本发明属于建筑结构，尤其涉及一种圆竹空间三铰拱结构单元及圆竹空间三铰拱结构系统。
背景技术：
桁架式屋架是由直杆组成的一般具有三角形单元的平面结构，桁架杆件主要承受轴向拉力或压力，从而能充分利用材料的强度，在生活和工业中得到广泛的应用。但是因为下弦杆件的设置，桁架式屋架所占用的“三角形”空间不能通行，建筑物的有效通行和使用高度为下弦杆到地面的高度，大大影响了建筑物的通行高度。
2010年上海世博会的“德中同行之家”圆竹结构建筑，圆竹结构柱倾斜设置，并在屋面檐口和地面交于一点，进入建筑物的通行通道为圆竹结构柱间的夹角空间，供人使用的有效通行通道小，不能实现人流的快速疏散，为了增大进入建筑物的通行通道，可增大圆竹结构柱之间的夹角或加高建筑物的高度，但均会带来圆竹柱长度上的增加，结构稳定性变差，所以此结构不适用于人流量大的建筑。该结构利用钢构件承受屋面荷载，钢构件以节点荷载的形式将屋面荷载传给圆竹的连接节点，屋面的圆竹横杆只起连接作用，并没有承受屋面竖向荷载，比较浪费。屋面结构单元之间的联系构件只有横向和纵向两个方向的杆件，没有形成三角形，屋面的整体稳定性较差。
技术实现要素：
本发明的发明目的在于针对上面提到的问题，提供一种圆竹空间三铰拱结构单元及圆竹空间三铰拱结构系统。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供了一种圆竹空间三铰拱结构单元，包括固定装置、由竖向支承结构和屋面承重结构共同组成的空间单元一和空间单元二，空间单元一和空间单元二的顶端相互铰接，并在底端分别与固定装置相铰接形成空间三铰拱单元。
本发明采用竖向支承结构承受屋面承重结构传递来的力，墙面不受力，在墙面材料的选择上，就能更多的考虑美观和经济等多方面需求，选择范围更广；拱结构体系与梁结构体系相比，拱结构体系的单根杆件的截面弯矩很小，杆件主要承受轴向力，而圆竹杆件受弯性能较差，受轴向力较好，所以拱结构体系更适合于圆竹结构；空间三铰拱体单元比平面三铰拱单元抗左右侧推力更好，有更好的稳定性，空间三铰拱结构系统可以在左右方向拼接更多的圆竹空间三铰拱结构单元，从而满足较大面积建筑物的使用需要。
更进一步，竖向支承结构包括立柱一、立柱二和立柱三，立柱一、立柱二和立柱三的一端铰接于固定装置，另一端铰接于屋面承重结构,立柱一向右倾斜0～45度，立柱二向左倾斜0～45度，立柱一和立柱二向外倾斜0～60度，立柱三向内倾斜0～45度。
立柱一向右倾斜0～45度，立柱二向左倾斜0～45度，立柱一和立柱二组成类似三角形，结构更稳定，更不易变形；立柱一和立柱二向外倾斜0～60度，可以将所受的水平力传递给固定装置并抵消一部分水平力，与垂直设置相比，减少了为连接立柱一和立柱二的杆件和固定装置的数量。
更进一步，立柱三包括左立柱三和右立柱三，左立柱三和右立柱三之间通过短连梁铰接，左立柱三向左倾斜0～45度，右立柱三向右倾斜0～45度。
可用左立柱三和右立柱三组成的组合立柱代替整体立柱，能方便选材，减小对单根材料受力要求。
更进一步，屋面承重结构包括上弦杆、系杆一、平面斜撑一、腹杆一、腹杆二和下弦杆，上弦杆包括上弦杆一和上弦杆二，在空间单元一和空间单元二的铰接处设有系杆二，上弦杆一的一端、上弦杆二的一端以及下弦杆的一端和系杆二铰接，系杆一铰接弦杆一、上弦杆二、腹杆一的一端和腹杆二的一端、立柱二的另一端、立柱一的另一端，弦杆的另一端、腹杆一的另一端和腹杆二的另一端、立柱三的另一端两两铰接，弦杆一、上弦杆二、系杆一以及系杆二围成平行四边形，平面斜撑一铰接于平行四边形的对角线两点，上弦杆与水平面的夹角为0～60度。
平面斜撑一连接平行四边形的对角线两点，形成三角形，让整个屋面承重结构更加稳定；腹杆一、腹杆二和下弦杆将屋面承重结构和竖向支承结构拉结在一起，能够防止屋面承重结构的下挠变形；上弦杆与水平面的夹角为0～60度，即屋面承重结构与水平面的夹角为0～60度。屋面承重结构上可以设置屋面维护系统，形成建筑使用空间。
