专利名称：一种空间结构及其构建方法
技术领域：
本发明公开一种空间结构的构建方法，适用于土木、水利工程、园林、环保工程等领域。
背景技术：
随着工业文明的高速繁荣，城市化进程的飞速推进，为满足人类生活和居住环境的需要，人们需要对各种不同类型的覆盖空间，进行结构性支撑。凡是形成三维空间状并具有三维受力特性、呈立体工作状态的结构都称为空间结构。如网架结构、网壳结构，悬索结构、膜结构、张拉整体结构等等。由它们组合而形成的杂交空间结构更是花样繁多。但这种将不同类型的结构进行组合而得到一种新的结构体系，不是两个或多个单一类型空间结构的简单拼凑，而是充分利用一种类型结构的长处，来抵消另一种与之组合的结构的短处，使得每一种单一类型的空间结构形式及其材料均能发挥最大的潜力，从而改善整个空间结构体系的受力性能，可以更经济、更合理地对更大的空间进行结构性支撑。根据结构的刚性差异和结构的组合方式，空间结构又可分成三类，即刚性空间结构、柔性空间结构和杂交空间结构。杂交空间结构可以是刚性结构体系之间的组合，如拱与空间网格结构组合形成的拱支网架；柔性结构体系之间的组合，如悬索与薄膜组合而成的结构、拱支网壳结构等，以及柔性结构体系与刚性结构体系之间的组合，如索与空间网格结构、索膜结构等组合形成的斜拉空间网格结构、拉索预应力空间网格结构及索与桁架结构组合而成的横向加劲单曲悬索结构等等；尽管各种新型的空间结构不断涌现，但各种空间结构的构建，不仅仅依赖材料的性能，更需要的是依赖自己合理的型体，充分利用不同材料的特性，以适应不同建筑造型和功能的需要。如悬索结构中，将外荷载转化为钢索的拉力， 充分发挥了钢索拉力强的材性，从而大大减轻了结构自重。所以充分发挥各种不同建筑材料的强度优势，以达到增加结构刚度、节省材料用量的目的。已成为空间结构发展的主要趋势。特别是随着计算机技术的广泛应用，解脱了长期以来空间结构的型体研究和结构优化在计算方法上的束缚，使得寻求型体与受力的完美组合成为可能，使得空间结构近十几年来以其异乎寻常的速度发展起来。例如，根据谈若明等所介绍的“空间网格结构的多参数优化设计，，方法(谈若明， 肖建春，韩志刚.空间网格结构的多参数优化设计.空间结构，2009,15 ) 58-61)利用遗传算法收敛快、得到全局解概率大的优点，将其应用于空间网格结构的多参数优化设计中，可对包括形状和截面尺寸的优化在内的，多个量级或量纲不同的相关参数，如结构的高度、网架层数、网格数、构件截面尺寸(包括由相同或不同材料构成的不同结构类型的杆件、节点，形成的不同的空间结构类型)等参数。通过确立多个约束条件，j = 1， 2，…，m，(包括挠度、杆件结构类型、各受力构件强度、压杆的稳定性、整体稳定系数等等)， 以工程造价作为目标函数f(x)(其中χ为设计变量)。建立相应的数学模型。其数学表达式为
4
Minf(x)s· t. &(χ)彡 0 j = 1,2,3, ···, m χ e D (1)可以转化为求下列无约束函数
‘_ (2)的极值问题，其中P是一个正的控制参数，a为拉格朗日乘子。a在数值上等于式 ⑴的所有拉格朗日乘子之和。当P—⑴时，￥(x，a)的极小解即为式(1)的解。实际计算时P只能取一比较大的有限值。适应函数的构造式采用F(X) = M-fp (χ)(3)其中 M = maxf(x)。对空间网格结构优化的设计变量有连续实数(如结构高度)、不连续实数(如构件截面特性)和整数(如网格数)。因此，结构优化中的设计变量由连续实数、不连续实数和整数共同组成的。基本遗传算法采用固定长度的二进制串作为设计变量的表达方式。每个整数的基因值对应于某变量的值。连续或不连续实数以离散点代替。再采用随机方法， 生成一定数量的不同的空间网格结构，形成结构集合。对集合中的结构进行若干次的约束处理、适应度计算、选择、交叉和变异等操作，最后选择出一个最优的结构。使通过综合考虑空间结构的网架层数，型体结构，节点和杆件的构成方式和结构类型，综合应用预应力技术、杆件的防屈曲处理，选择对结构进行部分或全部的浇注、填充构成各种杂交空间结构类型等综合性技术措施。设计结构稳定性更强、整体工作性能更好、经济性能良好的空间结构类型成为可能。近半个世纪以来，发展最快、应用最广的空间结构是空间网格结构，它是按一定规律布置杆件、构件通过节点连接构成的空间结构。包括网架、曲面型网壳和立体桁架。空间网格结构，具有优异的多向传力性能；其结构刚度大、自身重量轻，整体工作性能好。且有良好的抗震性能，结构美观、结构的安全储备大等独特优点，使得空间网格结构既适用于大跨度建筑，也适用于中小跨度的房屋，被大量用作各种建筑屋顶的支撑结构。但是，现有空间网格结构，存在着下述缺点(1)连接杆系的节点强度，对整个结构体系的可靠性产生显著影响，节点结构较为复杂，耗钢量较大，造成制造成本高的主要原因之一；特别在网壳结构中，节点具有特殊的作用和重要性，因为每个节点上连接的杆件很多，杆件处于空间位置，是多方位的；通过节点传递三维力流也很复杂。因此，节点构造的合理性与可靠性，直接决定着网壳结构的整体工作性能、型体变化、施工安装的简易性与经济性能。(2)理论计算和研究实测均已证明，杆系作为主要受力构件，位于网架结构不同位置的杆系，其受力大小与类型(拉力或压力)都不相同，而在通常的构建方法中，都是选择较为单一型号的钢管作为杆件材料，不仅取材也较其它型钢困难，增大构建成本，而且不能实现根据杆件的受力情况而“因力施材”，而容易增加结构的自身重量，并造成材料的浪费；(3)因为空间网格结构是严格的几何结构，结构较为复杂，根据当前通常的构建方
式，使杆件通过节点连接，再通过节点连接其他杆件的构制、施工方式，施工难度大、费用较
高。特别是对于网壳结构来说，杆件和节点几何尺寸的偏差以及曲面的改变，对网壳结构的内力、整体稳定和施工影响较大；为减少初始缺陷，对于杆件和节点的加工精度要求很高； 使得网壳的造价更高。经计算由于网架结构的节点数量多，节点结构较为复杂，节点用钢量约占整个网架结构用钢量的20% 25%，节点构造的好坏，对网架结构的结构性能、制造安装成本、总耗钢量和工程造价，都产生重大的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有空间网格结构构建，存在节点结构复杂，杆件结构单一，安装、构建施工难度大、成本高等系列问题，而发明的一种空间结构及其构建方法。本发明是采用下述方案实现的一种空间结构，包括三角形结构件及连接、紧固和固定各三角形结构件的边和顶角、组合成各杆件和节点的连接件和杆件紧固件、节点紧固件；所述的三角形结构件布置在空间结构中的不同空间位置上，作为相应空间位置上的杆件和节点的组成构件之一；所述的连接件，分别连接在不同空间位置上布置的、在同一杆件的空间位置上叠加的三角形结构件的二条或多条对应边；所述的杆件紧固件对经连接件连接的各三角形结构件的对应边，进行紧固和固定，构成空间结构的杆件；所述的节点紧固件或连接件分别对汇集并叠加在各杆件两端空间位置附近的、所有三角形结构件的顶角进行连接、紧固和固定，构成空间结构的各个节点；使各杆件、节点的结构，具备所必需的力学性能，能满足所需构建的空间结构的应用目的和约束条件的要求。本发明一种空间结构中，选用空间结构的多参数优化设计的方法，对所述的杆件和节点的构建方式进行优化设计，通过选择不同力学性能的构建材料，构建三角形结构件、 连接件、杆件紧固件和节点紧固件，由所述三角形结构件、连接件、杆件紧固件和节点紧固件组合构成空间结构的杆件和节点。