CN112252477A - 一种叠合型索结构体系及其形态分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑工程的结构设计与分析技术领域，尤其是涉及一种叠合型索结构体系及其形态分析方法。该体系在保留索结构轻盈、通透特点的前提下，可以形成自由、复杂的几何曲面和网格，从而解决现有索结构体系对建筑造型制约较大的问题，极大拓宽索结构的应用范围；相应的形态分析方法用于所提出叠合型索结构体系的初始态求解，可求得满足建筑造型需求、即目标位形下的预应力分布，解决该体系工程应用的核心问题。

Description

一种叠合型索结构体系及其形态分析方法

技术领域

本发明涉及建筑工程的结构设计与分析技术领域，尤其是涉及一种叠合型索结构体系及其形态分析方法。

背景技术

索结构是一类广泛应用于体育场馆、展馆、影剧院等大空间公共建筑的结构体系，其由只可受拉的索和既可受拉、又可受压的杆组成，根据构件布置方式不同，可分为单层索网、索桁架结构、索穹顶结构等形式。由于索采用高强材料制成，且在结构承载过程中处于受拉状态，受力效率高、不存在构件稳定问题，因此其截面尺寸远小于传统的混凝土构件和钢构件等，可以营造非常轻盈、通透的建筑效果。

不同于混凝土结构、传统钢结构等刚性结构靠材料自身提供结构刚度和承载力，索结构属于典型的柔性结构体系，需要通过施加预应力来达到稳定状态，建立刚度和承载能力。索结构张拉成形后能够实现的几何曲面、网格并非任意的，而是与结构布置、施加的预应力等因素直接相关，如单层索网只能应用于负高斯曲率的曲面、索桁架只能形成较为规则的曲面形状和结构布置等。这一特性要求采用索结构的建筑在设计过程中需要更多地考虑几何的可行性，无法获取与采用刚性结构的建筑等同的几何灵活性，从而在一定程度上限制了索结构的应用范围。

索结构在分析设计中存在三种状态：(1)零状态，即按照几何原则建立、未执行计算的结构模型；(2)初始态，即在零状态基础上，考虑结构自重等因素，计算得到的结构平衡状态；(3)荷载态，即在初始态基础上施加后续荷载和作用，计算得到的结构平衡状态。形态分析的求解对象是满足建筑设计要求、即目标要求的索结构初始态，包含结构的平衡位形和相应的预应力。在求得索结构的初始态后，一方面可以在此基础上计算各种荷载和作用下的结构响应，即荷载态分析，完成结构设计；另一方面可以以初始态为目标，开展索结构的施工分析，制定施工方案。因此，形态分析在索结构的整个建造过程中处于承前启后的位置，是索结构从设计到施工的核心工作。在当前的理论研究和工程实践中，尚无针对不同类型索结构体系的通用形态分析方法，需要根据每种类型索结构的特点采取相应的分析策略。因此，对于每一种新型的索结构体系，提出适用的形态分析方法是验证其可行性、实现工程应用的重要前提条件。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种叠合型索结构体系及其形态分析方法。该体系在保留索结构轻盈、通透特点的前提下，可以形成自由、复杂的几何曲面和网格，从而解决现有索结构体系对建筑造型制约较大的问题，极大拓宽索结构的应用范围；相应的形态分析方法用于所提出叠合型索结构体系的初始态求解，可求得满足建筑造型需求、即目标位形下的预应力分布，解决该体系工程应用的核心问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种叠合型索结构体系，其包括：叠合设置的承载结构、造型结构和联系构件；

所述承载结构位于叠合型索结构体系的下方，为整个体系提供抵抗各种外部荷载和作用所需的刚度和承载力；

所述造型结构位于叠合型索结构体系的上方，主要起构建所需建筑造型的作用，同时也可以协调承载结构受力、提高结构整体性；

所述联系构件位于所述造型结构和所述承载结构之间，所述联系构件沿竖直方向布置，其上端和下端分别与造型结构节点和承载结构节点连接，联系造型结构与承载结构，从而形成整体的索结构体系。