更进一步，上弦杆一到系杆一和系杆二远离上弦杆二一端的距离不大于系杆一或系杆二的长度的一半，上弦杆二到系杆一和系杆二远离弦杆一一端的距离不大于系杆一或系杆二的长度的一半，系杆一到上弦杆一和上弦杆二远离系杆二一端的距离不大于上弦杆一或上弦杆二的长度的三分之一。
在上弦杆超出系杆一形成屋檐的情况下，如果系杆一到上弦杆一和上弦杆二远离系杆二一端的距离大于上弦杆一或上弦杆二的长度的三分之一，上弦杆靠近系杆二的一端有上翘的趋势，会增大系杆二和上弦杆连接的节点处的受力且会增大屋檐一边的上弦杆一和上弦杆二的挠度；同理，上弦杆一到系杆一和系杆二远离弦杆二一端的距离不大于系杆一或系杆二的长度的一半，上弦杆二到系杆一和系杆二远离弦杆一一端的距离不大于系杆一或系杆二的长度的一半。
更进一步，系杆二的两端分别铰接上弦杆一和上弦杆二的一端，系杆一的两端分别铰接上弦杆一和上弦杆二的另一端。
更进一步，空间单元一和空间单元二镜像对称设置。
本发明还提供了一种圆竹空间三铰拱结构系统，包括上述的圆竹空间三铰拱结构单元，其特征在于，两相邻圆竹空间三铰拱结构单元之间间隔一定距离，圆竹空间三铰拱结构单元之间设有把两相邻圆竹空间三铰拱结构单元连接为一个整体的连接装置。
两相邻圆竹空间三铰拱结构单元之间间隔一定距离，在间隔处的可使用净高为系杆五到底面之间的净高，可以作为出入口通道，也可作为多种用途的使用空间，与上述“德中同行之家”进入建筑物的通行通道为圆竹结构柱间的夹角空间相比，提高了建筑物空间的有效使用率；与平面三铰拱体系相比能提供更大的出入口空间；两相邻圆竹空间三铰拱结构单元之间的距离可以根据圆竹空间三铰拱结构单元受力情况和开门大小要求等因素综合进行考虑。
更进一步，连接装置包括系杆五、系杆六和平面斜撑二，系杆五的两端分别铰接连接相邻两圆竹空间三铰拱结构单元的竖向支承结构和屋面承重结构相连接的节点，系杆六的两端分别铰接连接相邻两圆竹空间三铰拱结构单元的空间单元一和空间单元二相连接的节点，平面斜撑二铰接于系杆五和系杆六的对角点。
系杆五、系杆六和平面斜撑二把相邻的两个圆竹空间三铰拱结构单元连接并形成一个整体，使得结构体系可以在左右方向不断地扩展，从而满足较大面积建筑物的使用需要。
更进一步，连接装置还包括杆件七，杆件七的一端铰接连接于竖向支承结构和屋面承重结构相连接的节点，杆件七的另一端铰接连接于竖向支承结构和固定装置相连接的节点。
在两个相邻圆竹空间三铰拱结构单元之间不需要设出入口通道时，在靠近纵向端头对称设置杆件七；当圆竹空间三铰拱结构系统的结构单元数量在纵向组合数量较多时，每间隔一定的结构单元，设置杆件七，更利于把相邻的两个圆竹空间三铰拱结构单元连接并形成一个整体。
综上所述，本发明的有益效果是：
1.本发明的结构体系的单根杆件的截面弯矩很小，杆件主要承受轴向力，而圆竹杆件受弯性能较差，受轴向力较好，所以本发明十分适合于圆竹结构；
2.两相邻圆竹空间三铰拱结构单元之间间隔有一定距离，在间隔处的可使用净高为系杆五到底面之间的净高，可以作为出入口通道，也可作为多种用途的使用空间，与“德中同行之家”进入建筑物的通行通道为圆竹结构柱间的夹角空间相比，提高了建筑物空间的有效使用率；
3.本发明比桁架式屋架能更大的利用桁架式屋架所占用的“三角形”空间，增大利用空间的高度；
4.本发明的圆竹杆件都采用铰接连接，解决了圆竹杆件难刚接的问题；
5.本发明使用直的杆件，不用对杆件进行弯曲加工，可取天然的圆竹经过适当处理作为材料，在竹产区就地取材，减小了交通运输带来的能源消耗和资源的使用，且圆竹自重轻，在施工中可减少甚至避免重型机械设备的使用，既减小了施工过程对自然环境的干预与破坏，又便于安装操作，节约社会资源和人力成本，圆竹建筑使用寿命到期将之拆除后，竹材可降解，减少对环境的污染；
6.本发明的所有圆竹杆件均可在加工地点按照不同规格的截面尺寸分类，加工成精确长度的杆件，并采用标准化的铰接构件，可实现装配式的圆竹结构体系，便于快速精确地施工和安装；
7.本发明不用墙体承重，墙体可以根据美观和经济灵活选用，墙体也可以根据需要自由布置，不受受力影响的局限。