本发明一种空间结构的构建方法，包括下述步骤①、结构选型根据所需构建的空间结构的应用目的和约束条件，选择杆件通过节点连接，其布置规律符合所有杆件都能分别与连接该杆件两端节点、交于不同空间位置上的第三个节点的一对或多对杆件，形成一个或多个三角形网格单元的空间结构类型，经结构计算、设计优化，选定一种空间结构类型，确立该空间结构中各杆件、节点的结构组成，使其具备所必需的力学性能；②、三角形结构件、连接件和杆件紧固件、节点紧固件的预制所述三角形网格单元，由两两相连于三个不同节点，位于同一平面的三根杆件构成；根据优化设计方案所确定的各杆件和节点的结构组成，以空间结构中不同空间位置上的三角形网格单元的边长和夹角大小作为结构参数，选择构建材料，预制形成与各三角形网格单元结构参数相同的三角形结构件和连接、固定三角形的结构件的连接件和杆件紧固件、节点紧固件；③、三角形结构件的连接根据各个三角形网格单元，在所选定的空间结构类型中的分布规律，用预制形成的三角形结构件，布置在各三角形网格单元分布的对应空间位置上，用所述的连接件分别连接在不同空间位置上布置的、二个或多个三角形结构件，重叠于各相同杆件所在的空间位置上的二条或多条边，使所有杆件分别通过三角形结构件和连接件相互连接，形成具有柔性的空间结构的基本结构；④、三角形结构件的固定选择所述的杆件紧固件对空间结构的基本结构中各三角形结构件的边进行紧固和固定，构成相应位置上的杆件，通过所述的节点紧固件或连接件分别对汇集并叠加在各杆件两端空间位置附近的所有三角形结构件的顶点进行连接、紧固和固定，构成空间结构的各个节点；所述杆件由三角形结构件的边、杆件紧固件或连接件构成，所述节点由三角形结构件的顶角、节点紧固件或连接件构成。本发明一种空间结构的构建方法中，选择不同力学性能的材料，构建三角形结构件、连接件、杆件紧固件和节点紧固件，再由三角形结构件与连接件、杆件紧固件和节点紧固件组合形成杆件和节点，使各杆件和节点在空间结构中的不同分布位置上，具备所必须的力学性能。本发明一种空间结构的构建方法中，所述连接件、杆件紧固件和节点紧固件采用捆扎、悬拉、焊接、铆固、粘接、浇注砼固化技术措施中的至少一种，实现对所述空间结构的各杆件和节点的连接、紧固、定位和固定；所述的紧固包括拉紧、加固和固定成所设计的形状。本发明一种空间结构的构建方法中，所述杆件紧固件、节点紧固件调整空间结构的基本结构中位于同一节点上的各三角形结构件顶点间的距离和各三角形结构件间的相对位置，形成空间结构设计所需要的型体，调整结构变形，对空间结构施加预应力，构成满足设计的刚度、强度要求的空间结构。本发明一种空间结构的构建方法中，在所构建的空间结构的不同空间位置上，通过连接件，连接多个结构三角形结构件，再通过杆件紧固件和节点紧固件对各个三角形结构件的边和顶角，进行紧固和固定，构建成多层、或部分多层、或局部由多个三角形结构件组合而成的几何结构或几何体，构成设计所需要的空间结构类型。本发明一种空间结构的构建方法中，在所述空间结构中填充沙石、粘土、植物生长基质、植物秸杆中的至少一种，对空间结构进行部分或全部填充；或在所述空间结构中浇注砼、粘胶剂、工程塑料中的至少一种，对空间结构进行部分或全部浇注，与空间结构中的杆件或节点粘结成为一体。一种空间结构，在园林、环保工程领域的草坪停车场、生态型挡土墙中作为结构支撑支架的应用。本发明一种空间结构的构建方法，其实施方案还包括①、所述的构建材料包括选择粘胶剂、粘胶剂与纤维的混合物、金属、陶瓷、工程塑料中的一种或几种制成；所述粘胶剂与纤维的混合物中，所述的粘胶剂包括环氧树脂、脲醛树脂胶粘剂、聚醋酸乙烯胶粘剂、聚丙烯酸树脂胶粘剂等各种类型中的至少一种，所述纤维选自植物纤维、玻璃纤维、碳纤维材料、凯夫拉纤维、碳化硅纤维中的至少一种材料，构建结构三角形结构件，如预制构成的三角形结构件，结构不固定，一个顶角和二条边部分重叠， 预制构成结构固定成型的三角形结构件，以及连接和固定三角形结构件的连接件、杆件紧固件和节点紧固件。设计和选择不同力学性能的材料，构成的相同或不同类型的杆件紧固件和节点紧固件，在同一杆件和节点上，或在同一空间结构中的不同杆件和节点上，使用一种或多种， 相同或不同材料构成的杆件紧固件和节点紧固件，有利用于选择优化组合，组合成不同力学性能、不同性价比的杆件和节点类型，充分发挥不同材料的强度优势和不同空间结构形式受力性能得到改善的优势，以达到增加结构刚度、节省材料用量的目的。
②、设计和选择不同力学性能的材料，构成不同的杆件紧固件和节点紧固件类型， 包括杆件紧固件和节点紧固件类型之一对以受拉力为主的杆件和节点类型，如对双层网架结构的下弦杆件面杆件和节点，同时进行紧固和固定的杆件紧固件和节点紧固件， 选择钢索制成、经过节点，并贯穿多根杆件的悬拉索，作为杆件和节点的组成构件之一。杆件紧固件和节点紧固件类型之二选择环氧树脂等粘胶剂类型作为杆件紧固件和节点紧固件，对各三角形结构件的边和顶角，在各杆件和节点上形成的间隙，进行浇注的材料。杆件紧固件和节点紧固件类型之三选择钢制材料作为杆件紧固件和节点紧固件，将各用钢制材料制成三角形结构件边和顶角焊接成整体，构成杆件和节点的材料。③、设计和选择不同力学性能的材料，构成的相同或不同类型的杆件紧固件包括下列类型杆件紧固件类型之一对以受拉力为主的杆件类型，如双层网架结构的下弦杆件面杆件，进行紧固和固定的杆件紧固件，选择钢丝制成的捆扎三角形结构件的边与悬拉索的捆扎绳，作为杆件紧固件组成类型之一。杆件紧固件类型之二 对受综合性内力的杆件类型，如双层网架结构的腹杆杆件， 进行紧固和固定的杆件紧固件，由预制成型的杆件紧固件，由对称设置的两部分构成，所述对称设置的两部分的接触面之间，设有与三角形结构件的对应边尺寸相匹配的凹槽，通过固定螺丝旋装在固定孔或通过捆扎绳、捆扎带绑固，将三角形结构件的对应边通过所述杆件紧固件固定成整体结构。杆件紧固件类型之三对以受拉压力为主的杆件类型，如双层网架结构的上弦杆件面杆件，进行紧固和固定的杆件紧固件，包括由隔板、缀板、浇注材料构成，所述隔板由底板与两侧板构成凹槽状，所述缀板固定在所述凹槽中，所述缀板上设有供嵌卡所述三角形结构件的对应边的槽，在所述隔板的凹槽中浇注固化材料。所述隔板由钢板、或工程塑料、 或木质材料组成，包括底板、与底板两侧相连的左、右侧板，分别与盖板相连，隔板两端分别与节点紧固件相连；缀板固定三角形结构件的相应边，置入由隔板的底板与两侧相连的左、 右侧板组成的槽的轴中心位置，使缀板四周不与隔板相连。因此，选择空间结构的多参数优化设计的方法，根据各杆件在空间结构中的不同受力大小和类型，对所述的杆件的构建方式，进行优化设计，选择上述不同类型的杆件紧固件中的至少一种，紧固和固定各个三角形结构件的对应边，使杆件紧固件与连接件、三角形结构件的对应边所共同构成的杆件的力学性能得到改善，满足设计要求。④、设计和选择不同力学性能的材料构成的、结构相同或不同的节点紧固件包括下列类型节点紧固件类型之一包括常用的连接和固定材料如绳、索、板，如连接和固定同一节点上，不同杆件上的杆件紧固件(如隔板)的构件，与其他浇注材料包括所述的砼、粘胶剂如环氧树脂、脲醛树脂胶粘剂、聚醋酸乙烯胶粘剂、聚丙烯酸树脂胶粘剂等各种类型中的至少一种，共同构成的节点类型。