CN108678174A - 一种自由曲面双向叠合空间网格结构及其连接幕墙的工法 - Google Patents
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Abstract
一种自由曲面双向叠合空间网格结构及其连接幕墙的工法，网格结构包括双向曲面肋杆，双向曲面肋杆包括一组单向曲面主肋和一组单向曲面次肋，曲面内网与曲面外网不共面，两者之间预留有叠合空间层，网格结构还包括连梁，连梁位于叠合空间层内，连梁在叠合空间层内垂直于曲面法线方向设置。本发明通过将两方向网格沿曲面法向错开一定距离，然后通过连梁连接，连接刚度和强度完全可以满足设计要求，连接节点不影响两方向构件外观上的连续，节点简洁美观。本发明的通过将两方向网格沿曲面法向错开一定距离后，两方向网格分离，幕墙系统设置于两方向网格之间，使幕墙系统得到优化，给单元式幕墙的标准化提供便利。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间曲面结构体系，特别是一种自由曲面双向叠合空间网格体系及其与幕墙连接的施工方法。
背景技术
随着社会的发展和人们审美水平的提高，建筑的造型越来越受到人们的重视。建筑物结构形态的选择，不仅影响建筑的安全性和经济性，也直接影响建筑物的实用性、审美性等对建筑物的所有要求。空间结构的主要优点之一是具有丰富的建筑造型，这是其他结构形式无法比拟的优点。伴随着人们对新事物的追求无止境，规则曲面大量应用逐渐让人们对此类建筑物产生审美疲劳，在计算机辅助几何设计技术的飞速发展的推动下，近年来建筑设计人员开始突破传统规则曲面的设计界限，新颖独特的建筑造型越来越多地被建筑师采用，相比一般的解析曲面，自由曲面外观更加优美、自由生动、富于变化的特点给城市带来全新的视觉变现力。所谓自由曲面，是指不能由初等解析曲面组成，而以复杂方式自由变化的曲面。
由于该类自由曲面造型更多的应用于共享功能空间，比如中庭，广场以及观光平台等，在具体的结构形式的选用上，建筑师希望最大化采光及视觉的通透性，单层的空间网格更受青睐。参见附图1所示，传统的单层网格结构采用共面交叉网格线组成，一般存在以下问题：
一、传统单层网格结构的两方向网格在同一曲面上相交形成交叉网格，相交位置通常要求设计为刚接。由于共面相交，两方向构件无法避开，通常需要将其中一个方向构件断开相贯连接于另一方向构件，或设计一个放大的节点让两方向构件全部在节点位置断开连接于节点上，即节点的连接形式以相贯或放大节点区（如球形、毂型）为主。
二、参见附图4所示，传统单层网格结构与围护幕墙结构连接时，通常将幕墙系统设置于网格结构外侧，如设计于网格之间，由于两方向构件相互穿插、实施难度较大。
三、传统单层网格结构由于两方向网格在同一曲面上相交形成交叉网格，网格构件的尺寸偏大，因此面外抗弯刚度和网格的面外变形上均具有较大优化空间。
四、传统单层网格结构应用较多出现的审美疲劳，双向连接节点暴露在外侧，网格节点尺寸偏大相当不美观，同时一些建筑师希望表现单向有规律的网格效果，同时很难接受网格曲线被节点打断，室内外效果和建筑元素单一，供建筑师创作提供空间较小。
发明内容
本发明的目的是提供一种自由曲面双向叠合空间网格结构及其连接幕墙的工法，要解决现有传统单层网格结构存在双向构件需要断开连接施工不便、围护幕墙结构施工难度较大、网格构件尺寸偏大、建筑效果单一的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种自由曲面双向叠合空间网格结构，包括双向曲面肋杆，所述双向曲面肋杆包括一组单向曲面主肋和一组单向曲面次肋，所述单向曲面次肋位于结构体系的内侧形成单层曲面内网，所述单向曲面主肋位于结构体系的外侧形成单层曲面外网，曲面内网与曲面外网不共面，两者之间预留有叠合空间层，
