CN110792173B - 一种张拉整体三棱柱结构及找形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种张拉整体三棱柱结构及找形方法，结构包括压杆和拉杆；3根压杆的端点形成位于底面的节点A、节点B和节点C，以及位于顶面的节点a、节点b和节点c；3根拉杆的一端分别与节点A、节点B和节点C连接，另一端聚合连接形成节点D；另外3根拉杆的一端分别与节点a、节点b和节点c连接，另一端聚合连接形成节点d；最后3根拉杆的两端分别连接节点a和节点C、节点b和节点A、以及节点c和节点B；3根压杆和9根拉杆共形成8个三点相交的节点。本发明提供的结构形成自应力平衡结构，与传统张拉整体结构相比，每个节点减少一根杆件，结构更加简洁；本发明提供的方法避免了有限元软件计算，可直接用纸笔作图得到。

Description

一种张拉整体三棱柱结构及找形方法

技术领域

本发明涉及张拉整体结构技术领域，尤其是张拉整体三棱柱结构，更具体的说是涉及一种张拉整体三棱柱结构及找形方法。

背景技术

张拉整体结构(Tensegritystructures)是由一组相互独立的受压单元与一套连续的受拉单元相交构成的自应力、自平衡的空间铰接网格结构体系。张拉整体结构来自于大自然连续拉和间断压的客观规律，其概念最早由Fuller于20世纪六十年代提出，因具有外形美观、质量轻盈、内力自平衡等优点引起广泛关注，并试图将张拉整体结构应用在大跨度空间结构中，但是到目前仍没有真正的张拉整体建筑结构作品。

现有的张拉整体结构每个节点至少有4根杆件，1根压杆和3根拉杆，本发明给出的新型张拉整体结构每个节点只有3根杆件，仍能保持结构稳定，形成自应力平衡结构，与传统张拉整体结构相比，结构更加简洁。

张拉整体结构中压杆承受压力，拉杆只能承受拉力，拉杆也可以用拉索代替。施加预应力后所有拉杆都处于受拉状态，形成自平衡体系，一旦一根拉杆拉力降低为0，整个结构失去稳定性。

力学和几何学是密不可分的，张拉整体结构是力学与几何学的完美结合。张拉整体结构的特点决定了该结构体系的核心问题是找形问题。张拉整体结构找形总体可以分为两类：运动学方法和静力学方法，运动学方法的典型方法是动态松弛法，静力学方法的典型方法是力密度法。在现有找形理论中，主要找形思路是将张拉整体结构的找形问题归结为求解压杆最大长度或拉索最小长度的约束优化问题，并运用非线性规划的方法进行求解，这种方法可以借助非线性规划这一数学分支的优化软件完成找形分析。找形作为一种非线性过程，经常是无序的，且找形过程由计算机来完成，缺少直观性，还会遇到找形过程不收敛等困难。

许多情况下结构找形是根据建筑师对结构造型的要求进行的，也就是需要建筑师参与结构找形。有限元软件进行分析的找形方法不适宜实际的使用需求。

因此，如何提供一种结构简洁稳定的自应力张拉整体平衡结构，以及简单有效的找形方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种张拉整体三棱柱结构及找形方法，旨在解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种张拉整体三棱柱结构，包括：压杆和拉杆；

所述压杆的数量为3根；3根所述压杆在三维空间内交错布置，且端点形成位于底面的节点A、节点B和节点C，以及位于顶面的节点a、节点b和节点c；

所述拉杆的数量为9根；3根所述拉杆的一端分别与所述节点A、所述节点B和所述节点C连接，另一端聚合连接形成节点D；另外3根所述拉杆的一端分别与所述节点a、所述节点b和所述节点c连接，另一端聚合连接形成节点d；最后3根所述拉杆的两端分别连接所述节点a和所述节点C、所述节点b和所述节点A、以及所述节点c和所述节点B；

3根所述压杆和9根所述拉杆共形成8个三点相交的节点。

通过上述技术方案，本发明提供了一种由3根压杆、9根拉杆和8个节点形成的张拉整体三棱柱结构，与传统张拉整体三棱柱相比，顶面和底面三个边的拉杆取消，改为拉在一起的三根拉杆，使得顶面和底面更简洁。现有的张拉整体结构每个节点至少有4根杆件，1根压杆和3根拉杆，本发明给出的新型张拉整体结构每个节点只有3根杆件，仍能保持结构稳定，形成自应力平衡结构，与传统张拉整体结构相比，每个节点减少一根杆件，结构更加简洁。