节点紧固件类型之二 由预制成型的成套的节点紧固件82、83等类型构成。根据各节点在空间结构中的不同受力大小和类型，对所述的节点的构建方式，进行优化设计，根据不同受力大小和类型，选择上述节点紧固件中的至少一种用来连接和固定各个三角形结构件的顶角，形成节点。本发明一种空间结构及其构建方法，其具体实施方案、结构特点、以及与现有技术相比的有益效果分析，综合如下1)结构选型和构件设计首先，根据所需要构成的空间结构的应用目的和相应的约束条件，进行结构计算、 系统设计和设计优化。选择杆件通过节点连接，其布置规律符合所有杆件都能分别与连接该杆件两端节点、交于不同空间位置上的第三个节点的一对或多对杆件，形成一个或多个三角形网格单元的一种空间结构类型，确定各杆件和节点材料和结构构成，使其具备所必需的力学性能。通过选择不同力学性能的材料类型，构建结构类型相同或不同的三角形结构件， 连接件、杆件紧固件和节点紧固件，组合构成不同力学性能的杆件、节点类型，再根据不同结构类型的杆件和节点的所具备的，如强度、刚度、稳定性、最小截面及结构挠度等力学性能指标，和所需构建的空间结构的杆件和节点所必须具备的力学性能等指标作为约束条件，建立相应的数学模型，通过对其受力、变形以及模态进行优化对比分析，最终确定经济可靠的空间结构类型，使各杆件、节点的具备经济、合理结构构成，能满足所需构建的空间结构的应用目的和约束条件的要求。例如，对空间结构的优化设计的实施途径，可根据背景技术中介绍的谈若明等“空间网格结构的多参数优化设计”方法采用拉格朗日乘子法对结构变形、压杆稳定、长细比等约束条件和优化函数进行处理，解决空间网格结构优化的很多设计参数，如结构高度、网格数、构件截面尺寸等的量级或量纲不同，优化比较困难的难题，得到用于分析的无约束函数，再使用MATLAB遗传算法工具箱，提供的函数编制的包含连续、不连续实数变量和整数变量的混合变量编码的结构优化程序，运用改进的遗传算法进行空间网格结构的形状和截面优化。因此，通过优化设计，该领域的技术人员完全能实现，由相同或不同材料，构建成结构相同或不同的三角形结构件、连接件、杆件紧固件和节点紧固件，组合构成的杆件和节点，在空间结构中的不同分布位置上，具备所必须的不同的力学性能的同时，能最大限度地发挥不同材料的强度优势和不同结构受力性能的优势，以达到减轻结构的自重，增加结构刚度、节省材料用量的目的。2)杆件和节点的构建方式(1)杆件的连接和构建方式根据本发明构建方法，所有杆件，首先分别通过三角形结构件和经连接件连接三角形结构件的对应边，使各相邻的杆件相互连接成一体，再经杆件紧固件和节点紧固件紧固和固定，形成力学性能优良的通过节点连接的杆系。既使空间结构更为稳定，又便于结构安装。同时，构成的可塑性较强的具有柔性的基本空间结构。便于设计不同的型体结构，形成不同形状的空间结构类型，如图9、10、11所示，可通过首先构成图11的矩形网格结构的柔性结构，再成型成如图10所示的型体结构，经杆件紧固件和节点紧固件对相应杆件和节点，进行紧固和固定，便可构成相应型体的空间结构类型。从而便于设计和构建结构更合理、更节省材料、更经济的型体，实现“最佳结构有赖于其自身受力之型体”。其次，所有杆件由连接件和杆件紧固件和节点紧固件，经连接和固定三角形结构
9件的相应边形成。便于选择适合的紧固材料，结合杆系的受力情况，对各条杆件进行单独设计。例如，大量理论计算和试验表明，对于网架结构来说，对结构起控制作用的是杆件的轴向内力的分布规律为(1)对上弦杆来说，轴力由四周的拉力向中心区域的压力过渡，在周边的拉力中， 中间较两边的拉力大；(2)对下弦杆来说，下弦杆均为拉力，中心区域最大，向四周逐渐减小；(3)对腹杆来说，网架四周的腹杆受力最大，拉、压力均存在，逐渐向中心区域减小；(4)从整体结构来看，网架的上、下弦杆受力较大，腹杆受力适中。上弦杆以受压为主，下弦杆受拉力为主，而腹杆既受压力，也受拉力。因此，本发明根据杆件在空间结构中部位不同，其受力类型和受力的大小的不同特点，选择不同的杆件紧固材料，作为杆系的主要构成材料之一，对所有杆件的结构进行单独设计。实现“因力施材”，充分发挥各种不同建筑材料的强度，以及截面形状和尺寸的优势，以达到增强杆件结构刚度、降低杆件成本、节省材料用量的目的。(2)节点的构成构成空间结构的各个三角形结构件的顶点，分别汇集、叠加于各杆件两端，将位于各杆件两端的各个三角形结构件的顶点，通过连接件、节点紧固件，铰接或刚接固定形成相应节点，改变了空间网格结构通常构建方式杆件通过节点连接，须设计专门的节点类型， 相应节点结构复杂，类型繁多、消耗钢量大的缺点。经计算由于网架结构的节点数量多，节点结构较为复杂，结点用钢量约占整个网架结构用钢量的20% 25%，节点构造的好坏，对网架结构的结构性能、制造安装成本、总耗钢量和工程造价，都产生重大的影响。对于网壳结构来说，由于杆件和节点几何尺寸的偏差以及曲面的改变，对网壳结构的内力、整体稳定和施工影响更大；为减少初始缺陷，对于杆件和节点的加工精度要求很高；其造价通常比网架结构更高。而根据本专利所述的新的构建方法，节点是由各相邻杆件上的三角形结构件经连接件，连接二个或多个三角形结构件的对应边，构成空间结构的基本结构时，分散于各杆件两端的节点附近的空间位置的三角形结构件的顶角组成，各节点结构松散，在杆件的构建过程中各节点也不需整体受力和定位，使空间结构的安装变得简单方便；再由连接件和节点紧固件，连接各固定成分散状态，汇集、叠加在各杆件两端的各个三角形结构件顶点，构成相应空间位置的节点后，节点由的连接件、节点紧固件共同构成。其强度决定于构成空间网格结构中，分布在各杆件两端的三角形结构件的顶角个数、结构类型和强度、连接件和节点紧固件的结构类型和强度，施加预应力的方式，和节点的固定方式(如焊接、注塑或砼浇注)等多种因素。因此，同样可根据各个节点的实际的受力情况，对相应节点进行单独设计。选用不同的材料和不同的连接、固定方式，构建成不同受力大小和类型的节点。充分发挥节点的不同构成材料强度的优势，从而节省材料，降低安装成本。3)空间结构的预应力施加方式预应力技术不仅改变了传统钢结构中的内力分配，而且改变了传统结构组成，从而出现了大量与传统结构完全不同的建筑造型、内力分析、制造工艺、施工技术。成功的预应力设计可使省钢率达到40% -50%。预应力空间结构技术设计的基本思想是采用人为的方法在结构或构件最大受力的截面部位，引入与荷载效应相反的预应力，以提高结构承载能力(延伸了材料的强度幅度)，改善结构受力状态(调整内力峰值)，增大刚度(施加初始位移，扩大结构允许位移范围)，达到节约材料、降低造价的目的。各杆件和节点在经杆件紧固件和节点紧固件固定前，形成空间结构的基本结构， 节点结构松散，具有一定程度的柔性和较强的可塑性。既便于直接应用紧固件调整和固定上、下弦杆面上，各节点上的各个三角形结构件的顶点间的间距，设计和构建适合的空间结构型体，设计施加预应力；又便于通过相应的杆件紧固件如钢索，经节点，对相应杆件和节点进行整体悬拉和调整，使整个空间结构获得相应的预应力。同时，还能通过选择杆件紧固件，对杆件进行的防屈曲处理，对杆件和节点施加相应的预应力。