CN108505615A - 一种可展曲面管状结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可展曲面管状结构，该可展曲面管状结构由沿轴向分布的至少一个曲面管状模块构成，单个曲面管状模块是具有多边形截面的薄壁管件，所述薄壁管件表面设有预制的曲线压痕纹路，在卷曲形成管件过程中，自然形成曲面。曲面可对其曲线压痕进行修改，包括改变曲线压痕的曲率、延伸方向和排布密度；具有可展性的曲面管状结构能同时满足高比吸能率和可控的稳定变形的结果，以及其它理想的曲面管状结构的要求；本发明的折痕形状便于成型，整个结构的表面为可展面，即其表面能够完全展开为一个平面。可展面的优点在于采用板材压制成型时加工更为方便，生产成本低，加工精确性高。

Description

一种可展曲面管状结构

技术领域

本发明属于建筑结构设计的技术领域，涉及到建筑、土木设施建设过程中的结构性设计，特别涉及到一种在轴向压力作用下，能够快速可控的可展曲面管状结构。

背景技术

建筑的曲面造型是现代新颖的建筑设计中十分重要的发展方向。在目前的建筑设计中，通常是先制作起支撑作用的支架并在其表面覆盖曲面形成曲面构型，达到牢固且美观的效果。这种方式对建筑设计者与施工者来说不仅工艺复杂，而且耗时较长。

曲面构型在建筑设计中一般置于建筑结构的外立面等，用新颖的方式划分空间，给身处其中的人们提供良好的美学感受同时曲面结构也承担一定的载荷。但曲面结构相对平面结构较为复杂，在设计之中对其的要求与限制相对较多。

理想的曲面结构需要满足以下条件：1)外形美观，符合美学设计思想；2)稳定，有可控的预设的变形模式；3)质量轻；4)成本低廉，便于设计加工；5)安装方便，极易与其他建筑结构相配合。传统上，由钢筋，混凝土搭建结构内部框架，用水泥灰浆，或高强度复合纤维材料覆盖于支架表面形成曲面结构。这类曲面结构的主要问题在于它们的设计，加工时间相对较长，对曲面承载的研究尚不完善，计算验证周期较长。同时，由于曲面构型相对特殊，也很难与其他建筑结构相连接适配，这就使得曲面结构的很难广泛应用与实际工程之中。

为了提高曲面结构的加工方便性，可采用可展及结构。有些专利在设计管状结构的复杂表面时，采取了可展的结构设计，即使该结构可平面展开，即可通过按压折痕的方式，得到该复杂结构。且相邻面之间的连接处为一体形成，相对稳固受此启发，可设计拥有可展的几何特性的曲面结构。

在曲面构型中，曲面在承载过程中，其变形往往不可控制，不可预测。而在近期的研究中可以发现由一些特定曲线延伸而形成的曲面可发生相对稳定的变形。即在施加合理的载荷下，设计好的曲面结构会按设计的纹路自然变形，达到稳定的状态。

综上所述，目前有必要提出一种同时来满足美观与承担一定载荷，加工制造方便，从而符合面建筑结构的要求。在通常条件下，以上的要求是相互冲突的，因为在设计曲面的过程中，美观与易于加工往往难以兼得。因此，一种能同时满足以上要求的设计会在曲面的建筑结构中有重要的应用

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，解决曲面建筑结构设计过程中难以控制变形的问题，提供一种易于制造和安装的低成本可展曲面管状结构。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种可展曲面管状结构，该可展曲面管状结构由沿轴向分布的至少一个曲面管状模块构成，单个曲面管状模块是具有多边形截面的薄壁管件，所述薄壁管件表面设有预制的曲线压痕纹路，在卷曲形成管件过程中，自然形成曲面。

进一步的，所述曲面管状模块的多边形截面采用正方形、矩形、菱形、梯形、三角形或六边形其中的一种或几种。

进一步的，所述可展曲面管状结构的整体形状沿轴向是等截面竖直或变截面竖直的，且上下层曲线连接处构成有连续曲线。

进一步的，曲面可对其曲线压痕进行修改，包括改变曲线压痕的曲率、延伸方向和排布密度；可展曲面管状结构沿轴向采用相同的曲线连接或不相同的曲线连接；在单个模块中相邻曲面的每个曲线连接采用相同的曲线连接或不相同的曲线连接。

进一步的，沿轴向方向的所述曲面管状模块长度是等长度或不等长度的设置。

进一步的，所述薄壁管件是可折展的，由塑料聚合物或纸板通过压制曲线压痕、折叠和卷曲并连接而成。

进一步的，所述可展曲面管状结构可通过其轴向的两个端部与横梁、纵梁或圆管部件连接。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

具有可展性的曲面管状结构能同时满足高比吸能率和可控的稳定变形的结果，以及其它理想的曲面管状结构的要求；本发明的折痕形状便于成型，整个结构的表面为可展面，即其表面能够完全展开为一个平面。可展面的优点在于采用板材压制成型时加工更为方便，生产成本低，加工精确性高。

