一种自体成型弹性杆空间曲面编织结构体系的制作方法

本实用新型涉及一种空间曲面结构体系，特别是一种利用连续弹性杆件编织的复杂空间曲面。

背景技术：

现有的空间曲面结构体系和建造方法一般包括：

一、空间网壳结构：以杆件为基础，按一定规律组成网格，按壳体结构布置成空间构架，通过杆件之间拉压或剪力逐点传力。

二、骨架结构：加工预制形状的骨架，并在骨架上辅以连结成为空间曲面的结构。

三、张拉膜结构：依靠膜自身的张拉应力与支撑杆和拉索共同构成结构体系。

四、钢或混凝土壳体结构：通过空间定位信息搭建木模板，再根据木模板的形状进行钢板的切割和拼装或者进行混凝土的浇筑。

这些曲面结构体系和建造方法在施工复杂空间曲面结构体系的过程中均存在以下问题：

一、张拉膜结构由于本身材料的性质限制，不能应用于复杂空间曲面的建造，可构建的曲面种类有限，且对材料的力学性能要求较高，同时空间精确定位作业困难，且往往需要高空作业，施工过程复杂。

二、空间网壳结构和骨架结构在建造复杂曲面的过程中，都需要精确和繁琐的三维空间定位，根据曲面形态预先进行数控节点制作，建造过程工序复杂，在现场组装时对施工精度要求很高，还需要设计繁琐的支撑结构，占用了大量的使用空间影响了建筑的美观。材料成本和人工成本高。

三、钢或混凝土壳体结构在建造复杂曲面的过程中，需根据曲面形态预制复杂的曲面模板以及通过三维定位搭建脚手架来建造空间曲面，然后再根据木模板的形状进行钢板的切割和拼装或者进行混凝土的浇灌，施工耗时，可重复性低，材料浪费大。特别是对于扭转程度较大的曲面，由于材料的限制，难以用混凝土结构等方式实现。

四、若采用预制构件则由于结构的复杂性，会出现许多构件尺寸不同，需要每一块单独预制，不能标准化生产，生产周期长、效率低、成本高，施工质量难以保障，同时施工现场条件复杂，施工环境不佳，容易造成安装偏差以及构件损坏。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种自体成型弹性杆空间曲面编织结构体系及其施工方法，要解决现有施工复杂空间曲面结构体系材料加工困难，曲面形态实现程度低的技术问题；并解决在进行复杂曲面形态施工时，需根据空间定位信息确定构件的拼装和接驳方式，空间精确定位作业困难，高空作业，施工过程复杂的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种自体成型弹性杆空间曲面编织结构体系，包括空间曲面的骨架结构，所述骨架结构包括一组连续、可弯曲的弹性杆件，所述弹性杆件的横截面外轮廓为圆形或者弧形，所述弹性杆件通过杆体之间弯曲相互编织穿插、杆体之间各个连接点的连接形成自体成型网格状的骨架结构，所述连接点为铰接连接或刚接连接，所述弹性杆件作为该骨架结构的受力构件以及空间曲面轮廓的形成构件。

所述弹性杆件包括主体骨架，所述主体骨架包括单杆、双杆套合或多杆聚合三种形式，

所述单杆包括第一骨架杆，所述第一骨架杆是管状杆或片状杆；

所述双杆套合为内外双层嵌套的双层杆，双杆套合包括内层的第二骨架杆和外层的包覆管，所述第二骨架杆是管状杆或实心杆；

所述多杆聚合为一组小截面杆通过捆扎协同受力连接组成大截面杆，多杆聚合包括外层的包覆管和一组第三骨架杆，所述第三骨架杆是管状杆或实心杆；

所述主体骨架均允许光线通过，所述第一骨架杆、第二骨架杆、包覆管和第三骨架杆由FRP、PC、PE、PPR、碳纤维、玻璃纤维或竹材制成。

所述弹性杆件还包括与主体骨架连接为一体的发光装置，所述发光装置包括电路控制器和发光带，所述发光带贴合主体骨架设置，所述发光带设置在至少一根弹性杆件上；

所述发光带为LED灯带、光纤或EL冷光线中的一种或几种。

所述主体骨架为单杆：所述发光带穿入第一骨架杆内；

所述主体骨架为双杆套合：

第二骨架杆是管状杆，所述发光带穿入第二骨架杆内，

第二骨架杆是实心杆，所述发光带贴合固定在第二骨架杆的侧部，

所述主体骨架为多杆聚合：

所述第三骨架杆为实心杆，所述发光带穿入包覆管内。

所述连接点的连接方式为采用绑扎带绑扎连接、栓钉连接或3D打印连接节点连接，所述绑扎带为棉绳、尼龙带或金属带，所述3D整体打印的节点连接为塑料节点或金属节点。

所述可弯曲杆件空间曲面编织结构体系还包括连接在骨架结构上的围护结构，所述围护结构设置在至少一个骨架结构的网格处、与该网格处的曲面形态一致，所述围护结构与骨架结构通过覆膜、编织和镶嵌固定连接。