对于空间网架来说，其预应力施加方法和步骤为通过连接件和杆件紧固件、节点紧固件先对下弦杆面的各个节点进行连接和固定，调整上弦杆面预应力大小，再通过连接件和杆件紧固件、节点紧固件对腹杆件施加相应的预应力，最后对上弦杆面的节点进行连接和固定，来调整结构变形，确定杆系、各节点和整个空间结构的预应力大小。从而提高了预应力效率，减少挠度。4)多层或多形态的空间结构设计由于本专利所述的构建方法，具有构建方法简单、所用材料省，自身重量轻等特点，便于按照相同的方法，根据不同的应用目的，构建多层网格。也可在所构建的空间结构的不同空间位置上，通过连接件连接多个、与构成空间结构的三角形结构件，结构相同或不同的三角形结构件，再通过杆件紧固件和节点紧固件对各个三角形结构件的边和顶角，进行固定，构建成多层、或部分多层、或局部由多个三角形结构件组合而成的几何结构或几何体所构成的空间结构类型。空间网格结构按照弦杆层数的不同可分为双层、三层或多层网架，双层网架包括两个平面的网格状杆件构成相互平行的上弦与下弦，中间以竖杆和腹杆相连接。三层网架与双层网架的不同之处是在上下弦之间增加了中弦杆，腹杆分为上腹杆和下腹杆。通过不同的构建目的，可构建成双层或相互连接的多层结构。研究表明，当跨度大于50m时，可酌情考虑采用三层网架，当跨度大于85m度大于时，可优先考虑采用三层网架，达到降低用钢量的目的。5)在草坪停车场和生态型挡土墙的等园林环保工程领域的应用根据设计，按照上述方法构建相应的网格结构，作为结构支撑的支架。再通过选择粘土或植物生长基质作填充材料，填充于该空间结构中，构成杂交空间结构。充分发挥空间结构的多向抗力、传力性能强；其结构刚度大的特点。形成新型复合型构建物，既能具备良好的进行结构支撑的力学性能(例如能承受汽车、行人和坡面土体应力等类型的荷载)，又能使草本等特定植物正常生长。在具备能良好满足其相应的工程建筑功能的同时，又能兼顾生态、环保功能。从而替代钢筋混凝土、石质砌体等硬质构建物。可广泛用于构建草坪停车场、用于坡面防护工程的生态挡土墙，扩大空间网格结构的应用领域。还可根据设计，选择砼、沙石、各种粘胶剂和工程塑料对所设计的相应的空间结构进入部分或全部的填充或浇注，构成具有特定性能的杂交空间结构类型。也可根据设计需要，不使用填充材料填充和浇注材料。因此，本专利发明，一种空间结构及其构建方法，针对空间网格结构存在节点结构复杂，杆件结构单一，安装、构建施工难度大、成本高等系列缺点，提出科学的解决方法，综合应用预应力技术、杆件的防屈曲技术、组合网架和杂交空间结构等空间结构构建的先进技术和方法，组合成配套的空间结构的构建技术；并对空间结构选择进行紧固、浇注和填充等综合性的技术处理，形成各种杂交空间结构类型，可广泛应用于园林、环保等工程建筑领域。形成一种新的空间结构的构建方法，便于设计和构建更合理、更节省材料、更经济的结构型体。实现“最佳结构有赖于其自身受力之型体”；使构件抗力，主要依赖截面尺寸和材料的强度，对结构中的所有节点和杆系，进行分别设计，从而实现整个结构的“因力施材”。同时，由于所形成的空间结构结构简单，材料来源广、安装都方便，容易实现空间结构的结构定型和模块化生产，相应结构单元和构件生产的标准化、规模化和工厂化生产。从而节省材料和降低施工成本、减少能源消耗，整个降低工程造价，拓展空间网格结构的应用范围。特别是随着城市化进程的飞速发展，大量采用钢筋、砼、各种石料或建筑陶瓷构建各种建筑构建物，如道路、停车场，以及大量开挖山体进行坡面防护工程，形成的挡土墙等等。不仅消耗着大量的建筑材料和生产能源，而且因这类构建物，形成的城市“石漠化”，产生的“热岛”效应，已对我们人类赖以生存的生态环境，构成了重大威胁。因此，综合研究与开发各种空间结构构建的新方法。形成新型复合型构建物，从而替代钢筋混凝土、石质砌体等硬质构建物。大量减少建筑材料使用与消耗，同样具有强大的市场前景。也是最大限度地减轻和控制人类活动对环境造成不良影响的有效途径之一。尽管目前不断有混凝土预制件、各种注塑制品应用于草坪停车场的构建，但始终未解决承压功能与保证植物生存环境的生态功能，使这对根本对立的矛盾能有效统一。本发明的有益效果是1.本发明有效地解决以最少的投资成本，构建相同功能的空间结构，提高材料和能源的使用效率，减少建筑工程中的材料和能源消耗！2.本发明全面介绍了快速构建空间结构的新方法。形成的综合配套技术，和相应结构的构件，便于标准化、工业化生产。能最大限度地降低生产成本。3.本发明有效地解决，建筑材料构成的构建物，很难兼顾供植物生长的生态功能的矛盾。大大扩大了空间结构的应用领域。可广泛用于各种草坪停车场、挡土墙，以及生态型屋顶建设等生态、环保工程领域，替代砼、石料等建筑材料，可以大量减少建筑材料消耗， 减轻城市的“石漠化”效应。
附图1为本发明专利构建的正放四角锥网架结构示意图；附图1-1为附图1的正放四角锥网架上弦杆面杆件、节点结构俯视图；附图1-2为附图1的正放四角锥网架下弦杆面杆件、节点结构示意图；附图1-3为附图1的正放四角锥网架腹杆结构示意图；附图2为本发明专利构建的正放四角锥网架结构透视图；附图3为本发明专利构建的三角锥网架结构示意图；附图4为本发明专利构建的三角锥网架结构透视附图4-1为本发明专利构建的三角锥网架结构组成示意图；附图5为本发明专利中三角形结构件构件图(结构不固定)；附图6为本发明专利中三角形结构件构件图(结构固定)；附图7为本发明专利中连接件结构示意图；附图8为本发明专利中节点紧固件类型之一结构示意图；附图9为本发明专利构建的网壳结构结构单元示意图；附图10为本发明专利构建的网壳结构多形态扭面型体示意图；附图11为本发明专利构建的由四块矩形的网格构成的矩形的柔性网格结构示意图；图例说明1-节点结构；2-上弦杆件(受压杆件类型)；3-腹杆(杆件受拉、压力均存在类型)；4-杆件；5-预制的三角形结构件(结构不固定，一个顶角和二条边部分重叠)；6-预制的三角形结构件(结构固定成型)；7-连接三角形结构件的连接件；9-钢索(经节点， 贯穿多根杆件的钢索，同时作为杆件紧固件和节点紧固件使用)；11-连接连接到同一节点上的杆件紧固件，构成各节点的整体结构的节点紧固件之一板；30-预制的杆件紧固件； 31-预制的杆件紧固件，安装固定三角形结构件时，能分拆的杆件紧固件的分拆缝；32-用来固定能从轴截面分开的两块预制的杆件紧固件的固定孔；40-各相邻的三角形结构件组装时，边和顶角形成的间隙；41-对三角形结构件间的间隙浇注和固定的粘胶剂，杆件紧固件类型之一 ；42-对各个节点进行固定时，节点紧固所在位置；43-三角锥结构内不可视杆件构成位置(构件省略未绘)；50-杆件与接节点紧固件连接截面；51-浇注砼、或各种粘胶剂固体；52-隔板；53-缀板；54-安装固定三角形结构件时，能分拆并固定缀板的分拆缝； 80-通过节点紧固件各部件的轴心线；81-节点紧固件固定螺丝孔；82-节点紧固件抗压垫板；83-连接和固定相邻的三角形结构件顶角的节点紧固件固定零件；91-由钢丝制成，用来缠绕和固定钢索与三角形结构件形成受拉内力杆件紧固件零件；
具体实施例方式本发明实施例着重描述本专利申请的构建方法和主要的技术特征，对该领域相应专业技术人员能考虑到，或应该采用的相关构建方法和常规技术将不再赘述。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。本发明的下述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同结构形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
