基于刚性支撑的钢-膜空间组合结构单元构成的屋盖及其张膜方法与流程

本申请涉及一种钢-膜空间组合结构体系及其施工方法，尤其涉及基于刚性支撑的钢-膜空间组合结构单元构成的屋盖及其张膜方法。

背景技术：

膜结构通常采用高强度柔性薄膜材料与辅助结构通过一定方式使其内部产生一定的预张应力，并形成应力控制下的某种空间形状，作为覆盖结构或建筑物主体。

在空间钢结构挑蓬的膜结构设计中，锥形造型的张膜体系，通常采用的是拉索张膜的“飞柱”柔性索张拉体系。该体系由于采用钢索张紧，钢索在受压向为柔性的，因此不能解决钢挑蓬的整体刚度问题，它对屋面的整体刚度没有贡献。因此需要增加专门提升屋面整体刚度的措施，比如增加联系桁架等，不仅增加成本和施工工序，而且也不能解决单元膜结构之间的整体性。

技术实现要素：

本申请提供一种基于刚性支撑的钢-膜空间组合结构单元构成的屋盖。所述屋盖包括交叉杆系的空间支撑网格，所述屋盖是由一系列刚性支撑单元相互连接整体屋盖的刚性支撑体系，整张膜材覆盖在整体屋面刚性支撑体系上，每个所述支撑单元膜材与单元周边刚性杆系固定，所述各支撑单元的膜材通过顶升装置活套顶升环张紧整张屋面膜，形成整个完整的钢-膜空间结构整体屋盖。交叉斜撑与张紧的膜单元共同形成空间“钢-膜”一体的膜帽单元刚性系统，提高整个屋面钢挑蓬整体刚度。

罩蓬的各榀悬挑跨度不同、刚度各异的空间桁架的变形在刚性斜交的钢支撑和膜面一起组成的钢-膜空间组合结构，充分利用膜结构的支撑系统增加屋面整体刚度和协调变形，使屋盖大跨度悬挑桁架的变形更加均匀，保证了悬挑端檐口线的圆滑美观，为建筑专业的造型要求提供了技术保障。

根据本申请的第一方面，提供基于刚性支撑的钢-膜空间组合结构单元构成的屋盖，所述屋盖包括交叉杆系的空间支撑网格，所述空间支撑网格是由一系列刚性支撑单元相互连接形成的刚性支撑体系，每个所述刚性支撑单元表面覆盖有膜单元，相邻所述膜单元相连，从而形成整个完整的钢-膜空间结构整体屋盖；

所述刚性支撑体系包括支撑单元和顶升单元，所述顶升单元包括顶升装置和活套顶升环，所述活套顶升环通过所述顶升装置的运动达到张紧或调节所述膜单元的膜材张力。

在本申请的一些实施例中，所述支撑单元包括：

水平刚性支撑杆系，设置于所述支撑单元的底部；

斜向刚性交叉杆系，设置于所述水平刚性支撑体系上，与所述水平刚性支撑杆系相连。

可选地，所述斜向刚性交叉杆系与所述水平刚性支撑杆系焊接连接。

在本申请的一些实施例中，所述斜向刚性支撑杆系交叉节点设有竖向刚性杆，所述竖向刚性杆上设有所述活套顶升环，所述活套顶升环上方设有所述顶升装置。

在本申请的一些实施例中，所述膜单元的所述膜材的中心固定于所述活套顶升环上的顶板。

在本申请的一些实施例中，所述活套顶升环中间的竖向刚性杆连接顶部支撑盖板。

在本申请的一些实施例中，所述顶部支撑盖板与所述活套顶升环之间通过若干根均匀布置的螺杆连接并调节间距，所述膜单元中部固定于所述活套顶升环的顶板上。

在本申请的一些实施例中，所述膜单元的四周固定于所述水平刚性支撑杆系上。

在本申请的一些实施例中，所述水平刚性支撑杆系包括一组水平刚性杆，首尾依次相连，形成一组水平刚性节点。

在本申请的一些实施例中，所述斜向刚性支撑杆系包括一组斜向刚性支撑杆，所述一组斜向刚性支撑杆的一端分别于所述一组水平刚性杆的水平刚性节点相连，另一端竖向对角交叉相连，形成交叉节点。