所述自由曲面双向叠合空间网格结构还包括连梁，所述连梁位于叠合空间层内，所述曲面内网与曲面外网上下叠合位置相对应的双向曲面肋杆之间均通过居中设置的连梁固定连接，所述连梁的外端面与单向曲面主肋的内侧表面固定连接，所述连梁的内端面与单向曲面次肋的外侧表面固定连接。
所述曲面内网与曲面外围的弯曲形状相同，所述曲面内网的曲面法线与曲面外网的曲面法线方向相同，所述叠合空间层是曲面内网与曲面外网沿该相同的曲面法线方向错开距离形成。
所述连梁的轴向在叠合空间层内垂直于沿该相同的曲面法线方向设置。
所述连梁与单向曲面次肋之间为焊接或者栓接，所述连梁与单向曲面主肋之间为焊接或者栓接。
所述单向曲面主肋的横截面为四边形或圆形，所述单向曲面次肋的横截面为四边形或圆形，所述连梁的横截面形状为四边形或圆形。
这种自由曲面双向叠合空间网格结构连接幕墙的施工方法，施工步骤如下：
步骤一，通过计算机建模软件对自由曲面双向叠合空间网格结构进行设计并建模，确定单向曲面主肋的形态、数量和位置，单向曲面次肋的形态、数量和位置，连梁的形态、数量和位置，计算各个构件的设计尺寸和模拟受力，确定最终设计图纸并依次对构件进行编号，交付工厂进行加工；
步骤二，将加工好的构件运至施工现场，按编号在模架平台上先进行单向曲面主肋的定位与安装；
步骤三，在单向曲面主肋的下侧固定连接连梁；
步骤四，按编号在连梁的下侧进行单向曲面次肋的定位与安装，自由曲面双向叠合空间网格结构组装完毕；
步骤五，按照单向曲面主肋、单向曲面次肋、次梁和叠合空间层的尺寸，设计幕墙龙骨和幕墙面板的尺寸并编号；
步骤六，搭设施工平台，按编号在叠合空间层内依次插入幕墙龙骨，然后将幕墙龙骨的前后侧分别与前后的连梁固定连接；
步骤七，在幕墙龙骨的左右两侧、相邻的单向曲面主肋之间依次放入幕墙面板，并将幕墙面板固定连接在幕墙龙骨的前侧。
所述幕墙龙骨沿单向曲面主肋的方向设置在叠合空间层内，所述幕墙龙骨为分段设置的带状平板，每段带状平板的前后两个端部分别固定连接在相邻两个连梁之间。
所述幕墙龙骨的左右两侧的外侧面分别固定连接位于同一单向曲面主肋两侧的幕墙面板。
与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：
本发明的自由曲面双向叠合空间网格结构，通过将两方向网格沿曲面法向错开一定距离，然后通过连梁连接，在错开距离适当的条件下，连接刚度和强度完全可以满足设计要求，连接节点不影响两方向构件外观上的连续，节点简洁美观。
本发明的自由曲面双向叠合空间网格结构，通过将两方向网格沿曲面法向错开一定距离后，两方向网格分离，幕墙系统设置于两方向网格之间，使幕墙系统得到优化，给单元式幕墙的标准化提供便利。
本发明的自由曲面双向叠合空间网格结构，由于在两方向网格沿面法向错开，一定程度上提高了面外抗弯刚度，减小了网格的面外的变形，以局部网格为例，新型叠合网格与非叠合的传统网格相比，面外刚度提高了5%左右，同时通过叠合可有效提高自由曲面局部的面外刚度，减小网格构件的尺度。
本发明的自由曲面双向叠合空间网格结构，实现了双向网格的各自连续，幕墙结构居中布置，达到室内、室外不同的单向网格的效果。连接节点隐藏于网格相交的重叠区域，弱化了传统单层网格节点尺寸偏大及构造的不美观的效果；结构体系特点鲜明，通过与幕墙结构的结合，可得到不同的室内外效果，丰富建筑元素，给建筑师创作提供更多的选择。
本发明的自由曲面双向叠合空间网格结构可以很好地适应建筑自由曲面，并得到双向各自连续的建筑效果，同时达到外观单向网格旋转的效果，这是以往单层网格结构体系很难实现的。