作为一种进一步的技术方案，所述承载结构能采用索桁架、索穹顶、单层索网中的任意一种索结构形式。当采用索桁架结构时，由环索、径向索、撑杆、吊索等构件组成；当采用索穹顶结构时，由径向索、环索、斜索、撑杆等构件组成；当采用单层索网结构时，由承重索、稳定索等构件组成。

具体地，所述承载结构采用车辐式索桁架结构，其包括：环索、与环索连接的径向索、与径向索连接的撑杆或吊索。

例如：所述环索分为上、下两层；所述两层环索的四周设置有若干组径向索，每组所述径向索中，其中的一根径向索与上部的环索连接，另一根径向索与下部的环索连接，且两根径向索沿环索的径向延伸布置；所述撑杆连接于两根径向索之间。

具体地，所述承载结构采用索穹顶结构，其包括环索、径向索、撑杆、斜索；所述环索与径向索之间通过撑杆、斜索连接。

例如：一系列所述环索呈同心设置，且一系列所述环索的直径自外而内依次递减；一系列所述环索的四周设置有若干个径向索；所述径向索与所述环索之间通过撑杆、斜索连接。

具体地，所述承载结构采用单层索网结构，其包括纵横布置的承重索和稳定索。

作为一种进一步的技术方案，所述造型结构为单层结构，采用正高斯曲率、负高斯曲率、零高斯曲率、自由曲面中任意一种曲面形式，采用三角形、正交四边形、菱形、肋环型、Kiewitt型中任意一种网格形式。当然，上述几种网格形式作为本申请具体的实施例，其并非是限制，本领域的普通技术人员可以采用其他的网格形式，也可以对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，以实际需要进行灵活设置。

作为一种进一步的技术方案，所述造型结构全部由索组成，或者由索和钢构件组合而成。

作为一种进一步的技术方案，所述承载结构和造型结构的布置与建筑造型要求匹配，可以应用于体育馆、展馆、影剧院等封闭的建筑，也可以应用于体育场等开敞的建筑。提出的叠合型索结构体系可以采用压型钢板、玻璃等刚性材料作为围护，也可以采用膜等柔性材料作为围护。

作为一种进一步的技术方案，所述联系构件采用索或者采用钢构件。

作为一种进一步的技术方案，所述承载结构和造型结构均需要施加预应力；所述造型结构在其与联系构件连接的节点处，预应力只需在x、y方向满足平衡条件，预应力的z向合力以及造型结构的自重靠相应的联系构件平衡；所述承载结构在初始态下的预应力与联系构件内力和结构自重相平衡。通过该受力机理，使整个索结构体系在目标位形达到稳定的平衡状态。

第二方面，本发明还提供一种用于叠合型索结构体系的形态分析方法，其包括如下步骤：

S1、建立单独的造型结构模型，约束所有与联系构件相连节点的z向自由度；

S2、考虑造型结构自重和其他需要在初始态考虑的附加荷载，对单独的造型结构进行形态分析，得到满足目标位形的造型结构平衡状态；

S3、提取步骤S2中的造型结构平衡状态下所有与联系构件相连节点处的z向支座反力{R}＝{r₁ … r_i … r_n}，其中r_i为与第i个联系构件相连节点的z向支座反力，n为联系构件的个数；

S4、将步骤S3中的每个支座反力反号，并与相应的联系构件自重叠加，得到{P}＝{p₁ … p_i … p_n}，其中p_i＝-r_i-w_i，w_i为第i个联系构件的自重；

S5、将{P}施加到承载结构的相应节点；

S6、考虑{P}的作用、承载结构的自重和其他需要在初始态考虑的附加荷载，对单独的承载结构进行形态分析，使承载结构的平衡状态位形中，与联系构件相连节点的x、y坐标等于步骤S2中造型结构平衡状态相应节点的x、y坐标；

