專利名稱：一種由四邊形平面六桿四面體單元連接組合的球面網(wǎng)殼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及建筑領(lǐng)域，尤其涉及一種由四邊形平面六桿四面體單元連接組合的球面網(wǎng)殼。
背景技術(shù)：
三角錐單元、四角錐單元和六角錐單元是目前網(wǎng)架與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的基本組成單元。三角錐單元由6根桿件組成，是一種幾何穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)基本單元，要使其組成網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)需要在基本單元間增設(shè)部分連接桿件。三角錐網(wǎng)殼是以倒置的三角錐為網(wǎng)殼的基本組成單元，隨著三角錐單元不同布設(shè)方式，上下弦網(wǎng)格可為三角形或六邊形，從而構(gòu)成形式各異的三角錐網(wǎng)殼。四角錐單元由8根桿件組成，是一種幾何不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)基本單元，要使其組成網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)需要在基本單元間增設(shè)部分連接桿件。由該基本單元構(gòu)成的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)上下弦平面網(wǎng)格成四邊形，根據(jù)四角錐單元不同布設(shè)方式，可獲得各種形式的四角錐網(wǎng)殼。六角錐單元由12根桿件組成，是一種幾何不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)基本單元，要使其組成網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)需要在基本單元間增設(shè)部分連接桿件。由該基本單元構(gòu)成的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)上下弦平面網(wǎng)格成六邊形或三角形，可獲得六角錐網(wǎng)殼。以上三種現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基本單元要組成網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)均需要在基本單元間增設(shè)部分額外的連接桿件，節(jié)點匯交桿件數(shù)量較多，其中四角錐單元和六角錐單元本身是幾何不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這為結(jié)構(gòu)的安裝和施工帶來一定困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種由四邊形平面六桿四面體單元連接組合的球面網(wǎng)殼。四邊形平面六桿四面體單元是由一根上弦桿、一根下弦桿和四根腹桿組成，這種基本單元的上弦桿與下弦桿在桿件中心位置為空間正交布置，四根腹桿分別連接上下弦節(jié)點，構(gòu)成經(jīng)向上弦環(huán)向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元或環(huán)向上弦經(jīng)向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元。根據(jù)單元布設(shè)位置的不同可形成上弦環(huán)向下弦經(jīng)向雙向折線形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和上弦經(jīng)向下弦環(huán)向雙向折線形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。上弦環(huán)向下弦經(jīng)向雙向折線形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)由經(jīng)向上弦環(huán)向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元沿開口球殼向經(jīng)向和環(huán)向拓展構(gòu)成，其中每個基本單元之間上弦節(jié)點與上弦節(jié)點相連接，下弦節(jié)點與下弦節(jié)點相連接，經(jīng)向上弦環(huán)向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元向經(jīng)向拓展時從開口邊到殼體底邊，各單元經(jīng)向桿件保持等長，環(huán)向桿件長度線性變化，在結(jié)構(gòu)內(nèi)圈上弦節(jié)點增加一圈環(huán)向桿件。 上弦經(jīng)向下弦環(huán)向雙向折線形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)由環(huán)向上弦經(jīng)向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元沿開口球殼向經(jīng)向和環(huán)向拓展構(gòu)成，其中每個基本單元之間上弦節(jié)點與上弦節(jié)點相連接，下弦節(jié)點與下弦節(jié)點相連接，環(huán)向上弦經(jīng)向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元向經(jīng)向拓展時從開口邊到殼體底邊，各單元經(jīng)向桿件保持等長，環(huán)向桿件長度線性變化，在結(jié)構(gòu)內(nèi)圈下弦節(jié)點增加一圈環(huán)向桿件。