所述围护结构为单层膜或者复合膜，所述单层膜为单层充气膜，所述复合膜包括单层膜以及在单层膜的表面附合的一层由FRP制成的壳体。

与现有技术相比本实用新型具有以下特点和有益效果：

本实用新型创新的采用了力学性能优越的材料，将应用到拓扑关系复杂、形态变化多样的复杂空间曲面结构，解决了现有施工复杂空间曲面结构体系材料加工困难，曲面形态实现程度低的技术问题，具体如下：

一、结构轻盈；

本实用新型的结构体系选取了力学性能优越的材料制成弹性杆件作为骨架结构，并对骨架结构进行截面优化，同时简化连接点设计。本实用新型使用弹性材料，整体结构重量较小，材料运输方便，结构的建造和移动都非常简便。

二、受力合理；

本实用新型的结构体系在进行结构方案设计的时候，避免结构局部受力过大，根据算法程序得出一个网格分布较为均匀的结构方案，同时由于弹性杆件的受力与其变形具有一致性，根据设计方案建成曲面骨架结构后，杆件之间将根据受力情况进行微小变形，变形后整体形态变化不大，同时由于杆件在结构中相互平衡，整体受力更均匀合理，杆件连接简洁明确，传力清晰，形成自体成型弹性杆空间曲面编织结构体系。

同时采用弹性杆件进行建造，由于杆件的材质沿轴向是均匀的，因此在形成复杂空间曲面形态时，基本不存在扭转等问题。因此在通过弯曲杆件建造曲面形态时，不需对材料进行额外加工，只需根据节点信息把杆件进行两两连接即可，为以后施工简便打下基础。

三、造型美观，可具备互动性；

本实用新型的骨架结构在设计方案生成时，即具备其“编织”特征；同时骨架结构采用具有透明或半透明的特征的弹性材料，具有造型简洁美观的特点。同时还可以在骨架结构中加入发光装置，结构杆件与发光装置相结合，调节表皮透明度和位置，灯光效果可根据使用者的控制而产生变化，改变整体的空间围合效果灯光视觉效果强烈，具有良好的互动性，

四、应用范围广；

本实用新型不仅可应用于艺术装置的设计和建造，同时可应用于大型围护结构的设计与施工、小型灯具的设计与制作等。可以在骨架结构的外侧包覆围护结构形成建筑的围护结构。本实用新型可以通过使用不同的杆件材料，既可以用在更小规模上用于灯具设计，也可以在更大规模上用于建筑实际工程。

五、施工简便；

本实用新型按照设计的拓扑关系编织、连结杆件，利用杆件自身的弹性和互相约束，结构就能够自己成形，结构形态自然合理，作为一种新型结构体系，在未来不同尺度复杂曲面形体的构建、成形等应用上有广阔前景。同时而且通过数字化的几何生形和力学模拟，该结构体系的施工方法能够建造出更加复杂和多样的曲面形态，为设计提供了更大的自由度。

附图说明

下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。

图1是本实用新型半球形骨架结构示意图。

图2是本实用新型实施例为单杆的横截面结构示意图。

图3是本实用新型实施例为双杆套合的一种横截面结构示意图。

图4是本实用新型实施例为双杆套合的另一种横截面结构示意图。

图5是本实用新型实施例为多杆聚合的横截面结构示意图。

图6是本实用新型图1 中A处与图10中B处第一种节点连接方式结构示意图。

图7是图6的组合连接图。

图8是本实用新型图1 中A处与图10中B处第二种节点连接方式结构示意图。

图9是本实用新型图1 中A处与图10中B处第三种节点连接方式结构示意图。

图10是本实用新型半球形骨架结构上带围护结构的示意图。

图11是本实用新型三通形式的骨架结构示意图。

附图标记：1－弹性杆件、2－单杆、3－双杆套合、4－多杆聚合、5－第一骨架杆、6－第二骨架杆、7－包覆管、8－第三骨架杆、9－发光带、10－围护结构、11－起始边部、12－编织部、13－节点夹板、14－栓钉孔、15－连接栓钉、16－限位栓钉、17－槽体、18－电线、19－端部连接头、20－连接耳板、21－耳板栓钉。