S7、建立包含承载结构、造型结构和联系构件的索结构体系整体模型，采用步骤S2和步骤S6中得到的造型结构和承载结构预应力，得到整体索结构体系的初始态。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提出的叠合型索结构体系由承载结构、造型结构和联系构件三部分叠合组成。一方面，在平衡状态下，造型结构的预应力满足x、y方向的平衡条件，可以形成满足建筑需求的网格形式；另一方面，通过将造型结构预应力的z向分力经由联系构件传递到下部承载结构，与承载结构的预应力实现平衡，可以使造型结构在目标位形上达到平衡状态，且目标位形可以突破常规索结构对建筑造型的限制，根据建筑需求采用正高斯曲率、负高斯曲率、零高斯曲率等曲面形式。因此，提出的叠合型索结构体系在保持常规索结构轻盈、通透特点的前提下，可以实现较常规索结构更为自由、复杂的建筑造型，极大拓宽索结构的应用范围。

2、本发明提出的叠合型索结构体系的各组成部分承担明确的功能：造型结构的布置在不违背基本力学原则的前提下，主要考虑建筑效果的实现等因素；承载结构的布置在不影响造型结构位形的前提下，主要考虑实现高效的受力等因素。因此，该体系可以兼顾建筑效果的实现和良好的力学性能。

3、本发明提出的叠合型索结构体系形态分析方法通过分别进行造型结构、承载结构的形态分析，并通过联系构件在二者之间建立联系，使整个索结构体系可以在满足建筑造型需求的目标位形上实现平衡。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的叠合型索结构体系示意图；

图2为本发明实施例一提供的叠合型索结构体系分解图；

图3为本发明实施例一提供的叠合型索结构体系细部分解图；

图4为本发明实施例二提供的叠合型索结构体系示意图；

图5为本发明实施例二提供的叠合型索结构体系分解图；

图6为本发明实施例二提供的叠合型索结构体系细部分解图；

图7为本发明实施例三提供的叠合型索结构体系示意图；

图8为本发明实施例三提供的叠合型索结构体系侧视图；

图9为本发明实施例三提供的叠合型索结构体系分解图；

图10为本发明实施例三提供的叠合型索结构体系细部分解图；

图11为本发明实施例四提供的叠合型索结构体系示意图；

图12为本发明实施例四提供的叠合型索结构体系侧视图；

图13为本发明实施例四提供的叠合型索结构体系分解图；

图14为本发明实施例四提供的叠合型索结构体系细部分解图；

图15为本发明实施例五提供的叠合型索结构体系示意图；

图16为本发明实施例五提供的叠合型索结构体系侧视图；

图17为本发明实施例五提供的叠合型索结构体系分解图；

图18为本发明实施例五提供的叠合型索结构体系细部分解图；

图19为本发明提出的叠合型索结构体系形态分析方法流程图；

图20为本发明提出的叠合型索结构体系形态分析过程示意图。

其中：001为承载结构，002为造型结构，003为联系构件，101为环索，102为径向索，103为撑杆，104为承载结构节点，105为斜索，106为承重索，107为稳定索，201为造型结构网格，202为索构件，203为钢构件，204为造型结构节点，301为联系构件上端点，302为联系构件下端点。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例一

本实施例中，图1-图3以马鞍形曲面、菱形网格的叠合型索结构体系为例(图中A所示的整体结构)，对本发明进行说明。

结合图1至图3所示，图1所示为本实施例提供的叠合型索结构体系A示意图，其上表面为马鞍形曲面，由一系列菱形网格构成。图2以分解图的形式对所述叠合型索结构体系A的组成进行了示意，其由承载结构001、造型结构002和联系构件003组成。为了更清晰地展示所述叠合型索结构体系A的组成，图3给出了所述体系的细部分解示意图。

所述承载结构001位于所述叠合型索结构体系A的下方，为整个体系提供抵抗各种外部荷载和作用所需的刚度和承载力。承载结构001为中间开口的车辐式索桁架结构，由两层环索101和一系列径向索102、撑杆103组成。

所述造型结构002位于所述叠合型索结构体系A的上方，主要起构建所需建筑造型的作用，同时也可以协调承载结构001受力、提高结构整体性。造型结构002为单层结构，采用负高斯曲率的马鞍形曲面；同时，根据建筑造型需求，造型结构网格201采用了菱形网格。本实施例中，造型结构002全部由索构件202组成。