本发明的自由曲面双向叠合空间网格结构的施工方法相比传统的单层网格结构施工便捷，可以加快施工工期，施工质量得到最大程度的保证。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1是传统单层网格结构的节点连接示意图。
图2是本发明结构体系的局部连接俯视示意图。
图3是本发明结构体系的节点连接示意图。
图4是传统单层网格结构的幕墙连接示意图。
图5是本发明结构体系的幕墙连接示意图。
附图标记：1－单向曲面主肋、2－单向曲面次肋、3－连梁、4－叠合空间层、5－曲面内网的曲面法线、6－曲面外网的曲面法线、7－幕墙龙骨、8－幕墙面板、9－轴向。
具体实施方式
实施例参见图2-3所示，一种自由曲面双向叠合空间网格结构，包括双向曲面肋杆，所述双向曲面肋杆包括一组单向曲面主肋1和一组单向曲面次肋2，所述单向曲面次肋2位于结构体系的内侧形成单层曲面内网，所述单向曲面主肋1位于结构体系的外侧形成单层曲面外网，曲面内网与曲面外网不共面，两者之间预留有叠合空间层4。
所述自由曲面双向叠合空间网格结构体系还包括连梁3，所述连梁3位于叠合空间层4内，所述曲面内网与曲面外网上下叠合位置相对应的双向曲面肋杆之间均通过居中设置的连梁3固定连接，所述连梁3的外端面与单向曲面主肋1的内侧表面固定连接，所述连梁3的内端面与单向曲面次肋2的外侧表面固定连接。
所述曲面内网与曲面外围的弯曲形状相同，所述曲面内网的曲面法线5与曲面外网的曲面法线6方向相同，所述叠合空间层4是曲面内网与曲面外网沿该相同的曲面法线方向错开距离形成。所述连梁3的轴向9在叠合空间层4内垂直于沿该相同的曲面法线方向设置。所述连梁3与单向曲面次肋2之间为焊接或者栓接，所述连梁3与单向曲面主肋1之间为焊接或者栓接。
所述单向曲面主肋1的横截面为四边形或圆形，所述单向曲面次肋2的横截面为四边形或圆形，所述连梁3的横截面形状为四边形或圆形。本实施例中，所述单向曲面主肋1的横截面为四边形，所述单向曲面次肋2的横截面为圆形，所述连梁3的横截面形状为四边形。连梁3的轴向9在叠合空间层4内垂直于沿该相同的曲面法线方向设置，即四边形的横截面开口朝向叠合空间层设置，不朝向曲面内外网两侧设置。不同的横截面连接和受力差别不大。
参见图5所示，这种包括自由曲面双向叠合空间网格结构的幕墙构造，还包括幕墙龙骨7和幕墙面板8，所述幕墙面板8固定连接在幕墙龙骨7上，所述幕墙龙骨7位于叠合空间层4内、与连梁3固定连接，所述幕墙面板8设置在相邻的单向曲面主肋1之间。
所述幕墙龙骨7沿单向曲面主肋1的方向设置在叠合空间层4内，所述幕墙龙骨7为分段设置的带状平板，每段带状平板的前后两个端部分别固定连接在相邻两个连梁3之间。所述幕墙龙骨7的左右两侧的外侧面分别固定连接位于同一单向曲面主肋两侧的幕墙面板8。
这种自由曲面双向叠合空间网格结构连接幕墙的施工方法，施工步骤如下：
步骤一，通过计算机建模软件对自由曲面双向叠合空间网格结构进行设计并建模，确定单向曲面主肋1的形态、数量和位置，单向曲面次肋2的形态、数量和位置，连梁3的形态、数量和位置，计算各个构件的设计尺寸和模拟受力，确定最终设计图纸并依次对构件进行编号，交付工厂进行加工；
步骤二，将加工好的构件运至施工现场，按编号在模架平台上先进行单向曲面主肋1的定位与安装；
步骤三，在单向曲面主肋1的下侧固定连接连梁3；
步骤四，按编号在连梁3的下侧进行单向曲面次肋2的定位与安装，自由曲面双向叠合空间网格结构组装完毕；
步骤五，按照单向曲面主肋1、单向曲面次肋2、次梁3和叠合空间层4的尺寸，设计幕墙龙骨7和幕墙面板8的尺寸并编号；