附图说明
图1为圆竹空间三铰拱结构单元的示意图；
图2为圆竹空间三铰拱结构系统的示意图；
图3为圆竹空间三铰拱结构系统主视图的的结构简图；
图4为圆竹空间三铰拱结构系统屋面图的结构简图；
图5为圆竹空间三铰拱结构系统侧视图的结构简图。
图中标记：100-圆竹空间三铰拱结构单元，1-固定装置，2-立柱一，3-立柱二，4-系杆一，5-上弦杆，5001-上弦杆一，5002-上弦杆二，6-平面斜撑一，7-系杆二，8-腹杆一，9-腹杆二，10-立柱三，1001-左立柱三，1002-右立柱三，11-短连梁，12-下弦杆，12001-下弦杆一，12002-下弦杆二，15-空间单元一，16-空间单元二，50-系杆五，51-系杆六，52-平面斜撑二，53-杆件七。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
一种圆竹空间三铰拱结构单元，包括固定装置1、由竖向支承结构和屋面承重结构共同组成的空间单元一和空间单元二，空间单元一和空间单元二的顶端相互铰接，并在底端分别与固定装置1相铰接形成空间三铰拱单元。固定装置1为钢筋混凝土基础，竖向支承结构包括立柱一2、立柱二3和立柱三10，立柱一2向右倾斜0～45度，立柱二3向左倾斜0～45度，立柱一和立柱二向外倾斜0～60度，立柱三10相内倾斜0～45度，立柱三10包括左立柱三1001和右立柱三1002，左立柱三1001和右立柱三1002之间通过短连梁11铰接，左立柱三1001向左倾斜0～45度，右立柱三1002向右倾斜0～45度；空间单元一15和空间单元二16镜像对称设置，空间单元一15和空间单元二16铰接，屋面承重结构包括上弦杆5、系杆一4、平面斜撑一6、腹杆一8、腹杆二9和下弦杆12，在空间单元一15和空间单元二16的铰接处设有系杆二7，上弦杆5包括上弦杆一5001和上弦杆二5002，上弦杆5与水平面的夹角为0～60度，下弦杆12包括下弦杆一12001和下弦杆二12002；立柱一2、立柱二3、左立柱三1001和右立柱三1002的一端铰接于固定装置1，立柱一2的另一端、系杆一4的一端、腹杆一8的一端和上弦杆一5001的一端两两铰接，立柱二3的另一端、系杆一4的另一端、腹杆二9的一端、平面斜撑一6的一端和上弦杆二5002的一端两两铰接，左立柱三1001的另一端、腹杆二9的另一端和下弦杆二12002的一端两两铰接，右立柱三1002的另一端、腹杆一8的另一端和下弦杆一12001的一端两两铰接，系杆二7的一端、平面斜撑一6的另一端、下弦杆一12001的另一端和上弦杆一5001的另一端两两铰接，系杆二7的另一端、下弦杆二12002的另一端和上弦杆二5002的另一端两两铰接。
上弦杆一5001和上弦杆二5002可超出系杆一4形成屋檐，系杆一4和系杆二7也可超过上弦杆一5001或上弦杆二5002形成山墙面屋檐。
空间单元一15和空间单元二16可结构一致，各部件尺寸不一致。
一种圆竹空间三铰拱结构系统，包括圆竹空间三铰拱结构单元100，两相邻圆竹空间三铰拱结构单元100之间间隔一定距离，圆竹空间三铰拱结构单元100之间设有连接装置，连接装置包括系杆五50、系杆六51、拉杆一53和拉杆二54和平面斜撑二52，系杆五50的两端分别铰接于相邻两圆竹空间三铰拱结构单元的竖向支承结构和屋面承重结构相连接的节点，系杆六51的两端分别铰接于相邻两圆竹空间三铰拱结构单元的空间单元一15和空间单元二16相连接的节点，平面斜撑二52铰接于系杆五50和系杆六50的对角点；在两个相邻圆竹空间三铰拱结构单元之间不需要设出入口通道时，在靠近纵向端头对称设置杆件七53，杆件七53的一端铰接于竖向支承结构和屋面承重结构相连接的节点，杆件七53的另一端铰接于竖向支承结构和固定装置相连接的节点。
本发明的“圆竹”可部分和全部用胶合竹、重组竹、竹篾层积材、钢管或木材替代。
本发明的“铰接”也可采用半刚接或刚接替代。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。