所述联系构件003位于造型结构002和承载结构001之间，联系造型结构002与承载结构001，从而形成整体的索结构体系A。联系构件003沿竖直方向布置，联系构件上端点301和联系构件下端点302分别与造型结构节点204和承载结构节点104连接。本实施例中，联系构件003全部采用钢构件。

本实施例提供的叠合型索结构体系A适用于体育场等开敞的建筑。

所述承载结构001和造型结构002均需要施加预应力。对于目标位形下的造型结构002，在其与联系构件003连接的造型结构节点204处，预应力只需在x、y方向满足平衡条件，预应力的z向合力以及造型结构002的自重靠相应的联系构件003内力平衡；对于承载结构001，其在初始态下的预应力与联系构件003内力和整个结构体系的自重相平衡。通过该受力平衡机理，使整个索结构体系A在目标位形达到稳定的平衡状态。

实施例二

在本实施例中，图4-图6以马鞍形曲面、空间三角形网格的叠合型索结构体系为例(图中B所示的整体结构)，对本发明进行说明。

结合图4至图6所示，图4所示为本实施例提供的叠合型索结构体系B示意图，其上表面为马鞍形曲面，由一系列空间三角形网格构成，每个空间三角形的其中两条边为采用索的直边，第三条边为采用钢拱的弧边。图5以分解图的形式对所述叠合型索结构体系B的组成进行了示意，其由承载结构001、造型结构002和联系构件003组成。为了更清晰地展示所述叠合型索结构体系B的组成，图6给出了所述体系的细部分解示意图。

所述承载结构001位于所述叠合型索结构体系B的下方，为整个体系提供抵抗各种外部荷载和作用所需的刚度和承载力。承载结构001为中间开口的车辐式索桁架结构，由两层环索101和一系列径向索102、撑杆103组成。

所述造型结构002位于所述叠合型索结构体系B的上方，主要起构建所需建筑造型的作用，同时也可以协调承载结构001受力、提高结构整体性。造型结构002为单层结构，采用了负高斯曲率的马鞍形曲面；同时，根据建筑造型需求，造型结构网格201为空间三角形网格，每个造型结构网格201由两根索构件202和一根弧形钢拱形成的钢构件203组成。

所述联系构件003位于造型结构002和承载结构001之间，联系造型结构002与承载结构001，从而形成整体的索结构体系B。联系构件003沿竖直方向布置，联系构件上端点301和联系构件下端点302分别与造型结构节点204和承载结构节点104连接。本实施例中，联系构件003全部采用钢构件。

本实施例提供的叠合型索结构体系B适用于体育场等开敞的建筑。

所述承载结构001和造型结构002均需要施加预应力。对于目标位形下的造型结构002，在其与联系构件003连接的造型结构节点204处，索构件202的预应力只需在x、y方向满足平衡条件，预应力的z向合力以及造型结构002的自重靠相应的联系构件003内力平衡；对于承载结构001，其在初始态下的预应力与联系构件003内力和整个结构体系的自重相平衡。通过该受力平衡机理，使整个索结构体系B在目标位形达到稳定的平衡状态。

实施例三

在本实施例中，图7-图10以微凸曲面、肋环型网格的叠合型索结构体系为例(图中C所示的整体结构)，对本发明进行说明。

结合图7至图10所示，图7所示为本实施例提供的叠合型索结构体系C示意图，图8为所述叠合型索结构体系C的侧视图，其上表面为微凸的正高斯曲率曲面，采用肋环型网格布置。图9以分解图的形式对所述叠合型索结构体系C的组成进行了示意，其由承载结构001、造型结构002和联系构件003组成。为了更清晰地展示所述叠合型索结构体系C的组成，图10给出了所述体系的细部分解示意图。