具体实施方式
1 构建正放四角锥网架结构参见附图1所示，在正放四角锥网架结构中，AB、DB、AD三根杆件两两相连，通过不同的三个节点A、B、D，构成同一平面上的三角形网格单元ABD。杆件AD分别与连接该杆件 AD两端的节点A、D，分别交于不同空间位置上的第三个节点B、G、C、N的杆件AB与DB、AG与 DG,AC与DC、AN与DN四对八根杆件，形成四个三角形网格单元ADB、ADG、ADC、ADN。同样可
13以求证，在正放四角锥网架结构中，所有杆件都能分别与连接该杆件两端节点、交于不同空间位置上的第三个节点的一对或多对杆件，形成一个或多个三角形网格单元。为了分析和说明方便，又可以把空间结构看作由杆件和节点构成的系列几何体相互连接而形成。例如， 在该正放四角锥网架结构中，两两相连并分别通过同一节点A、B、C、D、G的杆件AB、AD、DB、 BG、GA、DG，组成四个三角形网格单元ABD、BDG、ADG、ABG，围合而成四面体ABDG，杆件AD、DG、 GA、AC、CH、HA、HG，同样组成四个三角形网格单元ADG、AGH、AHC、ACD，如附图1所示，由于与构成四面体ABDG的四个三角形网格单元相比，所述四个三角形网格单元ADG、AGH、AHC、A⑶ 的连接方式不同，因此，该四个三角形网格单元，也能完整地围合形成五面体ACDGH的几何体结构。按照正放四角锥网架的结构规律，四面体ABDG和五面体A⑶GH经三角形ADG面连接的形成较大的几何结构，在该几何结构上的所有杆件都至少能与另外两根连接两端节点的杆件形成一个三角形网格单元。而由系列结构相同的四面体和五面体两种几何体类型形成的几何结构，相互连接就可构成正放四角锥网架结构。因此，在正放四角锥网架结构中， 所有杆件都能分别与连接该杆件两端节点、交于不同空间位置上的第三个节点的一对或多对杆件，形成一个或多个三角形网格单元。符合所选择构建的空间结构类型的杆件布置规律。同样，根据上述分析方法，可以对结构简单的空间结构类型，人工进行直接穷举分析，在该专业领域的人员也容易通过编写计算机程序，对所选择的空间结构的杆件，所形成的三角形网格单元的分布规律进行分析。综合上述分析，构成正放四角锥网架结构的几何体，只有四面体ABDG和五面体 A⑶GH两种几何体类型，各几何体的相应表面，分别由三角形ABD、BDG、ADG、ABG、AGH、AHC、 ACD等七个三角形组成，即为相应空间位置上的杆件连接节点所构成的三角形网格单元。根据该网架结构的结构特性，容易求证上述七个三角形都是全等的等腰三角形。以这些三角形网格单元，作为该网架结构的基本结构单元，构建成与三角形网格单元的边长与夹角大小等结构参数相同三角形结构件，就能通过在各三角形网格单元的空间位置上，布置与该三角形网格单元结构参数相同的三角形结构件，再连接和固定相应三角形结构件的边和顶角，构建几何体，再通过相互连接这些几何体就可构成相应的网架结构。同样可以看成或理解成用所构成的三角形结构件，按照所选择的一种空间结构中，三角形网格单元的分布规律，布置在三角形网格单元所分布的对应空间位置上，再用同时设计的连接件、杆件紧固件和节点紧固件，连接和固定叠加、汇集在构成三角形网格单元的杆件和节点的空间位置上的三角形结构件的边和顶角，形成相应位置上的杆件和节点，构成空间结构。其详细构建方法如下1)结构选型、三角形结构件、连接件和杆件紧固件、节点紧固件的材料选择与预制。参见附图1、2，根据上述分析，构成正放四角锥网架结构的，各两两相连于三个不同节点，位于同一平面的三根杆件所构成所有三角形网格单元，都是全等的等腰三角形。如三角形ABD、BDG、ADG、ABG、AGH、AHC、A⑶都是内角大小、边长长度等结构参数相同的三角形网格单元。因此，根据测定三角形网格单元ABD的各个内角大小、边长长度的结构参数的特征指标，选择构建材料构建成与三角形网格单元ABD，结构特征相同的三角形结构件5。根据所需构建的空间结构的应用目的和约束条件，在本专利领域的专业技术人员，很容易通过应用空间网格结构的多参数优化设计方法，例如，根据上文谈若明等所介绍的“空间网格结构的多参数优化设计”方法采用拉格朗日乘子法对结构变形、压杆稳定、长细比等约束条件和优化函数进行处理，解决了空间网格结构优化的很多设计参数，如结构高度、网格数、构件截面尺寸等的量级或量纲不同，优化比较困难的难题，得到用于分析的无约束函数，再使用MATLAB遗传算法工具箱，提供的函数编制了包含连续、不连续实数变量和整数变量的混合变量编码的结构优化程序，运用改进的遗传算法进行空间网格结构的形状和截面优化。选择出一个最优的结构。根据最优结构的主要设计参数，可选择和确定组成杆件和节点的三角形结构件、以及连接与紧固三角形结构件的连接件、杆件紧固件和节点紧固件材料和结构类型。使所形成的杆件和节点，在空间结构中的不同分布位置上，具备所必须的不同的力学性能的同时，能最大限度地发挥不同材料的强度优势和构成合理的结构类型，受力性能得到改善的优势。本实施例仅说明本专利所明确的构建方法，不作为一种实际应用的工程结构使用。因此，不涉及到相关荷载和具体约束条件的计算与分析。直接确定选择构建正放四角锥网架结构为构建对象。网格层数为二层。选择高强度的钢丝，预制成三角形结构件5的构件类型，为增强所构成的正放四角锥网架结构的基本结构的柔性，便于形成设计的型体， 对结构施加相应的预应力，所设计的三角形结构件5，用高强度钢丝加工成与三角形网格单元ABD的各个内角大小、边长长度的结构特征指标相同的三角形，其边不焊接成整体结构， 在一个顶角上，分别有构成该顶角二条边部分长度的一段重叠在一起，既能使三角形结构件5能形成整体的三角形受力结构，又因三角形结构件5的三条边未连接成整体，而具有一定的可塑性，如图5所示。选择铁丝构成连接件7。根据计算和实测，在正放四角锥网架结构中，不同空间位置上的杆件和节点的所受内力的大小和类型各不相同，设计不同类型的杆件紧固件和节点紧固件，与三角形结构件5共同构成各个空间位置上的杆件和节点类型，能发挥不同材料的强度优势和不同结构受力性能的优势。节省材料和投资。具体选择不同的构建材料，构成不同类型的杆件紧固件，与三角形结构件的相应边，组合形成如下三种结构类型的杆件参见附图1-1，选择并设计由隔板52、缀板53和用于浇注的砼组成的杆件紧固件类型，与相应的三角形结构件构成防屈曲结构，对上弦杆面杆件2的受压力为主体的杆件进行紧固和固定，增强杆件的抗压能力。参见附图1-2，选择并设计经过节点能贯穿下弦面的、成直线排列的所有杆件的整体钢索9，作为杆件紧固件，并同时作为节点紧固件，和固定钢索9与三角形结构件5的边形成整体结构的、以钢丝作材料构成的杆件紧固件91。对下弦杆面的受拉力为主体的杆件和节点进行紧固和固定。参见附图1-3，选择并设计杆件紧固件30，对受综合性内力的腹件3进行紧固和固定。所述杆件紧固件(30)由对称设置的两部分构成，所述对称设置的两部分的接触面31之间设有与三角形结构件(5)的对应边尺寸相匹配的凹槽，通过固定螺丝旋装在固定孔(32) 或通过捆扎绳、捆扎带绑固在所述杆件紧固件(30)上固定成整体结构。在上弦杆面，选择铁板制成的节点紧固件11，如图1-1，分别连接和固定连接到同一节点上的，杆件紧固件隔板52 ；以及连接和固定，连接到上弦杆面的各个节点的腹杆3上的杆件紧固件30，使各节点与杆件紧固件30之间，形成可供浇注的空隙。再选择用砼作为