优选的，在上述一种张拉整体三棱柱结构中，所述压杆用于承受压力；所述拉杆用于承受拉力。在施加预应力后所有压杆都处于受压状态，所有拉杆都处于受拉状态，形成自平衡体系。

优选的，在上述一种张拉整体三棱柱结构中，所述拉杆为杆体或拉索。选材范围广，构造方便。

一种张拉整体三棱柱结构的找形方法，包括以下步骤：

S1、在平面内设定节点A、节点B和节点C，连接形成三角形ABC；在所述三角形ABC的上方设定节点d；在与所述三角形ABC平行的平面内，过节点d做平行于AB的线段dc，过节点d做平行于BC的线段da，过节点d做平行于AC的线段db，得到节点a、节点b和节点c；

S2、连接所述节点a、所述节点b和所述节点c，形成三角形abc；

S3、在所述三角形ABC的平面内，过节点A做平行于bc的线段AD，过节点B做平行于ca的线段BD，连接节点D和节点C；

S4、依次连接连接节点A和节点c、连接节点B和节点a、连接节点C和节点b、连接节点A和节点b、连接节点B和节点c、连接节点C和节点a；即线段Ac、Ba和Cb为压杆；线段Ab、Bc、Ca、AD、BD、CD、ad、bd和cd为拉杆，形成整体三棱柱结构。

通过上述技术方案，本发明提供了一种由任意给定三棱柱的底面三个节点、三棱柱顶面高度，上下端面平行时的找形方法，上下端面不平行时可参照该方法进行找形。该找形方法与传统的有限元计算相比，避免了有限元软件计算，可直接用纸笔作图得到；可满足底面三个节点为任意位置，但必须不在一条直线上、高度为任意值的找形方法，不限值压杆长度和拉杆长度，既可以对对称形状、等长度压杆、拉杆找形，也可以对不等长度的压杆、拉杆形成的张拉整体结构找形。

优选的，在上述一种张拉整体三棱柱结构的找形方法中，所述节点d设定在所述三角形ABC上方的任意高度。易于找点，操作方便。

优选的，在上述一种张拉整体三棱柱结构的找形方法中，线段dc、线段da和线段db选取任意长度。易于找点，操作方便。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种张拉整体三棱柱结构及找形方法，具有以下有益效果：

1、本发明提供了一种由3根压杆、9根拉杆和8个节点形成的张拉整体三棱柱结构，与传统张拉整体三棱柱相比，顶面和底面三个边的拉杆取消，改为拉在一起的三根拉杆，使得顶面和底面更简洁。现有的张拉整体结构每个节点至少有4根杆件，1根压杆和3根拉杆，本发明给出的新型张拉整体结构每个节点只有3根杆件，仍能保持结构稳定，形成自应力平衡结构，与传统张拉整体结构相比，每个节点减少一根杆件，结构更加简洁。

2、与传统张拉整体结构相比，结构更加简洁；取消了上下顶面的3条边后，在利用张拉整体三棱柱结构时，避免了因为3条边的存在产生的碰撞问题。

3、本发明提供了一种由任意给定三棱柱的底面三个节点、三棱柱顶面高度，上下端面平行时的找形方法，上下端面不平行时可参照该方法进行找形。该找形方法与传统的有限元计算相比，避免了有限元软件计算，可直接用纸笔作图得到；可满足底面三个节点为任意位置，但必须不在一条直线上、高度为任意值的找形方法，不限值压杆长度和拉杆长度，既可以对对称形状、等长度压杆、拉杆找形，也可以对不等长度的压杆、拉杆形成的张拉整体结构找形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的结构示意图；

图2附图为本发明提供的步骤S1的示意图；

图3附图为本发明提供的步骤S2的示意图；

图4附图为本发明提供的步骤S3的示意图；

图5附图为本发明提供的步骤S4的示意图；

图6附图为本发明提供的步骤S4去除辅助虚线后的示意图。

其中：

1-压杆；

2-拉杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

参见附图1，本发明实施例公开了一种张拉整体三棱柱结构，包括：压杆1和拉杆2；

压杆1的数量为3根；3根压杆1在三维空间内交错布置，且端点形成位于底面的节点A、节点B和节点C，以及位于顶面的节点a、节点b和节点c；

拉杆2的数量为9根；3根拉杆2的一端分别与节点A、节点B和节点C连接，另一端聚合连接形成节点D；另外3根拉杆2的一端分别与节点a、节点b和节点c连接，另一端聚合连接形成节点d；最后3根拉杆2的两端分别连接节点a和节点C、节点b和节点A、以及节点c和节点B；