所述承载结构001位于所述叠合型索结构体系C的下方，为整个体系提供抵抗各种外部荷载和作用所需的刚度和承载力。承载结构001为中间开口的Geiger型索穹顶结构，由一系列环索101、径向索102、撑杆103、斜索105组成。

所述造型结构002位于所述叠合型索结构体系C的上方，主要起构建所需建筑造型的作用，同时也可以协调承载结构001受力、提高结构整体性。造型结构002为单层结构，采用了微凸的正高斯曲率曲面；同时，根据建筑造型需求，造型结构网格201采用肋环型网格。本实施例中，造型结构002全部由索构件202组成。

所述联系构件003位于造型结构002和承载结构001之间，联系造型结构002与承载结构001，从而形成整体的索结构体系C。联系构件003沿竖直方向布置，联系构件上端点301和联系构件下端点302分别与造型结构节点204和承载结构节点104连接。本实施例中，联系构件003全部采用钢构件。

本实施例提供的叠合型索结构体系C适用于体育场馆、展馆、影剧院等封闭或开敞的建筑。

所述承载结构001和造型结构002均需要施加预应力。对于目标位形下的造型结构002，在其与联系构件003连接的造型结构节点204处，预应力只需在x、y方向满足平衡条件，预应力的z向合力以及造型结构002的自重靠相应的联系构件003内力平衡；对于承载结构001，其在初始态下的预应力与联系构件003内力和整个结构体系的自重相平衡。通过该受力平衡机理，使整个索结构体系C在目标位形达到稳定的平衡状态。

实施例四

在本实施例中，图11-图14以微凹曲面、Kiewitt型网格的叠合型索结构体系为例(图中D所示的整体结构)，对本发明进行说明。

结合图11至图14所示，图11所示为本实施例提供的叠合型索结构体系D示意图，图12为所述叠合型索结构体系D的侧视图，其上表面为微凹的正高斯曲率曲面，采用Kiewitt型网格。图13以分解图的形式对所述叠合型索结构体系D的组成进行了示意，其由承载结构001、造型结构002和联系构件003组成。为了更清晰地展示所述叠合型索结构体系D的组成，图14给出了所述体系的细部分解示意图。

所述承载结构001位于所述叠合型索结构体系D的下方，为整个体系提供抵抗各种外部荷载和作用所需的刚度和承载力。承载结构001为封闭的Kiewitt型索穹顶结构，由一系列环索101、径向索102、撑杆103、斜索105组成。

所述造型结构002位于所述叠合型索结构体系D的上方，主要起构建所需建筑造型的作用，同时也可以协调承载结构001受力、提高结构整体性。造型结构002为单层结构，采用了微凹的正高斯曲率曲面；同时，根据建筑造型需求，造型结构网格201采用了Kiewitt型网格。本实施例中，造型结构002全部由索构件202组成。

所述联系构件003位于造型结构002和承载结构001之间，联系造型结构002与承载结构001，从而形成整体的索结构体系D。联系构件003沿竖直方向布置，联系构件上端点301和联系构件下端点302分别与造型结构节点204和承载结构节点104连接。本实施例中，联系构件003全部采用索构件。

本实施例提供的叠合型索结构体系D适用于体育场馆、展馆、影剧院等封闭或开敞的建筑。

所述承载结构001和造型结构002均需要施加预应力。对于目标位形下的造型结构002，在其与联系构件003连接的造型结构节点204处，预应力只需在x、y方向满足平衡条件，预应力的z向合力以及造型结构002的自重靠相应的联系构件003内力平衡；对于承载结构001，其在初始态下的预应力与联系构件003内力和整个结构体系的自重相平衡。通过该受力平衡机理，使整个索结构体系D在目标位形达到稳定的平衡状态。

实施例五

在本实施例中，图15-图18以波浪形自由曲面、正交四边形网格的叠合型索结构体系为例(图中E所示的整体结构)，对本发明进行说明。

结合图15至图18所示，图15所示为本实施例提供的叠合型索结构体系E示意图，图16为所述叠合型索结构体系E的侧视图，其上表面为波浪形的自由曲面，采用正交四边形网格。图17以分解图的形式对所述叠合型索结构体系E的组成进行了示意，其由承载结构001、造型结构002和联系构件003组成。为了更清晰地展示所述叠合型索结构体系E的组成，图18给出了所述体系的细部分解示意图。