對二種折線形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)根據(jù)不同上、下弦節(jié)點構(gòu)造和不同梁、桿單元布設(shè)能分別得到四種結(jié)構(gòu)。經(jīng)向弦桿、環(huán)向弦桿和腹桿均采用梁單元，所有節(jié)點均采用剛接節(jié)點；經(jīng)向弦桿和環(huán)向弦桿采用梁單元，腹桿采用桿單元，所有節(jié)點均采用半剛接半鉸接節(jié)點，即弦桿間連接采用剛接連接，腹桿與弦桿間連接采用鉸接連接；經(jīng)向弦桿采用梁單元，環(huán)向弦桿和腹桿采用桿單元，經(jīng)向弦桿間節(jié)點采用半剛接半鉸接節(jié)點，即經(jīng)向弦桿間連接采用剛接連接，腹桿與經(jīng)向弦桿間連接采用鉸接連接，其余節(jié)點均采用鉸接連接；經(jīng)向弦桿、環(huán)向弦桿和腹桿均采用桿單元，所有節(jié)點均采用鉸接節(jié)點。二種折線形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)所分別對應(yīng)的四種具體結(jié)構(gòu)形式周邊均可設(shè)置為不動鉸支座。本發(fā)明具有的有益效果
I.四邊形平面六桿四面體單元幾何穩(wěn)定，節(jié)點匯交桿件少
平面四邊形六桿四面體單元類似于三角錐單元，其本身就是一穩(wěn)定的幾何不變體。在由此基本單元所組成的球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，交于上弦節(jié)點的桿件有六根，交于下弦節(jié)點的桿件也有六根。在常用的具有上下弦桿各類網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，這種結(jié)構(gòu)體系的桿件數(shù)和節(jié)點數(shù)相對是最少的。2.能連接成有雙層作用的、構(gòu)造簡單的球面網(wǎng)殼
四邊形平面六桿四面體單元，在無需另行增設(shè)桿系情況下便可連接組合而成球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，因此相對于目前常用的三角錐等基本單元具有獨特的優(yōu)點。由于四邊形平面六桿四面體單元具有上、下弦桿，所以由這種單元連接組合的結(jié)構(gòu)在一定程度上還可起到兩層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的作用，有利于結(jié)構(gòu)整體受力。3.建筑造型簡潔、美觀、空間效果強
現(xiàn)有基本單元組成的球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，建筑造型單一且空間效果不強。但由四邊形平面六桿四面體基本單元所組成的球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的上、下表面具有不同的建筑造型，其中環(huán)向折線形表面既像一盛開的花瓣，又像一把撐開的雨傘，徑向折線形表面又猶如一架演奏著的風(fēng)琴，優(yōu)美別致，具有強烈的空間效果。4.根據(jù)不同的工程實踐需要可選用多種不同的結(jié)構(gòu)方案
桿件單元類型選取和節(jié)點設(shè)計是空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點，基于結(jié)構(gòu)整體受力要求，桿件單元類型可分別選取桿單元和梁單元，連接節(jié)點可采用剛接節(jié)點、半剛接半鉸接節(jié)點和鉸接節(jié)點等節(jié)點構(gòu)造形式。因此這種網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)存在多種不同的結(jié)構(gòu)方案有利于在實際工程中根據(jù)具體情況進行多方案比較選用。5.便于吊裝、運輸、標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化生產(chǎn)
四邊形平面六桿四面體單元本身為一穩(wěn)定的幾何不變體且其桿件和節(jié)點比較單一，尺寸不大，倉儲、運輸、裝卸、安裝都比較方便，采用小型機具設(shè)備普通工人便可進行網(wǎng)殼的拼裝工作?；締卧臈U件和節(jié)點便于工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化制作，可在工廠批量生產(chǎn)，有利于提高加工精度、減少現(xiàn)場施工工作量、加快施工進度、降低材料耗量和工程造價。大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)企業(yè)均可成批加工制作規(guī)格俱全的各種結(jié)構(gòu)桿件和節(jié)點形式，可接受用戶訂貨。