附图说明

图1是本发明所提供的一种可展管状结构实施例1中表面的曲线压痕分布的示意图；

图2是实施例1中表面曲线生成过程的示意图；图2中a表示实施例1中单条曲线生成，b表示实施例1中一对曲线生成，c表示实施例1中所有设计曲线生成；

图3是实施例1的薄板实物图与最终成品图,左侧为薄板实物图，右侧为最终成品图；

图4是实施例2的薄板实物图与最终成品图,左侧为薄板实物图，右侧为最终成品图；

图5是实施例3的薄板实物图与最终成品图,左侧为薄板实物图，右侧为最终成品图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明保护一种可展曲面管状结构，该曲面管状结构由沿轴向分布的一个或多个曲面管状模块构成，单个曲面管状模块具有下述结构：它是具有多边形截面的薄壁管件；多边形截面采用正方形、矩形、菱形、梯形、三角形或六边形等。薄壁管件的表面分布有均匀间隔，对称排布的“S”型波浪线压痕，从而在卷曲后自然形成曲面结构。沿轴向方向的曲面管状模块长度是等长度的，或不等长度的设计。

将引入曲线折痕纹路的薄壁管件作为建筑承载结构，每个曲面管状模块有预先设计的曲线的压痕纹路，即引入相应的几何缺陷，并在受压，发生轴向变形时有获得预设的最终屈曲模式，其作为发明的核心内容。从整体上来看，本发明是一种在普通薄壁管的管壁上引入曲线的折痕纹路所形成的特殊形状薄壁管。对比本发明中的截面为六边形的曲面管状结构和普通的六边形截面管，本发明的明显特征是在它的表面，分别沿管件轴向，沿管件周向，外型上整个管状结构表面由若干曲面三角形和曲面菱形表面组成。因此，与普通六边形截面管相比，本发明的曲面管状结构在受压时可产生一种预设的变形模态，形成双稳态结构，而不是普通六边形截面管的对称型模态，即在任意位置出现变形屈曲。从而得到可控的理想的曲面变形结果。需要指出的是曲线压痕还包括对其进行几何形状的修改，本发明沿轴向采用相同的曲线折痕设计或不相同的曲线折痕设计。

另外，曲面管状结构的整体形状沿轴向可以是等截面直的或变截面倾斜的。变截面曲面管状结构设计是指曲面管状结构从侧面看是部分为矩形、部分为梯形，或全部为梯形，这样的设计要求临近的曲面管状结构模块之间具有成比例放大或缩小的关系。

在加工工艺上，由于本发明描述的压痕式曲面管状结构均是可展的，即该曲面管状结构展开后是平面。因此，本发明的曲面管状结构能用整体按压压痕工艺加工，这需要预先制作本发明所述折痕纹路的图纸，利用激光雕刻，或磨具压制等压制工艺在0.5至10mm的金属材料或弹性较好的复合材料板材按压折痕获得。

本发明的加工方法具体是：采用先加工半个或部分管状结构，又称半壳或部分壳，再由两个半壳或若干部分壳组装成整体结构的加工方式。当每个壳加工成型以后，壳在纵向边缘处形成重叠交错并通过焊接、高强胶水或者其他方式相互连接。考虑到缩减本发明装置的加工成本，半壳或部分壳采用完全相同的形状，这样在工业化生产时只需一种加工壳的设备，生产程序得到简化。此外，在采用焊接连接的情况下，推荐电阻点焊方法，达到节约生产成本且满足保持整体结构的要求。

根据上述方案所得的可展的曲面展开结构是通过其端部与建筑结构中的其它部件连接的，端部形式是管壁部分的自然延伸，或在该可展的曲面展开结构另加一块端部板与其焊接为一体，或直接焊接于或连接于建筑结构中的其它部件。

实施例1：矩形等截面曲面管状结构的一种实施方式。

如图1所示，表示一种曲痕式管状结构，包括在薄板材料上均匀设置有若干“S”型曲线压痕S10，该曲线折痕沿周向均匀两方向相平行的四条压痕围成一个曲边菱形，薄板一端设有粘胶处A10,供卷曲后粘胶使用。薄板材料可以为卡纸，PP板等材料，薄板尺寸约为A4(293mm*210mm)。压痕由激光雕刻机加工而成。本实施例中的设计有曲痕S10共有11条，沿水平方向上均匀分布，卷曲后其横截面将形成正五边形。本实施例中粘贴区A10所用的粘胶为柔性纤维胶带，不仅提供足够的强度，也不影响曲面的变形。本实施例中上边缘L11与下边缘L12长度相同，故整体卷曲后呈圆柱形。

结合图2中a、b、c为压痕曲线的设计过程。如图2中a所示，曲线S101由现有的屈曲函数生成，计算机绘图软件绘制得到。设计曲线S101均沿竖直方向延伸，并围绕该方向直线L101左右波动，呈S形，形成沿竖直方向交错分布的波峰B1和波谷B2，共有3组，在薄板竖直方向上形成3个曲边菱形单元E10，即在卷曲后的管状结构的轴线方向上，将形成3个曲面单元。