所述承载结构001位于所述叠合型索结构体系E的下方，为整个体系提供抵抗各种外部荷载和作用所需的刚度和承载力。承载结构001为封闭的单层索网结构，由一系列承重索106和稳定索107组成。

所述造型结构002位于所述叠合型索结构体系E的上方，主要起构建所需建筑造型的作用，同时也可以协调承载结构001受力、提高结构整体性。造型结构002为单层结构，采用了波浪形的自由曲面；同时，根据建筑造型需求，造型结构网格201采用了正交四边形网格。本实施例中，造型结构002全部由索构件202组成。

所述联系构件003位于造型结构002和承载结构001之间，联系造型结构002与承载结构001，从而形成整体的索结构体系E。联系构件003沿竖直方向布置，联系构件上端点301和联系构件下端点302分别与造型结构节点204和承载结构节点104连接。本实施例中，联系构件003根据受力情况不同，一部分采用索构件，一部分采用钢构件。

本实施例提供的叠合型索结构体系E适用于体育馆、展馆、影剧院等封闭的建筑。

所述承载结构001和造型结构002均需要施加预应力。对于目标位形下的造型结构002，在其与联系构件003连接的造型结构节点204处，预应力只需在x、y方向满足平衡条件，预应力的z向合力以及造型结构002的自重靠相应的联系构件003内力平衡；对于承载结构001，其在初始态下的预应力与联系构件003内力和整个结构体系的自重相平衡。通过该受力平衡机理，使整个索结构体系E在目标位形达到稳定的平衡状态。

实施例六

在本实施例中，图19和图20图示了本发明提出的适用于所述叠合型索结构体系的形态分析方法，包括如下步骤：

S1、建立单独的造型结构002模型，约束所有与联系构件003相连节点、即造型结构节点204的z向自由度；

S2、考虑造型结构002自重和其他需要在初始态考虑的附加荷载，采用力密度法等方法对单独的造型结构002进行形态分析，得到满足目标位形的造型结构002平衡状态；

S3、提取步骤S2中的造型结构平衡状态下，所有与联系构件003相连节点、即造型结构节点204处的z向支座反力{R}＝{r₁ … r_i … r_n}，其中r_i为与第i个联系构件003相连节点的z向支座反力，n为联系构件003的个数；

S4、将步骤S3中的每个支座反力反号，并与相应的联系构件003自重叠加，得到{P}＝{p₁ … p_i … p_n}，其中p_i＝-r_i-w_i，w_i为第i个联系构件003的自重；

S5、将{P}施加到承载结构001的相应承载结构节点104；

S6、考虑{P}的作用、承载结构001的自重和其他需要在初始态考虑的附加荷载，对单独的承载结构001进行形态分析，使承载结构001的平衡状态位形中，与联系构件003相连节点的x、y坐标等于步骤S2中造型结构002平衡状态相应节点的x、y坐标；

S7、建立包含承载结构001、造型结构002和联系构件003的索结构体系整体模型，采用步骤S2和步骤S6中得到的造型结构002和承载结构001预应力，得到整体索结构体系的初始态。

综上，采用上述实施例中的技术方案，本发明具有如下优点：

1、本发明提出的叠合型索结构体系由承载结构、造型结构和联系构件三部分叠合组成。一方面，在平衡状态下，造型结构的预应力满足x、y方向的平衡条件，可以形成满足建筑需求的网格形式；另一方面，通过将造型结构预应力的z向分力经由联系构件传递到下部承载结构，与承载结构的预应力实现平衡，可以使造型结构在目标位形上达到平衡状态，且目标位形可以突破常规索结构对建筑造型的限制，根据建筑需求采用正高斯曲率、负高斯曲率、零高斯曲率等曲面形式。因此，提出的叠合型索结构体系在保持常规索结构轻盈、通透特点的前提下，可以实现较常规索结构更为自由、复杂的建筑造型，极大拓宽索结构的应用范围。