15另一种节点紧固件类型，浇注在各节点上空隙中，使各杆件通过相应节点形成整体结构。2)空间网格结构基本结构的构建参见附图1、附图2，首先选择上述一个预制好三角形结构件5，布置于杆件AB、AD、 DB，分别两两连接于节点A、B、D所构成的三角形网格单元ABD所对应空间的位置上。对于同一杆件AD，通过该杆件两端节点A、D并相交于不同空间位置上的第三个不同的节点，同时构成四个三角形网格单元分别为相交于节点B上的两根杆件AB、DB形成的三角形网格单元ABD、相交于节点G的两根杆件AD、DG形成的三角形网格单元ADG、相交于节点N的两根杆件AN、DN形成的三角形网格单元ADN、相交于节点C的两根杆件AC、DC形成的三角形网格单元ADC，因此在杆件AD的空间位置上，分别有布置在ABD、ADG、ADN、ADC四个三角形网格单元位置上的，四个三角形结构件5的对应边，叠加在该杆件AD所在的空间位置上。用铁丝作为连接件7，将四个处于杆件AD所在的空间位置上三角形结构件的对应边连接在一起。即用所述的连接件 分别连接在ABD、ADG、ADN、ADC四个三角形网格单元的空间位置上布置的、四个三角形结构件，重叠于同一杆件AD所在的空间位置上的四条边。再按照上述方法，根据正放四角锥网架结构中，所有三角形网格单元的分布规律，在所有三角形网格单元所对应的空间位置上，分别布置预制形成的三角形结构件5，再用连接件7，分别连接各杆件与连接该杆件两端的节点，并相交于不同空间位置上的第三个节点的一对或多对根杆件，所形成的二个或多个三角形网格单元的空间位置上布置的二个或多个三角形结构件 5，重叠于该杆件所在的空间位置上的二条或多条的边连接在一起，使所有杆件分别通过相邻的三角形结构件5和连接件7相互连接构成整体结构、形成具有柔性的空间结构的基本结构。各个三角形结构件5的各个顶角，分别成分散状况，汇集、叠加各杆件两端节点附近的空间位置上。如上述杆件AD，在两端的节点A附近的空间位置上，分别有三角形网格单元NAD、BAD、GAD、CAD所对应的空间位置上，布置的四个三角形结构件5的四个顶角，节点D附近的空间位置上，分别有三角形网格单元ADB、EDB、KDN、⑶B、⑶A、CDA、NDA、AA-DG, AA-DC所对应的空间位置上，布置的九个三角形结构件5的九个顶角，成分散状况，汇集、叠加在A、D两个节点周围的空间位置上。由于节点上的三角形结构件5的顶角未连接，成分别状态，使构成的正放四角锥网架结构的基本结构，具有柔性，便于根据设计，分别调整上、 下两弦杆面上各个三角形结构件5的之间的相对位置，调整分散在各个节点上的三角形结构件5的各顶点间的距离，形成特定的型体结构，或施加相应的预应力。同时，也正由于节点在构建过程不需整体受力和严格定位，使结构的构建施工过程变得简单、容易。3)正放四角锥网架结构的构成和结构的防腐蚀处理选择钢索9作为下弦面杆件的杆件紧固件和节点紧固件，通过节点对下弦杆面的杆件和节点进行悬拉和加固。参见附图1-2，选择钢索9作杆件紧固件和节点紧固件，分别通过节点A、B、M、N布置在下弦杆面通过杆件AB、BM、MN、AN和节点A、B、M、N的、整个在一条直线上的所有杆件上，然后，选择铁丝制作成的连接件7，将钢索9制成的杆件紧固件和节点紧固件与相应位置上的三角形结构件的一条边和顶角分别连接在一起。按照同样方法对下弦杆面的所有杆件和节点，布置钢索9制成的杆件紧固件和节点紧固件，再通过悬拉， 调整下弦杆面的变形，使整个结构获得结构所需施加的预应力，再用钢丝制作成的杆件紧固件91，捆扎固定钢索9制成的杆件紧固件和节点紧固件与三角形结构件5的相应边，构成下弦杆系和节点。参见附图1-2、1_3，采用砼预制成型的杆件紧固件30作为腹杆3的杆件紧固件，所述杆件紧固件30包括对称设置的两部分的接触面31之间，设有与三角形结构件5的对应边尺寸相匹配的凹槽，通过固定螺丝旋装在固定孔32上进行固定，将所述经连接件7连接的各腹杆3位置上三角形结构件5对应边，固定成整体结构。构成相应位置的腹杆3。参见附图1-1，采用防屈曲设计的杆件紧固件，对上弦杆面杆件2如HG、GF、GD等相应位置上的三角形结构件5的相应边进行紧固和固定，所述杆件紧固件是由隔板52、缀板53、和由砼构成的浇注材料51组成，所述隔板52由底板与两侧板构成凹槽状，所述缀板 53固定在所述凹槽中，所述缀板53上设有供嵌卡所述三角形结构件5的对应边的槽，所述的隔板52与缀板53分别选用钢板制成。先用缀板53固定来自于不同空间位置的三角形网格单元上、布置的三角形结构件5的对应边，通过钢铰线制作成的连接件7，对上弦杆面的各个节点1上的三角形结构件5的顶角，进行调整和紧固，使整个结构获得相应的预应力后，再将经缀板53、连接件7连接和固定的各三角形结构件5的对应边，安装到由所述隔板 52构成凹槽中，然后用钢板制件成的节点紧固件11，连接与同一节点相连的各上弦杆面杆件的隔板52，使不同杆件上的隔板52焊接成一体，再用节点紧固件11，连接和固定腹杆3 上的杆件紧固件30，使腹杆3经节点紧固件11固定后，一端包裹着杆件紧固件30，另一端在节点1上与隔板52相连，在节点1和杆件与接点连接截面50之间，形成可供浇注的空间。 然后再向隔板52的槽中、已经各节点紧固件11连接和固定好的上弦杆2、腹杆3在各杆件与接点连接截面50之间、形成的节点内的空间浇注砼，使各节点经砼浇注固定与杆件形成整体结构。在浇注砼前用薄膜将三角形结构件5包裹，使其与浇注的砼隔离，避免应力传递影响结构性能。最后用隔板52的盖板，固定到两侧的侧板上，同样用钢板制成的节点紧固件11，在上弦杆面的各节点位置，将上弦杆的隔板52的盖板或侧板焊接成整体，构成上弦杆面上的相应的杆件2和节点。同时，根据设计如图1、1_1所示，在上弦杆面通过C、D、G、H四个节点的⑶、DG、GH、
HC四根杆件上，再连接四个结构相同的三角形结构件5，同样按照上述方法，将这四个三角形结构件的一条边，连接到上述四根杆件的缀板53上，并同样按照上弦杆面上杆件2的构建方法，构成AA-C、AA-D, AA-G、AA-H四根附加杆件4，组成几何结构或几何体AA-⑶GH，相交于同一节点AA上，构成所需构建的空间结构。最后对易锈蚀的结构和部件，刷上防锈油漆，进行相应的防腐处理，主要包括制作阶段对杆件及节点的防腐处理和拼装后最终的防腐处理。
具体实施方式