如图2中b所示，曲线S101在水平方向关于直线L102对称，形成一对曲线S102与S101，并包围了一组纵向分布的曲边四边形单元E10。重复b所示的单元5次之后，形成薄板上完整的曲线分布设计，如c所示曲面。

如图3所示，得到完整的曲线分布设计之后，由激光雕刻机切割压痕，切割深度为约薄板厚度的三分之一左右。本实施例中的曲线压痕S11，用黑色记号笔标注，描粗，突出其曲线特征，增加其美观性。由该组曲痕均匀分布，围成薄板上的曲边菱形单元E11。

具体使用时，可通过两种方式处理带有压痕的薄板，从而实现可预先设计的曲面单元E12。第一种方式，将所有设置的压痕全部向未雕刻图案面折叠一次或多次，然后卷曲呈圆柱形，将薄板两端的粘接处连接，使之牢固稳定。完成后，圆柱形表面将形成均匀分布的小曲面结构E12。第二种方式，将所有设置的压痕分别向两侧折叠，压平后，卷曲成圆柱体，将薄板两端的粘接处连接，使之牢固稳定，然后将圆柱体放置与水平面上，在圆柱体上端放置平面重物，如较厚的杂志，书册等。静置一段时间之后，也圆柱体表面将出现均匀分布的小曲面结构E12。由以上两种手工制作方式，所得的成品如图3右所示。管状结构表面排布有自然形成的小曲面菱形单元，其高度，曲面形态与设计者设计的结构完全吻合，且曲面可保持稳定状态。整体造型凹凸有致，美观大方。此时将元件置于管状空腔之中，便可利用于建筑等承载结构之中，不仅加工方便，还有一定的装饰作用。

实施例2：

如图4所示；本实施例与上一实施例1的不同之处在于，其曲痕形态S21有所不同，将围成曲边菱形单元E21。共均匀分布有13条曲痕，使薄板卷曲后形成正六边形横截面。在竖直方向上，共有2组波峰波谷，在薄板竖直方向上形成2个曲边菱形单元E21，即在卷曲后的折纸管状结构的轴线方向上，将形成2个曲面单元E22。按上述实施例中的操作步骤进行折叠和压缩之后，依旧能够在圆柱体表面形成均匀分布的小曲面结构，由该种曲线压痕所形成的曲面菱形单元E22相对高瘦，制成的成品如图4右所示，与实施例1不同，可满足不同的结构需求。

实施例3：

如图5所示；本实施例与上述两个实施例的不同之处在于，其曲线折痕的形态波动幅度较大，曲线S31交错排布，在其有限高度上未形成完整的曲边菱形单元，如图所示，图中单元E31。卷曲后形成不完整的曲面菱形单元E32。按上述实施例中的操作步骤进行折叠和压缩之后，亦可在管状结构表面形成小曲面结构E32，最终形成成品如图5右所示。

综上所述，如上述本发明的组成，使用者可通过手工折叠，按压，粘贴等步骤简单快捷地制作带有规律分布的凹凸的小曲面的可展管状结构。在轴向受压过程中，可展管状结构可实现稳定的变形达到设计者的设计目的。并且可展管状结构内部可作为空腔放置建筑构件等，同时其曲面结构也可起到一定的装饰作用。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可展曲面管状结构，其特征在于，该可展曲面管状结构由沿轴向分布的至少一个曲面管状模块构成，单个曲面管状模块是具有多边形截面的薄壁管件，所述薄壁管件表面设有预制的曲线压痕纹路，在卷曲形成管件过程中，自然形成曲面。

2.根据权利要求1所述一种可展曲面管状结构，其特征在于，所述曲面管状模块的多边形截面采用正方形、矩形、菱形、梯形、三角形或六边形其中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述一种可展曲面管状结构，其特征在于，所述可展曲面管状结构的整体形状沿轴向是等截面竖直或变截面竖直的，且上下层曲线连接处构成有连续曲线。

4.根据权利要求1所述一种可展曲面管状结构，其特征在于，曲面可对其曲线压痕进行修改，包括改变曲线压痕的曲率、延伸方向和排布密度；可展曲面管状结构沿轴向采用相同的曲线连接或不相同的曲线连接；在单个模块中相邻曲面的每个曲线连接采用相同的曲线连接或不相同的曲线连接。

5.根据权利要求1所述一种可展曲面管状结构，其特征在于，沿轴向方向的所述曲面管状模块长度是等长度或不等长度的设置。

6.根据权利要求1所述一种可展曲面管状结构，其特征在于，所述薄壁管件是可折展的，由塑料聚合物或纸板通过压制曲线压痕、折叠和卷曲并连接而成。

7.根据权利要求1或3所述一种可展曲面管状结构，其特征在于，所述可展曲面管状结构可通过其轴向的两个端部与横梁、纵梁或圆管部件连接。