CN107514175A - 卵圆薄壳框架晃动式抗地震波建筑结构 - Google Patents

Abstract

提供一种卵圆薄壳框架晃动式抗地震波建筑结构，具有仿生卵生动物卵壳由经纬钢筋交织、长轴与地面平行的偏轴椭圆体框架和薄壳体，薄壳体外侧底部设有带缓冲层的承载凹面，且薄壳体整体以及其下半部分内部空间分隔体用钢筋混凝土浇注制成，薄壳体内部上半部分空间分隔体用轻质材料预留玻璃穹顶制成，与玻璃穹顶直通在中心构造天井，围绕天井构造多层带多间独立单元房的环状居住平台。本发明在节省建筑原料且保证结构强度的基础上，通过曲面接触晃动的方式，实现了建筑在地震带地域条件下长期入住时，抗击强烈地震纵横波，防止建筑结构本身发生任何畸变、倒塌和开裂的技术问题。

Description

卵圆薄壳框架晃动式抗地震波建筑结构

技术领域

本发明属固定建筑物能经受保护其不受地震影响的建筑结构技术领域，具体涉及一种卵圆薄壳框架晃动式抗地震波建筑结构。

背景技术

现有技术下，抗震的房屋建筑，大多以临时性避难所用的球形、椭球形结构为主，但仅能解决一时之急，却在非地震时期长期闲置，避震设施整体利用率不高，无法满足多户长期居住的需求。此外，以授权公告号为CN101654962的震不倒的楼房为例，该建筑虽然解决了多户长期入住的问题，但是其实心半球体地基，以及实心半球地基中多立柱、斜柱、横梁辅助支撑结构，不仅加重了建筑的资金和资源投入，而且由于建筑地基与地面之间若干的刚性支撑和连接结构，与其它类增加配重、抗风柱或深地基加装弹簧的建筑一样，仍无法抵抗地震横波、纵波对建筑整体力学弯、扭矩牵拉形变所带来的结构性破坏影响，建筑最终是否会变为C级D级危房，完全取决于地基和辅助加强支撑结构的入地深度和牢固程度，因此其抗震效果与传统地基式建筑并无多大差异，受强烈地震影响，该类建筑结构仍旧存在断裂、位移和扭曲隐患，为彻底改善这一现状，现提出如下技术方案。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种卵圆薄壳框架晃动式抗地震波建筑结构，与地面之间无刚性连接，不受地基弯扭矩影响，通过长轴横置，仿生卵生动物卵壳构造而成的框架式薄壳状建筑主体，辅助上轻下重的不倒翁结构，使卵壳状的建筑整体借助缓冲层在承载凹面内以曲线接触方式随震波微小晃动和滚动，来彻底解决现有技术下其它类抗震建筑遇特大地震仍旧存在的地基断裂、移位、扭曲等潜存问题，具有结构最为简单，易于实现，最为节省建筑材料，更为坚固，适合多人多户长期入住且采光均匀充分的综合性优势。

本发明采用的技术方案：卵圆薄壳框架晃动式抗地震波建筑结构，具有仿生卵生动物卵壳形状，由经纬钢筋交织构造而成且长轴与地面平行的偏轴椭圆体框架，所述框架外层固化薄壳体，所述薄壳体外侧底部具有与其底面曲面弧度相匹配设于地面的承载凹面，所述承载凹面通过薄壳体整体在其内的晃动解决地震对建筑的破坏性问题，且薄壳体与承载凹面之间设有用柔性材料制成的缓冲层；其中薄壳体整体以及其下半部分内部空间分隔体用钢筋混凝土浇注制成，薄壳体内部上半部分空间分隔体用轻质材料制成，且薄壳体竖向短轴顶端预留玻璃穹顶，与玻璃穹顶直通沿薄壳体短轴中心构造天井，围绕天井构造多层环状居住平台，每层环状居住平台分隔出多间并排呈环状分布独立的单元房。

上述技术方案中，为利用仿生卵生动物卵壳普遍所具有的最优长短轴比使其在晃动时的位移方向以曲线形式表现；并利用最为节省建筑原料的薄壳式结构通过设置合适的薄壳厚度来保证建筑物的坚固度，使其不易断裂、坍塌，作为优选技术方案，所述框架长轴a为短轴b长度的二倍，且长短轴交点O位于长轴a的3/5、短轴b的1/2处；所述薄壳体厚度为短轴的1/500，长轴的1/1000。

上述技术方案中，为充分发挥建筑在晃动式避震时协同具有不倒翁的作用，保证多层式建筑全入住后的重心仍旧在建筑总体积的五分之二以下，作为优选技术方案，所述薄壳体内部上半部分空间的分隔体用木材制成。