3根压杆1和9根拉杆2共形成8个三点相交的节点。

为了进一步优化上述技术方案，压杆1用于承受压力；拉杆2用于承受拉力。

为了进一步优化上述技术方案，拉杆2为杆体或拉索。

实施例2：

参见附图2至附图6，本发明实施例公开了一种张拉整体三棱柱结构的找形方法，包括以下步骤：

参见附图2：在平面内设定节点A、节点B和节点C，连接形成三角形ABC；在三角形ABC的上方设定节点d；在与三角形ABC平行的平面内，过节点d做平行于AB的线段dc，过节点d做平行于BC的线段da，过节点d做平行于AC的线段db，得到节点a、节点b和节点c；

参见附图3：连接节点a、节点b和节点c，形成三角形abc；

参见附图4：在三角形ABC的平面内，过节点A做平行于bc的线段AD，过节点B做平行于ca的线段BD，连接节点D和节点C；

参见附图5：依次连接连接节点A和节点c、连接节点B和节点a、连接节点C和节点b、连接节点A和节点b、连接节点B和节点c、连接节点C和节点a；

参见附图6：线段Ac、Ba和Cb为压杆1；线段Ab、Bc、Ca、AD、BD、CD、ad、bd和cd为拉杆2，形成整体三棱柱结构。

为了进一步优化上述技术方案，节点d设定在三角形ABC上方的任意高度。

为了进一步优化上述技术方案，线段dc、线段da和线段db选取任意长度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种张拉整体三棱柱结构，其特征在于，包括：压杆(1)和拉杆(2)；

所述压杆(1)的数量为3根；3根所述压杆(1)在三维空间内交错布置，且端点形成位于底面的节点A、节点B和节点C，以及位于顶面的节点a、节点b和节点c；

所述拉杆(2)的数量为9根；3根所述拉杆(2)的一端分别与所述节点A、所述节点B和所述节点C连接，另一端聚合连接形成节点D；另外3根所述拉杆(2)的一端分别与所述节点a、所述节点b和所述节点c连接，另一端聚合连接形成节点d；最后3根所述拉杆(2)的两端分别连接所述节点a和所述节点C、所述节点b和所述节点A、以及所述节点c和所述节点B；

3根所述压杆(1)和9根所述拉杆(2)共形成8个三点相交的节点。

2.根据权利要求1所述的一种张拉整体三棱柱结构，其特征在于，所述压杆(1)用于承受压力；所述拉杆(2)用于承受拉力。

3.根据权利要求1所述的一种张拉整体三棱柱结构，其特征在于，所述拉杆(2)为杆体或拉索。

4.一种张拉整体三棱柱结构的找形方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在平面内设定节点A、节点B和节点C，连接形成三角形ABC；在所述三角形ABC的上方设定节点d；在与所述三角形ABC平行的平面内，过节点d做平行于AB的线段dc，过节点d做平行于BC的线段da，过节点d做平行于AC的线段db，得到节点a、节点b和节点c；

S2、连接所述节点a、所述节点b和所述节点c，形成三角形abc；

S3、在所述三角形ABC的平面内，过节点A做平行于bc的线段AD，过节点B做平行于ca的线段BD，连接节点D和节点C；

S4、依次连接节点A和节点c、连接节点B和节点a、连接节点C和节点b、连接节点A和节点b、连接节点B和节点c、连接节点C和节点a；即线段Ac、Ba和Cb为压杆(1)；线段Ab、Bc、Ca、AD、BD、CD、ad、bd和cd为拉杆(2)，形成整体三棱柱结构。

5.根据权利要求4所述的一种张拉整体三棱柱结构的找形方法，其特征在于，所述节点d设定在所述三角形ABC上方的任意高度。

6.根据权利要求4所述的一种张拉整体三棱柱结构的找形方法，其特征在于，线段dc、线段da和线段db选取任意长度。

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