的宽度，第二对折构型的平行四边形板块的长度决定了结构的高度，二维矩形构型中的斜向折痕与水平折痕的夹角α决定了结构的形状。

进一步的，本发明组合式可展开结构的折纸结构单元中第一对折构型的梯形板块的底边长度等于结构顶部的宽度，第二对折构型和第四对折构型中的平行四边形板块的长度与结构总高呈正比关系，结构侧墙与竖直平面所呈的角度和结构底部宽度都与二维矩形构型中的斜向折痕与水平折痕的夹角α(0°＜α＜90°)呈负相关。

进一步的，本发明组合式可展开结构在展开、折叠运动过程中，纵向尺寸变化，而宽度和高度保持不变。该结构具有一个刚性自由度，所述全等矩形折纸单元中，与水平折痕相连的同一对折构型的板块间的夹角为β可自由控制，使结构达到使用所需的长度。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本组合结构是对称结构，每榀矩形折纸单元中各板块构型的长度决定结构的横向尺寸。在结构的设计过程中，通过改变单元长度大小，可以改变建筑宽度的大小，适用于不同的情况，设计简单易行。

本组合结构全等矩形折纸单元中，与水平折痕相连的同一对折构型的板块间的夹角β可自由控制，将β调整到0°到180°任意值时，都能够对结构进行形态固定，使其不再进行折叠展开活动，在使用所需的长度条件下承担庇护功能。

本组合结构由多榀全等的矩形板块单元构成，结构可以由任意数量的矩形板块单元拼接而成。结构所包含的矩形板块单元的数量不影响结构的工作性能。该结构形式能够通过改变折纸单元的数量来灵活调整结构的长度，满足使用的需求。

本组合结构由多个板块拼接而成，板块之间为铰接联系，可灵活转动。调整板块之间的夹角，可将结构由紧凑的折叠状态转换为大体积展开状态，且整个运动过程连续、可逆，便于实现结构的拆卸、安装和移动，易于运输和快速搭建。

本组合结构结构简单，造型美观，制作方便。

附图说明

图1为本发明组合折纸结构平面示意图；

图1中a表示中间梯形板块单元上底边的长度，b表示八块全等平行四边形板块的边长长度，c表示边长长度为b的平行四边形板块之间夹有的较小平行四边形板块的长度，d表示单榀折纸结构单元的宽度的一半，即各个梯形、平行四边形和三角形板块的宽度。α表示平面图中折痕之间的夹角，所示平面图中所有斜向折痕与水平折痕夹角均为α。

图2(a)、(b)(c)分别为三个对应不同折痕夹角α的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图，对本发明做进一步的说明。

本发明结构由多榀依次拼接的全等矩形折纸单元组成，图1为该基于刚性折纸单元的组合式可展开结构平面展开图示意图。每一榀全等矩形折纸单元包括位于中间部位的第一对折构型、分别连接于所述第一对折构型两侧的两个第二对折构型、分别连接于所述第二对折构型外侧的两个第三对折构型、分别连接于所述第三对折构型外侧的两个第四对折构型、分别连接于所述第四对折构型外侧的两个第五对折构型，所述第一对折构型由两块对称设置并在长底边连接的梯形板块单元组成，所述第二对折构型和第四对折构型均由两块全等且相互对称的平行四边形板块单元在顶边连接组成，两对折构型尺寸完全相同，所述第三对折构型由两块全等且相互对称的平行四边形板块单元在底边连接组成，所述第五对折构型为三角形板块单元，每榀全等矩形折纸单元在完全展开于同一平面时，呈现为二维矩形构型。图1为5榀矩形折纸单元依次拼接而成的结构展开平面示意图。

所述的对称结构具有横向对称性，表现为单榀矩形折纸单元的对称性。每榀矩形折纸单元中第一对折构型的梯形板块单元的对称轴即为矩形折纸结构单元的对称轴，其两侧各包括连接于所述第一对折构型的第二对折构型、连接于所述第二对折构型外侧的第三对折构型、连接于所述第三对折构型外侧的第四对折构型、连接于所述第四对折构型外侧的第五对折构型，呈对称分布。

所述的结构具有纵向对称性，表现为结构可以由任意数量的矩形板块单元拼接而成。结构所包含的矩形板块单元的数量不影响结构的工作性能。该结构形式能够通过改变折纸单元的数量来灵活调整结构的长度，满足使用的需求。