上述技术方案中，为在薄壳框架式结构建筑的基础上结合承载凹面和缓冲层共同作用进一步提升建筑整体晃动过程中的缓冲性能，作为优选技术方案，所述承载凹面设于地面的夯土层之上。

上述技术方案中，为在曲面薄壳式结构的建筑基础上与玻璃穹顶相结合实现每间独立单元房住户提供内外相结合的最大化采光，并避免采光窗户结构设计随壳体晃动过程中出现应力不均的现象，提高窗户以及门体的结构强度，作为优选技术方案，所述薄壳体的曲面设有对应每间单元房设置的圆角窗户；所述薄壳体的下半部分设有进出建筑的圆角门体，所述圆角门体内设有上下建筑的楼梯。

本发明与现有技术相比的优点：

1、本方案建筑底部与地面之间为非刚性直接连接，且建筑底部通过曲面承载凹面和缓冲层的依托承载建筑本身，通过仿生卵生动物卵壳构造而成的建筑外壳，利用其壳体结构所具有的经济节省、坚固，和遇震动，该壳体可在缓冲层和地面承载凹面内发生曲线方向微小晃动和滚动的现象，用晃动和微小滚动的方式解决震动波对建筑构造本身产生的破坏力影响，不受地面任何扭矩和弯矩的牵拉所导致的建筑构造上改变，利用仿生设计，像鸡蛋在平面晃动那样，巧妙地解决建筑抗地震纵横波的结构性破坏问题；

2、本方案长轴与地面平行，短轴垂直于地面，较短轴与地面平行，长轴与地面垂直的椭圆形建筑结构而言，通过降低建筑重心高度并增加水平长轴长度的方式来提高建筑整体晃动过程中的平衡复原能力，诸如长短轴之比为2:1，且长短轴交点为长轴3/5、短轴的1/2处的偏轴椭圆体结构，仿生卵生动物卵壳长短轴构造比的优选实施例，结合经纬钢筋交错构造而成的框架骨架进一步支撑薄壳体结构，省去深地基、配重支撑等冗余构造部件，保证建筑结构强度的基础上更为节省建筑资源投入，完全借助力学平衡来平衡建筑本身，更符合经济、节约建筑资源新时代建筑的设计要求；

3、本方案薄壳体内上半部分空间分隔体为轻质材料，薄壳体整体以及其内下半部分空间分隔体为钢筋混凝土材料的结构分布，在仿生卵生动物卵壳构造而成的薄壳建筑的基础上，协同不倒翁原理，为建筑无需地基支撑，抗震波晃动过程中建筑重心更为靠下所带来的稳定性的进一步提升，提供了有力保证；

4、本方案中间天井、天井顶端的玻璃穹顶、围绕天井设置多层环形平台的布局结构，多层环形平台不仅满足了更多人更多户家庭可长期入住抗震的居住需求，较仅在球形建筑曲侧壁面设置窗户采光的设计而言，提供了中间采光补充，通过简单设计，为各层环形均布的单元房白天提供了更为充分和均匀的采光；

5、本方案框架和薄壳构成的建筑主体结构，仿生动物卵壳，不仅节约了建筑原材料，而且通过框架结构支撑的薄壳主体，用更少、更精简的结构组成，解决了薄壳建筑整体的坚固性问题，而且该结构主体框架成型快，更易于实现。

附图说明

图1为本发明薄壳框架的结构示意图；

图2为本发明多层环状居住平台的结构示意图；

图3为图2中某一环状居住平台的俯视图；

图4为本发明的外部结构示意图；

图5为本发明承载凹面的另一实施例结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的具体实施例。

以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。下述实施例中所提及的材料和部件，如无特殊说明，均为常规材料和部件。