圖I (a)為本發(fā)明中經(jīng)向上弦環(huán)向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元結(jié)構(gòu)圖；、圖I (b)為本發(fā)明中環(huán)向上弦經(jīng)向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元結(jié)構(gòu) 圖2 Ca)為本發(fā)明中上弦環(huán)向下弦經(jīng)向雙向折線形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu) 圖2 (b)為本發(fā)明中上弦經(jīng)向下弦環(huán)向雙向折線形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu) 圖3 (a)、(b)、(C)、(d)為上弦環(huán)向下弦經(jīng)向雙向折線形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的四種具體結(jié)構(gòu) 圖4 (a)、(b)、(C)、(d)為上弦經(jīng)向下弦環(huán)向雙向折線形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的四種具體結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種由四邊形平面六桿四面體單元連接組合的球面網(wǎng)殼。如圖I (a)、(b)所示，四邊形平面六桿四面體單元是由一根上弦桿I、一根下弦桿3和腹桿2組成，這種基本單元的上弦桿I與下弦桿3在桿件中心位置為空間正交布置，四根腹桿分別連接上下弦節(jié)點，構(gòu)成經(jīng)向上弦環(huán)向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元或環(huán)向上弦經(jīng)向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元。根據(jù)單元布設(shè)位置的不同可形成上弦環(huán)向下弦經(jīng)向雙向折線形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)或上弦經(jīng)向下弦環(huán)向雙向折線形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。如圖2 (a)所示，上弦環(huán)向下弦經(jīng)向雙向折線形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)由經(jīng)向上弦環(huán)向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元沿開口球殼向經(jīng)向和環(huán)向拓展構(gòu)成，其中每個基本單元之間上弦節(jié)點與上弦節(jié)點相連接，下弦節(jié)點與下弦節(jié)點相連接，經(jīng)向上弦環(huán)向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元向經(jīng)向拓展時從開口邊到殼體底邊，各單元經(jīng)向桿件保持等長，環(huán)向桿件長度線性變化。為了滿足構(gòu)造封口要求，在結(jié)構(gòu)內(nèi)圈上弦節(jié)點增加一圈環(huán)向桿件。如圖2 (b)所示，上弦經(jīng)向下弦環(huán)向雙向折線形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)由環(huán)向上弦經(jīng)向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元沿開口球殼向經(jīng)向和環(huán)向拓展構(gòu)成，其中每個基本單元之間上弦節(jié)點與上弦節(jié)點相連接，下弦節(jié)點與下弦節(jié)點相連接，環(huán)向上弦經(jīng)向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元向經(jīng)向拓展時從開口邊到殼體底邊，各單元經(jīng)向桿件保持等長，環(huán)向桿件長度線性變化。為了滿足構(gòu)造封口要求，在結(jié)構(gòu)內(nèi)圈下弦節(jié)點增加一圈環(huán)向桿件。對二種折線形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)根據(jù)不同上、下弦節(jié)點構(gòu)造和不同梁、桿單元布設(shè)能分別得到四種結(jié)構(gòu)。如圖3 (a)、圖4 (a)所示，經(jīng)向弦桿、環(huán)向弦桿和腹桿均采用梁單元，所有節(jié)點均采用剛接節(jié)點；如圖3 (b)、圖4 (b)所示，經(jīng)向弦桿和環(huán)向弦桿采用梁單元，腹桿采用桿單元，所有節(jié)點均采用半剛接半鉸接節(jié)點，即弦桿間連接采用剛接連接，腹桿與弦桿間連接采用鉸接連接；如圖3 (C)、圖4 (c)所示，經(jīng)向弦桿采用梁單元，環(huán)向弦桿和腹桿采用桿單元，經(jīng)向弦桿間節(jié)點采用半剛接半鉸接節(jié)點，即經(jīng)向弦桿間連接采用剛接連接，腹桿與經(jīng)向弦桿間連接采用鉸接連接，其余節(jié)點均采用鉸接連接；如圖3 (d)、圖4 (d)所示，經(jīng)向弦桿、環(huán)向弦桿和腹桿均采用桿單元，所有節(jié)點均采用鉸接節(jié)點。
二種折線形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)所分別對應(yīng)的四種具體結(jié)構(gòu)形式周邊均可設(shè)置為不動鉸支座。
權(quán)利要求