步骤六，搭设施工平台，按编号在叠合空间层4内依次插入幕墙龙骨7，然后将幕墙龙骨的前后侧分别与前后的连梁3固定连接；
步骤七，在幕墙龙骨7的左右两侧、相邻的单向曲面主肋1之间依次放入幕墙面板8，并将幕墙面板8固定连接在幕墙龙骨7的前侧。
Claims (8)
1.一种自由曲面双向叠合空间网格结构，包括双向曲面肋杆，其特征在于：所述双向曲面肋杆包括一组单向曲面主肋（1）和一组单向曲面次肋（2），所述单向曲面次肋（2）位于结构体系的内侧形成单层曲面内网，所述单向曲面主肋（1）位于结构体系的外侧形成单层曲面外网，曲面内网与曲面外网不共面，两者之间预留有叠合空间层（4），
所述自由曲面双向叠合空间网格结构还包括连梁（3），所述连梁（3）位于叠合空间层（4）内，所述曲面内网与曲面外网上下叠合位置相对应的双向曲面肋杆之间均通过居中设置的连梁（3）固定连接，所述连梁（3）的外端面与单向曲面主肋（1）的内侧表面固定连接，所述连梁（3）的内端面与单向曲面次肋（2）的外侧表面固定连接。
2.根据权利要求1所述的自由曲面双向叠合空间网格结构，其特征在于：所述曲面内网与曲面外围的弯曲形状相同，所述曲面内网的曲面法线（5）与曲面外网的曲面法线（6）方向相同，所述叠合空间层（4）是曲面内网与曲面外网沿该相同的曲面法线方向错开距离形成。
3.根据权利要求2所述的自由曲面双向叠合空间网格结构，其特征在于：所述连梁（3）的轴向（9）在叠合空间层（4）内垂直于沿该相同的曲面法线方向设置。
4.根据权利要求1所述的自由曲面双向叠合空间网格结构，其特征在于：所述连梁（3）与单向曲面次肋（2）之间为焊接或者栓接，所述连梁（3）与单向曲面主肋（1）之间为焊接或者栓接。
5.根据权利要求1或4所述的自由曲面双向叠合空间网格结构，其特征在于：所述单向曲面主肋（1）的横截面为四边形或圆形，所述单向曲面次肋（2）的横截面为四边形或圆形，所述连梁（3）的横截面形状为四边形或圆形。
6.一种包括权利要求1-5任意一项所述的自由曲面双向叠合空间网格结构连接幕墙的施工方法，其特征在于，施工步骤如下：
步骤一，通过计算机建模软件对自由曲面双向叠合空间网格结构进行设计并建模，确定单向曲面主肋（1）的形态、数量和位置，单向曲面次肋（2）的形态、数量和位置，连梁（3）的形态、数量和位置，计算各个构件的设计尺寸和模拟受力，确定最终设计图纸并依次对构件进行编号，交付工厂进行加工；
步骤二，将加工好的构件运至施工现场，按编号在模架平台上先进行单向曲面主肋（1）的定位与安装；
步骤三，在单向曲面主肋（1）的下侧固定连接连梁（3）；
步骤四，按编号在连梁（3）的下侧进行单向曲面次肋（2）的定位与安装，自由曲面双向叠合空间网格结构组装完毕；
步骤五，按照单向曲面主肋（1）、单向曲面次肋（2）、次梁（3）和叠合空间层（4）的尺寸，设计幕墙龙骨（7）和幕墙面板（8）的尺寸并编号；
步骤六，搭设施工平台，按编号在叠合空间层（4）内依次插入幕墙龙骨（7），然后将幕墙龙骨的前后侧分别与前后的连梁（3）固定连接；
步骤七，在幕墙龙骨（7）的左右两侧、相邻的单向曲面主肋（1）之间依次放入幕墙面板（8），并将幕墙面板（8）固定连接在幕墙龙骨（7）的前侧。
7.根据权利要求6所述的连接幕墙的施工方法，其特征在于：所述幕墙龙骨（7）沿单向曲面主肋（1）的方向设置在叠合空间层（4）内，所述幕墙龙骨（7）为分段设置的带状平板，每段带状平板的前后两个端部分别固定连接在相邻两个连梁（3）之间。
8.根据权利要求7所述的连接幕墙的施工方法，其特征在于：所述幕墙龙骨（7）的左右两侧的外侧面分别固定连接位于同一单向曲面主肋两侧的幕墙面板（8）。
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