卵圆薄壳框架晃动式抗地震波建筑结构，为提供结构最为简单，易于实现，节省建筑材料，更为坚固，能有效解决强地震波破坏力并适合长期入住的椭圆体薄壳房屋结构，本发明具有仿生卵生动物卵壳形状，由经纬钢筋交织构造而成且长轴与地面平行的偏轴椭圆体框架1(如图1所示)，通过框架1作为建筑的骨骼支撑，并通过将长轴与地面平行来降低建筑的结构重心，保证建筑的稳定性和牢固程度，此外所述框架1外层固化薄壳体2，通过仿生动物卵壳的薄壳体2一方面为节约建筑原料提供支持，另一方面，从仿生学角度出发研究发现，几乎所有卵生动物的卵壳经过千百万年的自然选择，都以椭圆薄壳体形状呈现。以鸡蛋为例，其壳的厚度仅为0.1-0.2mm，短轴大约50mm，长轴大约100mm，虽然壳体厚度之薄，但是该形状壳体结构，成形后的坚固度尤其是遇振动后通过曲线方向位移更小的晃动或滚动方式解决震动波对壳体损坏的抗破坏力效果最佳。受卵生动物的卵壳构造的启发，本发明建筑主体结构设计为椭圆体框架1结合薄壳体2的形状。作为可长期入住的抗震建筑设计而言，为了保证建筑本身的稳定性并较其他地基式建筑具有卵壳独特的晃动式抗震性能，所述薄壳体2外侧底部具有与其底面曲面弧度相匹配设于地面的承载凹面6，所述承载凹面6通过薄壳体2整体在其内的曲线接触式的晃动彻底解决强烈地震纵横波对建筑的破坏性问题，且薄壳体2与承载凹面6之间设有用柔性材料制成的缓冲层7；具体实施时，所述柔性材料可用橡胶、沙土、卵石等能吸收纵、横向能量的材料混合而成。在上述结构基础上，为进一步利用不倒翁原理最大限度地降低建筑整体的重心：其中薄壳体2整体以及其下半部分内部空间分隔体用钢筋混凝土浇注制成，薄壳体2内部上半部分空间分隔体用轻质材料制成，即偏轴椭圆体薄壳体内部1/2空间分割为钢筋混凝土框架1结构，并与钢筋混凝土浇筑而成的的薄壳体2连接为一体；偏轴椭圆体薄壳体内部1/2以上部位空间分割以钢材、木材混合结构，以使偏轴椭圆体薄壳房屋的重心最大限度地处于其体积的2/5以下部分。此外，为实现建筑内各层居住空间的充分采光，薄壳体2竖向短轴顶端预留玻璃穹顶3，与玻璃穹顶3直通沿薄壳体2短轴中心构造天井4，为满足多人多户长期入住需求，围绕天井4构造多层环状居住平台5(如图2所示)，每层环状居住平台5分隔出多间并排呈环状分布独立的单元房8(如图3所示)。

上述技术方案中，为利用仿生卵生动物卵壳普遍所具有的最优长短轴比使其在晃动时的位移方向以曲线形式表现；并利用最为节省建筑原料的薄壳式结构通过设置合适的薄壳厚度来保证建筑物的坚固度，使其不易断裂、坍塌，作为优选技术方案，所述框架1长轴a为短轴b长度的二倍，且长短轴交点o位于长轴a的3/5、短轴b的1/2处(如图3所示)；所述薄壳体2厚度为短轴的1/500，长轴的1/1000。该结构会比鸡蛋薄壳更加坚固，较鸡蛋等卵壳内部是液体的结构而言，该建筑在椭圆体薄壳体2结构内增加了框架支撑，因此牢固度更保证。其中，多层环状居住平台5以及建筑主体的各项实际参数，可在生产实践中去进一步筛选和验证，在此不做赘述。

上述技术方案中，为充分发挥建筑在晃动式避震时协同具有不倒翁的作用，保证多层式建筑全入住后的重心仍旧在建筑总体积的五分之二以下，作为优选技术方案，所述薄壳体2内部上半部分空间的分隔体用木材制成。

上述技术方案中，为在薄壳框架式结构建筑的基础上结合承载凹面6和缓冲层7共同作用进一步提升建筑整体晃动过程中的缓冲性能，作为优选技术方案，所述承载凹面6设于地面的夯土层之上。具体实施时，(参见图2所示实施例)所述承载凹面6可为相对于地面夯土层的下沉式结构。(如图5所示实施例)所述承载凹面6还可为相对于地面夯土层的曲面高台式结构。

上述技术方案中，为在曲面薄壳式结构的建筑基础上与玻璃穹顶3相结合实现为每间独立单元房8住户提供内侧光照和外侧光照相结合的最大化采光，并避免采光窗户结构设计随壳体晃动过程中出现应力不均的现象，提高窗户以及门体的结构强度，作为优选技术方案，(如图4所示)所述薄壳体2的曲面设有对应每间单元房8设置(仿照飞机舷窗设计)的圆角窗户9；同理地，所述薄壳体2的下半部分设有进出建筑的圆角门体10，为方便住户进出上下各层生活居住平台，所述圆角门体10内设有上下建筑的楼梯11。