1.一種由四邊形平面六桿四面體單元連接組合的球面網(wǎng)殼，其特征在于四邊形平面六桿四面體單元是由一根上弦桿、一根下弦桿和四根腹桿組成，這種基本單元的上弦桿與下弦桿在桿件中心位置為空間正交布置，四根腹桿分別連接上下弦節(jié)點，構(gòu)成經(jīng)向上弦環(huán)向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元或環(huán)向上弦經(jīng)向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元； 根據(jù)單元布設(shè)位置的不同可形成上弦環(huán)向下弦經(jīng)向雙向折線形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和上弦經(jīng)向下弦環(huán)向雙向折線形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)； 上弦環(huán)向下弦經(jīng)向雙向折線形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)由經(jīng)向上弦環(huán)向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元沿開口球殼向經(jīng)向和環(huán)向拓展構(gòu)成，其中每個基本單元之間上弦節(jié)點與上弦節(jié)點相連接，下弦節(jié)點與下弦節(jié)點相連接，經(jīng)向上弦環(huán)向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元向經(jīng)向拓展時從開口邊到殼體底邊，各單元經(jīng)向桿件保持等長，環(huán)向桿件長度線性變化，在結(jié)構(gòu)內(nèi)圈上弦節(jié)點增加一圈環(huán)向桿件； 上弦經(jīng)向下弦環(huán)向雙向折線形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)由環(huán)向上弦經(jīng)向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元沿開口球殼向經(jīng)向和環(huán)向拓展構(gòu)成，其中每個基本單元之間上弦節(jié)點與上弦節(jié)點相連接，下弦節(jié)點與下弦節(jié)點相連接，環(huán)向上弦經(jīng)向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元向經(jīng)向拓展時從開口邊到殼體底邊，各單元經(jīng)向桿件保持等長，環(huán)向桿件長度線性變化，在結(jié)構(gòu)內(nèi)圈下弦節(jié)點增加一圈環(huán)向桿件； 對二種折線形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)根據(jù)不同上、下弦節(jié)點構(gòu)造和不同梁、桿單元布設(shè)能分別得到四種結(jié)構(gòu)，經(jīng)向弦桿、環(huán)向弦桿和腹桿均采用梁單元，所有節(jié)點均采用剛接節(jié)點；經(jīng)向弦桿和環(huán)向弦桿采用梁單元，腹桿采用桿單元，所有節(jié)點均采用半剛接半鉸接節(jié)點，即弦桿間連接采用剛接連接，腹桿與弦桿間連接采用鉸接連接；經(jīng)向弦桿采用梁單元，環(huán)向弦桿和腹桿采用桿單元，經(jīng)向弦桿間節(jié)點采用半剛接半鉸接節(jié)點，即經(jīng)向弦桿間連接采用剛接連接，腹桿與經(jīng)向弦桿間連接采用鉸接連接，其余節(jié)點均采用鉸接連接；經(jīng)向弦桿、環(huán)向弦桿和腹桿均采用桿單元，所有節(jié)點均采用鉸接節(jié)點； 二種折線形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)所分別對應(yīng)的四種具體結(jié)構(gòu)形式周邊均可設(shè)置為不動鉸支座。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種由四邊形平面六桿四面體單元連接組合的球面網(wǎng)殼，現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)節(jié)點匯交桿件數(shù)量較多，給安裝和施工帶來一定困難。本發(fā)明中的四邊形平面六桿四面體單元是由一根上弦桿、一根下弦桿和四根腹桿組成，上弦桿與下弦桿在桿件中心位置為空間正交布置，其四根腹桿分別連接上下弦節(jié)點，球面網(wǎng)殼由四邊形平面六桿四面體基本單元沿開口球殼向經(jīng)向和環(huán)向拓展構(gòu)成，其中每個基本單元之間上弦節(jié)點與上弦節(jié)點相連接，下弦節(jié)點與下弦節(jié)點相連接，四邊形平面六桿四面體基本單元向經(jīng)向拓展時從開口邊到殼體底邊，各單元經(jīng)向桿件保持等長，環(huán)向桿件長度線性變化，在結(jié)構(gòu)內(nèi)圈增加一圈桿件。本發(fā)明結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，節(jié)點匯交桿件少，造型簡潔、美觀。
文檔編號E04B1/32GK102619281SQ20121007906
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者白光波, 董石麟, 鄭曉清 申請人:浙江大學(xué)