2:一种新型草坪停车场的构建方法本发明，一种空间结构及其构建方法，是在综合应用现有的空间网格结构技术的前提下，选择空间网格结构作为结构受力的主体，在形成空间网格结构构建的简单、快捷， 并能节省材料和降低施工造价的新的构建技术和方法的同时，在本实施例中，构建一种新型草坪停车场，一种新型的杂交空间结构类型，既能具备良好的进行结构支撑的力学性能 (例如能承受汽车、行人等类型的重荷载)，又能使草本等特定植物能正常生长。可广泛应用于园林、环保等工程建筑领域。空间网格结构是在上世纪中叶，特别是近三十多年来蓬勃发展起来的新结构。随着电子计算技术在空间网格结构设计中的应用，使得这种高次超静定的、计算难度较大的空间结构可以比较精确地进行分析计算，不仅解决了过去无法进行的结构分析和优化设计等问题，而且还缩短了工程的设计周期。形成成熟的技术体系和相应的技术规范，相关领域的专业技术人员，很容易根据所需构建的空间结构应用目的和相关约束条件，进行结构分析、系统设计和结构优化。例如根据上文所述的遗传算法，将其应用于空间网格结构的多参数优化设计中， 可对包括形状和截面尺寸的优化在内的，多个量级或量纲不同的相关参数，如结构的高度、 网架层数、网格数、构件截面尺寸(包括由不同材料构建的三角形结构件和相配套的连接件、杆件紧固件和节点紧固件，按本专利所述构建方法，构建形成的不同结构类型的杆件和节点类型)等参数。通过确立多个约束条件，j = 1,2, '",m,(包括挠度、杆件结构类型、各受力构件强度、压杆的稳定性、整体稳定系数)，以工程造价作为目标函数f(x)(其中χ为设计变量)。建立相应的数学模型。设计出一套优化方案。从而确定所设计的空间结构的网架层数，设计杆件、节点组成和结构，构成所需构建的空间结构类型。对于本实施例来说，该领域的技术人员，完全能应用上述方法，选择和确定三角形结构件、以及连接与紧固三角形结构件的连接件、杆件紧固件和节点紧固件的构件材料和结构类型。因此，下文着重描述本发明的构建方法和主要的技术特征，对该领域相应专业技术人员能考虑到，或应该采用的相关构建方法和常规技术将不再赘述。同时，本实施例旨在综合描述本专利所述的空间结构的构建方法，而不必对某一实际应用的结构类型进行描述。因此，直接选择受力均勻、整体结构刚度较好，结构稳定强的正三角锥系网架，参见附图 3、附图4，作为空间结构受力和进行结构性支撑的主体结构类型；并可抽象地选择相应的主要技术指标和参数，来描述构建三角锥网架，以及形成的相应杂交空间结构的主要构建方法。1)、三角形的结构件、连接件和杆件紧固件、节点紧固件的材料选择、预制在正三角锥网架结构中，由各两两相连于三个不同节点，位于同一平面的三根杆件所形成的三角形网格单元，再通过多个三角形网格单元围合，所组成的几何体分别为系列相互相连的正四面体和正八面体两种几何体类型。参见附图3、附图4、附图4-1，而这些构成几何体的三角形网格单元，都是由边长相等的正三角形组成。如图3，例如，各两两相连的杆件UW、UQ、UT、WT组成四个三角形网格单元UWT、UWQ、UTQ、WTQ均为正三角形，构成正四面体UWTQ。根据正三角锥网架的杆系布置规律和上述分析，符合所有杆件都能分别与连接该杆件两端节点、交于不同空间位置上的第三个节点的一对或多对杆件，形成一个或多个三角形网格单元的构建规律。根据三角形网格单元UWT的边长，就能构建与该三角锥中各三角形网格单元，结构特征相同的三角形结构件，布置到各三角形网格单元所对应的空间分布位置上，再通过相应的连接件、杆件紧固件和节点紧固件，连接和固定在各杆件和节点的空间位置重叠的、三角形结构件的边和顶角，构成相应位置的杆件和节点，就可构建该正三角锥网架。参见附图4-1、附图6、附图7、附图8，选择高强度工程塑料，预制正三角形结构件 6。分别选择塑料带作为连接件7，选择工程塑料预制的节点紧固件82和83通过常用紧固螺丝经紧固孔81固定，用钢铰线作为节点连接和预应力施加连接件7。在各相邻的三角形结构件6连接和固定后，对各相邻的三角形结构件6安装后，在边和顶角间形成的间隙40位置浇注环氧树脂，作为杆件紧固件和节点紧固件之一，进行粘合，形成整体的正三角锥网架结构。2)空间网格结构基本结构的构建参见附图4-1，根据结构施工图，由于正三角锥网架结构，由正四面体与正八面体相互连接组成，两个几何体的表面均为杆件连接节点构成的正三角形网格单元。首先选择一个预制好的正三角形结构件6，布置于所需构建的正三角锥网架结构中的三角形网格单元UWT的空间位置上，再用连接件7，分别连接杆件WU，与连接该杆件两端的节点W、U，并相交于不同空间位置上的第三个节点Q、X的另两对杆件QW与QU、Xff与XU，所形成的另二个三角形网格单元QWU、XffU的空间位置上布置的、二个三角形结构件6，重叠于该杆件WU所在的空间位置上的三条边连接在一起。即用所述的连接件7分别连接在UWT、QWU、XWU三个三角形网格单元的空间位置上布置的、三个三角形结构件，重叠于同一杆件WU所在的空间位置上的三条边。同样按照上述方法，在正三角锥空间结构中的各个三角形网格单元对应的空间位置上布置正三角形结构件6，再分别连接件7连接各杆件上，在不同空间位置的三角形网格单元上布置的正三角形结构件6的对应边，构成经三角形结构件6和连接件7相互连接构成整体结构，形成具有柔性的正三角锥网架结构的基本结构。3)正三角锥预应力网架结构的构成和相关构件的防腐蚀处理对已构成的具有柔性的空间结构的基本结构的杆件和节点；通过钢铰线制成的连接件7，分别连接和固定下弦杆面的所有节点，如节点0、P、Q，使上弦杆面各节点相对扩张， 使整个正三角锥网架结构的基本结构向上形成一定的弧度。再同样通过钢铰线作为连接件 7，对下弦杆面的所有节点，如节点U、V、X、W、T、R、S，进行紧固和调整，来调整结构变形，确定杆系、各接点和整个网格结构的预应力大小。再用预制好的节点紧固件83，每两片为一组，固定同一节点上的各个三角形结构件6的顶角。如附图4-1、附图8所示，在已经连接件7连接的，处于三角形网格单元UXW 和UXV上布置的三角形结构件6，相互汇集在节点X位置的上下两个面，分别放置两组四片节点紧固件83，一端同时安装在节点X的上各个三角形结构件6汇集、形成的间隔40的中心位置上，使上下两个面上的所有节点紧固件83的固定孔81，和放置在三角锥网架结构外表上的节点紧固件82的螺丝固定孔81在同一轴心线80上，能通过间隙40，使用固定螺丝 (包括辅助性用机械钻孔)固定。同一组、分成上下两片的节点紧固件83的另一端分别安装到三角形结构件6的内角WXU和UXV位置，使螺丝固定孔81能通过固定螺丝，并固定两三角形结构件6的在节点X上的顶角。根据上述方法，将所有三角形结构件6通过节点紧固件82和83固定成一整体结构。并在三角形结构件6的边和顶角的相应的位置上，再使用环氧树脂作为杆件紧固件和节点紧固件，对各杆件和节点的间隙40进行浇注，构成预应力正三角锥网架结构。网架构成后，须对易锈蚀的结构和部件涂刷防锈漆进行防腐处理。4)对预应力网架结构进行填充、构成用作草坪停车场的杂交空间结构选择可供植物生长的粘土，向所构成预应力正三角锥网架结构的网架中填充，并播种狗牙根等草种。草种生长成坪后，由于所设计的正三角锥预应力网架结构能确保支撑汽车等重荷载，而预应力正三角锥网架结构的空隙能保证一定长度的植物茎段，碾压不到， 且网架中的粘土完全能保证植物正常生长。构成能使植物生长良好的草坪停车场，一种新型杂交空间结构类型。可广泛应用于城市建设，替代混凝土、或石质构建物所构成的停车场。产生良好的生态、环保效益。作为硬质的挡土墙，虽然受力大小与方向和草坪停车场不相同，但通过在该领域的技术人员，进行设计，按照草坪停车场的构建方法，选择并构建一种空间结构作为结构支撑的支架，再填充种植土，种植耐旱性植物，容易实现生态挡土墙的构建。
具体实施方式