具体实施方式

参见图1所示，设计一种轮廓为半球形空间曲面编织结构体系。这种结构体系包括空间曲面的骨架结构，所述骨架结构包括一组连续、可弯曲的弹性杆件1，所述弹性杆件1的横截面为圆形，所述弹性杆件1通过杆体之间弯曲相互编织穿插、杆体之间各个连接点的连接形成自体成型网格状的骨架结构，所述连接点为铰接连接或刚接连接，所述弹性杆件1作为该骨架结构的受力构件以及空间曲面轮廓的形成构件。

本实用新型中使用连续的弹性杆件形成结构，杆件受弯受压作为结构主要的受力状态，这是编织结构的重要特征。由于弹性杆件在结构中会发生扭转，同时要保证杆件具有连续、一致的抗弯能力，杆件截面需选为圆形，这样能够在不需提前设置截面扭转形态不预制杆件的条件下进行结构的建造。

所述弹性杆件包括主体骨架，所述主体骨架包括单杆2、双杆套合3或多杆聚合4三种形式。

所述主体骨架均允许光线通过，所述弹性杆件还包括与主体骨架连接为一体的发光装置，所述发光装置包括电路控制器和发光带，所述发光带贴合主体骨架设置，所述发光带设置在至少一根弹性杆件上。本实用新型骨架结构主要承担的荷载为自重、外部荷载及杆件弯曲所产生的内力，荷载通过结构的主体骨架承担，发光装置不受力。

所述发光带为LED灯带、光纤或EL冷光线中的一种或几种。使用光纤或者EL冷光线可制作具有特定空间形态的小型灯光装置。

参加图2所示，当主体骨架采用单杆2时，包括第一骨架杆5，所述第一骨架杆5是管状杆，在其他实施例中也可以是片状杆。所述发光带穿入第一骨架杆内。参见图2为一种单杆的横截面结构，第一骨架杆由PC管制成，PC管作为受力杆件，发光带为LED灯带，把LED灯带穿入PC管中，构成整体杆件。

当主体骨架采用双杆套合3时，双杆套合为内外双层嵌套的双层杆，双杆套合包括内层的第二骨架杆6和外层的包覆管7。

参加图3所示，第二骨架杆是管状杆时，所述发光带9穿入第二骨架杆6内。参见图3为一种双杆套合的横截面结构，第二骨架杆6由PE管制成，包覆管7由PC管制成，PE管作为受力杆件，发光带9为LED灯带，把LED灯带穿入PE管中，再把LED灯带和PE管套入PC管中，构成整体杆件。

参加图4所示，第二骨架杆是实心杆时，所述发光带9贴合固定在第二骨架杆6的侧部，参见图4为另一种双杆套合的横截面结构，第二骨架杆6由FRP实心杆制成，包覆管7由PE管制成，FRP实心杆作为受力杆件，发光带9为LED灯带，把LED灯带粘结固定在FRP实心杆的侧部，再把LED灯带和FRP实心杆套入PE管中，构成整体杆件。此时PE管可制成白色半透明。

参见5所示，当主体骨架采用多杆聚合4时，所述多杆聚合为一组小截面杆通过捆扎协同受力连接组成大截面杆，多杆聚合5包括外层的包覆管7和一组第三骨架杆8，所述第三骨架杆8是实心杆。多股截面较小的杆件组合起来，通过捆扎等方式使其协同受力，组成较大的杆件截面，可使结构的整体力学性能得到加强。在施工时，也可以先使小截面杆件根据曲面形态进行安装，再通过箍件等使其协同受力，即可解决大截面杆件难以移动或弯折的施工问题。如若需要发光带则可以更换尺寸更大的包覆管，然后将发光带与第三骨架杆贴合并穿入包覆管内。

结构尺寸从小型到大型，可以使用杆件材料从直径为几毫米到数公分等。因此所述第一骨架杆、第二骨架杆、包覆管和第三骨架杆可由FRP、PC、PE、PPR、碳纤维、玻璃纤维或竹材制成。在使用FRP、PC、PE、PPR、碳纤维以及玻璃纤维时，各材料均制成透明或半透明的杆件。

本实用新型中连接点的连接方式为采用绑扎带绑扎连接、栓钉连接或3D打印连接节点连接，所述绑扎带为棉绳、尼龙带或金属带，所述3D整体打印的节点连接为塑料节点或金属节点。