可见，本发明建筑底部与地面之间为非刚性直接连接，且建筑底部通过曲面承载凹面6和缓冲层7的依托承载建筑本身，通过仿生卵生动物卵壳构造而成的建筑外壳，利用其壳体结构所具有的经济节省、坚固，和遇震动，该壳体可在缓冲层和地面承载凹面内发生微小晃动和滚动的现象，用晃动和微小滚动的方式解决震动波对建筑构造本身产生的破坏力影响，不受地面任何扭矩和弯矩的牵拉所导致的建筑构造上改变，利用仿生设计，像鸡蛋在平面晃动那样，巧妙地解决建筑抗地震纵横波的结构性破坏问题；其次，长轴与地面平行，短轴垂直于地面，较短轴与地面平行，长轴与地面垂直的椭圆形建筑结构而言，通过降低建筑重心高度并增加水平长轴长度的方式来提高建筑整体晃动过程中的平衡复原能力，诸如长短轴之比为2:1仿生卵生动物卵壳长短轴构造比的优选实施例，结合经纬钢筋交错构造而成的框架1骨架进一步支撑薄壳体结构，省去深地基、配重支撑等冗余构造部件，保证建筑结构强度的基础上更为节省建筑资源投入，完全借助力学平衡来平衡建筑本身，更符合经济、节约建筑资源新时代建筑的设计要求；再者，薄壳体2上半部分为轻质材料下半部分为钢筋混凝土材料的结构分布，在仿生卵生动物卵壳构造而成的薄壳建筑的基础上，协同不倒翁原理，为建筑无需地基支撑，抗震波晃动过程中建筑重心更为靠下所带来的稳定性的进一步提升，提供了有力保证；本方案中间天井4、天井顶端的玻璃穹顶3、围绕天井3设置多层环形平台5的布局结构，多层环形平台5不仅满足了更多人更多户家庭可长期入住抗震的居住需求，较仅在球形建筑曲侧壁面设置窗户采光的设计而言，提供了中间采光补充，通过简单设计，为各层环形均布的单元房白天提供了更为充分和均匀的采光；最后框架1和薄壳体2构成的建筑主体结构，仿生动物卵壳，不仅节约了建筑原材料，而且通过框架结构支撑的薄壳主体，用更少、更精简的结构组成，解决了薄壳建筑整体的坚固性问题，而且该结构主体框架成型快，更易于实现。

综上所述，该薄壳体建筑结构即使在强地震波条件下，卵状框架支撑一体化结构的建筑物主体，既能最大限度地降低建筑成本，节省建筑材料，而且保证了建筑的坚固度，尤其结构重心和置于柔性材料之上在强地震波条件下以“晃动”方式彻底解决地震波对建筑物的破坏问题，避免断裂、坍塌成为危房的现象；结合晃动时位移方向以曲线形式表现，达到在强地震波条件下位移最小，更加稳定。

上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (5)

1.卵圆薄壳框架晃动式抗地震波建筑结构，其特征在于：具有仿生卵生动物卵壳形状，由经纬钢筋交织构造而成且长轴与地面平行的偏轴椭圆体框架(1)，所述框架(1)外层固化薄壳体(2)，所述薄壳体(2)外侧底部具有与其底面曲面弧度相匹配设于地面的承载凹面(6)，所述承载凹面(6)通过薄壳体(2)整体在其内的晃动解决地震对建筑的破坏性问题，且薄壳体(2)与承载凹面(6)之间设有用柔性材料制成的缓冲层(7)；其中薄壳体(2)整体以及其下半部分内部空间分隔体用钢筋混凝土浇注制成，薄壳体(2)内部上半部分空间分隔体用轻质材料制成，且薄壳体(2)竖向短轴顶端预留玻璃穹顶(3)，与玻璃穹顶(3)直通沿薄壳体(2)短轴中心构造天井(4)，围绕天井(4)构造多层环状居住平台(5)，每层环状居住平台(5)分隔出多间并排呈环状分布独立的单元房(8)。

2.根据权利要求1所述的卵圆薄壳框架晃动式抗地震波建筑结构，其特征在于：所述框架(1)长轴a为短轴b长度的二倍，且长短轴交点O位于长轴a的3/5、短轴b的1/2处；所述薄壳体(2)厚度为短轴的1/500，长轴的1/1000。

3.根据权利要求1所述的卵圆薄壳框架晃动式抗地震波建筑结构，其特征在于：所述薄壳体(2)内部上半部分空间的分隔体用木材制成。

4.根据权利要求1所述的卵圆薄壳框架晃动式抗地震波建筑结构，其特征在于：所述承载凹面(6)设于地面的夯土层之上。

5.根据权利要求1所述的卵圆薄壳框架晃动式抗地震波建筑结构，其特征在于：所述薄壳体(2)的曲面设有对应每间单元房(8)设置的圆角窗户(9)；所述薄壳体(2)的下半部分设有进出建筑的圆角门体(10)，所述圆角门体(10)内设有上下建筑的楼梯(11)。