3:一种非线性曲面网壳结构及其构建方法一种非线性曲面网壳结构及其构建方法，对该领域相应专业技术人员能考虑到， 或应该采用的相关构建方法和常规技术将不再赘述。同样，本实施例旨在综合描述本专利所述的空间结构的构建方法，构建的空间结构类型的结构特征，而不作为实际应用的结构类型。因此，抽象地选择相应的主要技术指标和参数，来描述该空间结构的构建方法和所构成的非线性曲面网壳结构。首先，根据所需构建的空间结构应用目的和相关约束条件，进行结构分析、系统设计和结构优化。设计如附图10的非线性曲面网壳结构类型，再确定由如附图11所示的四块矩形的网格，来构建该空间结构。而四块矩形的网格，都由一块结构相同的、由等腰直角三角形网格单元相互连接构成。如附图9所示，为组成该网壳结构的矩形网格的部分结构单元。按照三角形网格单元A1-B1-A2的边长和夹角大小的结构参数，选择钢制材料预制好与该三角形网格单元A1-B1-A2结构参数相同的系列三角形结构件6，在三角形网格单元 A1-B1-A2的空间位置上布置三角形结构件6，再通过如图7所示的用铁丝制作的连接件7， 在三角形网格单元A1-B1-A2的A2-B1边所在的三角形结构件6的对应边上，再连接上另一个上述三角形结构件6，布置在三角形网格单元B1-A2-B2的空间位置上。再分别在该三角形结构件6所在的B1-B2和A2-B2的空间位置的边上，分别连接上另外两个三角形结构件 6，布置在三角形网格单元B1-B2-C1和三角形网格单元A2-B2-A3的空间位置上。按照上述方法，先构成Al至E4的网格结构，然后采用同样的方法，参见附图11，构建成由四块矩形的网格构成的矩形的柔性网格结构的基本结构。再根据附图10所示的空间形状，用模板制作成结构相同的型体后固定成型，将如附图11所示的上述柔性网格结构的基本结构放置到成型的模板上，通过调整经连接件7连接的各个三角形结构件6之间的相对位置，使柔性网格结构的基本结构按成型模板的形状调整成形，形成设计所需的型体。选择钢制材料作为杆件紧固件和节点紧固件，在间隙40的位置上，将所有相邻的三角形结构件6的顶角焊接成整体，形成刚性接点！焊接各个三角形结构件6经连接件7 连接的相邻的边，形成整体结构，构成相应位置上的杆件。再拆除所搭建的模板和连接件7。 经节点和杆件进行油漆防锈漆防腐后，构成一种由网壳结构构成的非线性曲面型体的网壳结构类型。
权利要求
1.一种空间结构，其特征在于包括三角形结构件及连接、紧固和固定各三角形结构件的边和顶角、组合成各杆件和节点的连接件和杆件紧固件、节点紧固件；所述的三角形结构件布置在空间结构中的不同空间位置上，作为相应空间位置上的杆件和节点的组成构件之一；所述的连接件，分别连接在不同空间位置上布置的、在同一杆件的空间位置上叠加的三角形结构件的二条或多条对应边；所述的杆件紧固件对经连接件连接的各三角形结构件的对应边，进行紧固和固定，构成空间结构的杆件；所述的节点紧固件或连接件分别对汇集并叠加在各杆件两端空间位置附近的、所有三角形结构件的顶角进行连接、紧固和固定，构成空间结构的各个节点。
2.根据权利要求1所述的一种空间结构，其特征在于选用空间结构的多参数优化设计的方法，对所述的杆件和节点的构建方式进行优化设计，通过选择构建材料，构建三角形结构件、连接件、杆件紧固件和节点紧固件，由所述三角形结构件、连接件、杆件紧固件和节点紧固件组合构成空间结构的杆件和节点。
3.一种空间结构的构建方法，其特征在于步骤为①、结构选型根据所需构建的空间结构的应用目的和约束条件，选择杆件通过节点连接，其布置规律符合所有杆件都能分别与连接该杆件两端节点、交于不同空间位置上的第三个节点的一对或多对杆件，形成一个或多个三角形网格单元的空间结构类型，经结构计算、设计优化，选定一种空间结构类型，确立该空间结构中各杆件、节点的结构组成，使其具备所必需的力学性能；②、三角形结构件、连接件和杆件紧固件、节点紧固件的预制所述三角形网格单元，由两两相连于三个不同节点，位于同一平面的三根杆件构成；根据优化设计方案所确定的各杆件和节点的结构组成，以空间结构中不同空间位置上的三角形网格单元的边长和夹角大小作为结构参数，选择构建材料，预制形成与各三角形网格单元结构参数相同的三角形结构件和连接、固定三角形的结构件的连接件和杆件紧固件、节点紧固件；③、三角形结构件的连接根据各个三角形网格单元，在所选定的空间结构类型中的分布规律，用预制形成的三角形结构件，布置在各三角形网格单元分布的对应空间位置上，用所述的连接件分别连接在不同空间位置上布置的、二个或多个三角形结构件，重叠于各相同杆件所在的空间位置上的二条或多条边，使所有杆件分别通过三角形结构件和连接件相互连接，形成具有柔性的空间结构的基本结构；④、三角形结构件的固定选择所述的杆件紧固件对空间结构的基本结构中各三角形结构件的边进行紧固和固定，构成相应位置上的杆件，通过所述的节点紧固件或连接件分别对汇集并叠加在各杆件两端空间位置附近的所有三角形结构件的顶点进行连接、紧固和固定，构成空间结构的各个节点；所述杆件由三角形结构件的边、杆件紧固件或连接件构成，所述节点由三角形结构件的顶角、节点紧固件或连接件构成。
4.根据权利要求3所述的一种空间结构的构建方法，其特征在于选择材料，构建三角形结构件、连接件、杆件紧固件和节点紧固件，再由三角形结构件与连接件、杆件紧固件和节点紧固件组合形成杆件和节点。
5.根据权利要求3所述的一种空间结构的构建方法，其特征在于所述连接件、杆件紧固件和节点紧固件采用捆扎、悬拉、焊接、铆固、粘接、浇注砼固化技术措施中的至少一种， 实现对所述空间结构的各杆件和节点的连接、紧固、定位和固定；所述的紧固包括拉紧、加固和固定成所设计的形状。
6.根据权利要求3所述的一种空间结构的构建方法，其特征在于所述杆件紧固件、节点紧固件调整空间结构的基本结构中位于同一节点上的各三角形结构件顶点间的距离和各三角形结构件间的相对位置，形成空间结构设计所需要的型体，调整结构变形，对空间结构施加预应力，构成满足设计的刚度、强度要求的空间结构。
7.根据权利要求3所述的一种空间结构的构建方法，其特征在于在所构建的空间结构的不同空间位置上，通过连接件，连接多个结构三角形结构件，再通过杆件紧固件和节点紧固件对各个三角形结构件的边和顶角，进行紧固和固定，构建成多层、或部分多层、或局部由多个三角形结构件组合而成的几何结构或几何体，构成设计所需要的空间结构类型。
8.根据权利要求3所述的一种空间结构的构建方法，其特征在于在所述空间结构中填充沙石、粘土、植物生长基质、植物秸杆中的至少一种，对空间结构进行部分或全部填充； 或在所述空间结构中浇注砼、粘胶剂、工程塑料中的至少一种，对空间结构进行部分或全部浇注，与空间结构中的杆件或节点粘结成为一体。
9.根据权利要求8所述的一种空间结构的构建方法，其特征在于在园林、环保工程领域的草坪停车场、生态型挡土墙中作为结构支撑支架的应用。
全文摘要
一种空间结构及其构建方法包括由不同力学性能的材料，构成的三角形结构件及连接和固定三角形结构件的连接件和杆件紧固件、节点紧固件组成；通过连接件、杆件紧固件、节点紧固件，连接和固定三角形结构件的边和顶角，组合构成空间结构的杆件和节点，形成施工简单、快捷，结构稳定性增强、整体工作性能优良、经济性能良好的空间结构及其构建方法，能广泛应用于土木、水利工程和园林、环保等多种工程建筑领域。
文档编号E04B1/19GK102433931SQ201110246488
公开日2012年5月2日 申请日期2011年8月25日 优先权日2011年8月25日
发明者李轩 申请人:李轩