2、本发明提出的叠合型索结构体系的各组成部分承担明确的功能：造型结构的布置在不违背基本力学原则的前提下，主要考虑建筑效果的实现等因素；承载结构的布置在不影响造型结构位形的前提下，主要考虑实现高效的受力等因素。因此，该体系可以兼顾建筑效果的实现和良好的力学性能。

3、本发明提出的叠合型索结构体系形态分析方法通过分别进行造型结构、承载结构的形态分析，并通过联系构件在二者之间建立联系，使整个索结构体系可以在满足建筑造型需求的目标位形上实现平衡。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种叠合型索结构体系，其特征在于，包括：叠合设置的承载结构、造型结构和联系构件；

所述承载结构位于叠合型索结构体系的下方；

所述造型结构位于叠合型索结构体系的上方；

所述联系构件位于所述造型结构和承载结构之间，所述联系构件沿竖直方向布置，其上端和下端分别与造型结构的节点和承载结构的节点连接。

2.根据权利要求1所述的叠合型索结构体系，其特征在于，所述承载结构能采用索桁架、索穹顶、单层索网中的任意一种索结构形式。

3.根据权利要求2所述的叠合型索结构体系，其特征在于，所述承载结构采用车辐式索桁架结构，其包括：环索、与环索连接的径向索、与径向索连接的撑杆或吊索。

4.根据权利要求2所述的叠合型索结构体系，其特征在于，所述承载结构采用索穹顶结构，其包括环索、径向索、撑杆、斜索；所述环索与径向索之间通过撑杆、斜索连接。

5.根据权利要求2所述的叠合型索结构体系，其特征在于，所述承载结构采用单层索网结构，其包括纵横布置的承重索和稳定索。

6.根据权利要求1所述的叠合型索结构体系，其特征在于，所述造型结构为单层结构，采用正高斯曲率、负高斯曲率、零高斯曲率、自由曲面中任意一种曲面形式，采用三角形、正交四边形、菱形、肋环型、Kiewitt型中任意一种网格形式。

7.根据权利要求1所述的叠合型索结构体系，其特征在于，所述造型结构全部由索组成，或者由索和钢构件组合而成。

8.根据权利要求1所述的叠合型索结构体系，其特征在于，所述联系构件采用索或者采用钢构件。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的叠合型索结构体系，其特征在于，所述承载结构和造型结构均需要施加预应力；所述造型结构在其与联系构件连接的节点处，预应力只需在x、y方向满足平衡条件，预应力的z向合力以及造型结构的自重靠相应的联系构件平衡；所述承载结构在初始态下的预应力与联系构件内力和结构自重相平衡。

10.一种用于叠合型索结构体系的形态分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、建立单独的造型结构模型，约束所有与联系构件相连节点的z向自由度；

S2、考虑造型结构自重和其他需要在初始态考虑的附加荷载，对单独的造型结构进行形态分析，得到满足目标位形的造型结构平衡状态；

S3、提取步骤S2中的造型结构平衡状态下所有与联系构件相连节点处的z向支座反力{R}＝{r₁…r_i…r_n}，其中r_i为与第i个联系构件相连节点的z向支座反力，n为联系构件的个数；

S4、将步骤S3中的每个支座反力反号，并与相应的联系构件自重叠加，得到{P}＝{p₁…p_i…p_n}，其中p_i＝-r_i-w_i，w_i为第i个联系构件的自重；

S5、将{P}施加到承载结构的相应节点；

S6、考虑{P}的作用、承载结构的自重和其他需要在初始态考虑的附加荷载，对单独的承载结构进行形态分析，使承载结构的平衡状态位形中，与联系构件相连节点的x、y坐标等于步骤S2中造型结构平衡状态相应节点的x、y坐标；

S7、建立包含承载结构、造型结构和联系构件的索结构体系整体模型，采用步骤S2和步骤S6中得到的造型结构和承载结构预应力，得到整体索结构体系的初始态。

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