本发明结构中每块刚性板块的几何尺寸决定了结构的整体造型。结构在完全展开状态下，每块刚性板块处于同一平面，结构整体呈现为二维矩形构型。在结构展开平面图中，所有斜向折痕与水平折痕的夹角均为α，其中0°＜α＜90°，在展开、折叠运动过程中，角度α保持初始值不变化。例如图1所示的结构展开平面图中，所有斜向折痕与水平折痕的夹角α＝45°。

所述全等矩形折纸单元中，与水平折痕相连的两块刚性板之间的夹角为β，如图1所示，其中0°＜β＜90°，在折叠、展开过程中折痕夹角β发生改变，进而使得所述结构具有不同的外部轮廓，当β＝0°时所述结构完全折叠，当β＝180°时，所述结构完全展开为平面，而当β＝90°时，即为本发明所述的工作状态下的结构构型。

本发明结构横向宽度和高度取决于折纸单元中各个对折构型的板块单元的尺寸，第一对折构型的梯形板块的底边长度a决定了结构顶部的宽度，平行四边形板块的长度b、c决定了结构的高度，二维矩形构型中的斜向折痕与水平折痕的夹角α决定了结构的形状。

所述的折纸结构单元中第一对折构型的梯形板块的底边长度a等于结构顶部的宽度，第二对折构型和第四对折构型中的平行四边形板块的长度b与结构总高呈正比关系，结构侧墙与竖直平面所呈的角度和结构底部宽度都与二维矩形构型中的斜向折痕与水平折痕的夹角α(0°＜α＜90°)呈负相关。

本发明结构的展开状态平面图如图1所示，图中所示实线表示正向折痕，虚线表示相反方向折痕。中间的梯形板块绕折痕发生转动，梯形板块间所呈夹角β＝90度时，呈现出图2所示的结构构型。

本发明结构的使用状态的示意图如图2所示。图2(a)所示结构的平面图尺寸对应图1中编号为：a：4m，b：1m，c：0.3m，d：0.6m，折纸结构单元长0.849m，宽7.89m，高1.76m，共8个单元拼接而成总长6.792m；图2(b)所示结构的平面图尺寸对应图1中编号为：a：4m，b：1m，c：0.3m，d：0.8m，折纸结构单元长1.131m，宽6.84m，高1.95m，共6个单元拼接而成总长6.786m；图2(c)所示结构的平面图尺寸对应图1中编号为：a：4m，b：1m，c：0.3m，d：1.0m，折纸结构单元长1.414m，宽6.00m，高2.00m，共7个单元拼接而成总长9.898m。三种尺寸下的结构呈现出如图所示不同的构型。

本发明结构在使用过程中，可以通过改变矩形折纸单元的榀数或改变展开结构折痕转动角度β的大小，来灵活调整结构的长度，以满足使用的需求。

Claims (4)

1.一种基于刚性折纸单元的组合式可展开结构，其特征在于，该结构包括多榀依次拼接的全等矩形折纸单元，每一榀全等矩形折纸单元包括位于中间部位的第一对折构型、分别连接于所述第一对折构型两侧的两个第二对折构型、分别连接于所述第二对折构型外侧的两个第三对折构型、分别连接于所述第三对折构型外侧的两个第四对折构型、分别连接于所述第四对折构型外侧的两个第五对折构型，所述第一对折构型由两块对称设置并在长底边连接的梯形板块单元组成，所述第二对折构型和第四对折构型均由两块全等且相互对称的平行四边形板块单元在顶边连接组成，所述第三对折构型由两块全等且相互对称的平行四边形板块单元在底边连接组成，所述第五对折构型为三角形板块单元，每榀全等矩形折纸单元在完全展开于同一平面时，呈现为二维矩形构型。

2.根据权利要求1所述的基于刚性折纸单元的组合式可展开结构，其特征在于：所述二维矩形构型中，所有斜向折痕与水平折痕的夹角均为α，0°＜α＜90°，在展开、折叠运动过程中，角度α保持初始值不变化；所述全等矩形折纸单元中，与水平折痕相连的同一对折构型的板块单元间的夹角为β，0°＜β＜90°，在折叠、展开过程中折痕夹角β发生改变，进而使得所述结构具有不同的外部轮廓，当β＝0°时所述结构完全折叠，当β＝180°时，所述结构完全展开为平面。

3.根据权利要求1所述的基于刚性折纸单元的组合式可展开结构，其特征在于：该结构在展开、折叠运动过程中，纵向尺寸变化，而宽度和高度保持不变。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于刚性折纸单元的组合式可展开结构，其特征在于，所述第二对折构型和第四对折构型的尺寸相同。