参见图1、图6和图7所示，本实施例中，半球形空间曲面编织结构体系，弹性杆件编织时包括起始边部11和编织部12，起始边部11为编织结构底部的一圈圆形弹性杆件，编织部12共同组成编织结构的曲面形态，编织部12均从起始边部11开始编织，也结束于起始边部11的另一侧。编织部12的弹性杆件之间的连接节点均为两道弹性杆件的两杆连接，而起始边部和编织部的连接节点均为两道编织部的弹性杆件与一道编织边部的弹性杆件的三杆连接。

两杆连接位置处，杆体需上下叠合才能连接，两杆在连接节点处不在同一平面。而三杆连接节点处，杆体则位于同一平面内。

参见图6-7所示，这种实施例的三杆连接的节点是采用单杆，单杆2的第一骨架杆5是管状杆的情形。该节点采用带节点夹板13的栓钉连接，起始边部11上并未打孔，编织部12上各打一个栓钉孔14，节点夹板13上下相对设置，三杆前后夹在节点夹板13之间，每块节点夹板上设置六个栓钉孔，其中两个用于穿过连接栓钉15固定起始边部11，剩下四个用于固定限位栓钉16，两两成对并且在节点夹板13上左右对称设置，每对限位栓钉16的设置宽度与起始边部11的尺寸相适应，起始边部11上下限位在限位栓钉16之间。四个限位栓钉上下穿入两块节点夹板上栓钉孔，两个连接栓钉上下除了穿入两块节点夹板上的栓钉孔，还穿入了编织部上的栓钉孔。

参见图8所示，这种实施例与图7中的节点不同的是，节点是采用单杆，单杆2的第一骨架杆5是片状杆。杆内均穿入发光带9，为了保证发光带串并联的连接，需要在杆件交汇的位置处、起始边部的边缘上设置槽体17，然后发光带在此杆件交汇的位置均切割掉一小截外部包覆层，使电线18在单杆的内侧，发光带的线路卡在槽体17内。采用一侧的节点夹板13作为节点连接板，栓钉的设计位置与上一实施例一致。

参见图9所示，这种实施例与图7和图8中的节点不同的是，节点是采用多杆聚合4，第三骨架杆8是片状杆，杆内未设置发光带。该节点采用带节点连接板的栓接。

所示编织部的第三骨架杆8的端部各自设有一个端部连接头19，所述端部连接头一部分插入包覆管内、与第三骨架杆8固定连接，端部连接头的另一部分伸出包覆管，伸出包覆管的端部固定连接开有栓钉孔的连接耳板20，连接耳板20顺着骨架杆的方向设置；起始边部11在杆件交汇的位置处的杆件分为两段，每段的端头设有一个端部连接头19，两个端部连接头19对接为一体，两个端部连接头19的一侧通长固定连接有一连接耳板20，连接耳板20垂直骨架杆的方向设置，该连接耳板20上对应设有两个栓钉孔，该连接耳板与编织部的连接耳板20叠合并对齐栓钉孔，两部分栓钉孔通过耳板栓钉21连接，为了保证起始边部的连接耳板与端部连接头的连接，需要在杆件交汇的位置处、起始边部的包覆管边缘上开槽。

参见图10所示，所述可弯曲杆件空间曲面编织结构体系还包括连接在骨架结构上的围护结构，所述围护结构设置在至少一个骨架结构的网格处、与该网格处的曲面形态一致，所述围护结构与骨架结构通过覆膜、编织和镶嵌固定连接，使骨架结构和围护结构共同形成可以抵御风雨、温度变化、太阳光照射等的建筑室内空间。围护结构在不同的网格处设置产生不同的装饰效果。

所述围护结构为单层膜或者复合膜，所述单层膜为单层充气膜，所述复合膜包括单层膜以及在单层膜的表面附合的一层由FRP制成的壳体。

本实用新型可以自体成型成任意空间曲面形状，例如参见图11所示，设计一种轮廓为三通形式的形空间曲面编织结构体系。这种编织结构的弹性杆件编织时包括起始边部11和编织部12，起始边部11为编织结构共三圈圆形弹性杆件，编织部12共同组成编织结构的曲面形态，编织部12均从一圈起始边部11开始编织，结束于另一圈起始边部11。编织部12的弹性杆件之间的连接节点均为两道弹性杆件的两杆连接，而起始边部11和编织部12的连接节点均为两道编织部12的弹性杆件与一道起始边部11的弹性杆件的三杆连接。