在本申请的一些实施例中，所述一组水平刚性杆与所述一组斜向刚性支撑杆的数量相同。

在本申请的一些实施例中，所述膜单元的中部固定在所述交叉节点上，所述膜单元的周边固定在所述水平刚性支撑杆系上。

在本申请的一些实施例中，所述活套顶升环设置在所述竖向刚性杆上，邻近所述交叉节点的一端，可沿所述竖向刚性杆上下移动。

在本申请的一些实施例中，所述顶部支撑盖板设置于所述竖向刚性杆的外表面，固定连接在所述竖向刚性杆远离所述交叉节点的一端上。

在本申请的一些实施例中，所述顶升装置一端固定于所述活套顶升环上，另一端连接所述顶部支撑盖板且连接位置可调。

在本申请的一些实施例中，所述膜单元的中部固定于所述活套顶升环的上表面。

在本申请的一些实施例中，所述顶升装置包括一组可调螺杆。

在本申请的一些实施例中，所述一组可调螺杆沿所述竖向刚性杆周围均匀间隔布置。

在本申请的一些实施例中，张紧后，所述膜单元的顶部等高或高低错落。

根据本申请的第二方法，提供一种上述屋盖的张膜方法，包括：

调节所述顶升装置以带动所述活套顶升环向上移动，从而张紧所述膜单元；

同步或分步将所有的膜单元全部张紧。

在本申请的一些实施例中，调节所述顶升装置以带动所述活套顶升环向上移动，从而张紧所述膜单元包括：

调节所述螺杆在所述顶部支撑盖板的连接位置，以带动所述活套顶升环向上移动，从而张紧所述膜单元。

本申请提供的钢-膜空间组合结构与传统的“飞柱”形式相比，减少了水平支撑体系(充分利用膜结构的次结构交叉刚性支撑体系)、又增强了钢罩蓬的整体刚度和稳定性，使得钢罩棚桁架整体变形的协同性能更好，减少了结构用钢量。工人在膜上部进行张紧膜布操作，减少搭设脚手架，每个项目节约了数百万的脚手架费用，不仅减少施工难度也降低成本。

膜结构“锥形”造型采用钢构件交叉形成刚性支撑，使每个罩棚形成一个整体的交叉杆系的空间支撑网，利用这个张膜结构的附属结构(次结构)大大加强了主体管桁罩棚的水平和竖向的整体性和稳定性，获得更好的空间刚度。在每一个刚性支撑的交叉点上我们都设置了一个“活套顶升环”来顶升张紧膜，使膜材张紧成型为不同斜度的“锥体”造型，到达必要的定型张力及设计造型的要求，既增强了钢罩蓬的整体刚度和稳定性，又使得卸去临时支撑后的钢罩棚的各榀主桁架变形整体协同性能更好，保证了台口线的平滑美观。最终建成的效果非常好，与没有采用本技术体系的屋面罩蓬相比，各榀不同悬挑跨度主桁架间的变形协调性良好，使得悬挑端檐口线更加平滑和美观，减少了增强屋面整体刚度的结构措施的费用。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1示出根据本申请示例实施例的钢-膜空间组合结构单元的示意图。

图2示出根据本申请示例实施例的膜材张紧后钢-膜空间组合结构单元俯视图。

图3示出根据本申请示例实施例的钢-膜空间组合结构单元立体图。

图4示出根据本申请示例实施例的顶升单元示意图。

图5示出根据本申请示例实施例的顶升单元立体图。

图6示出根据本申请示例另一实施例的顶升单元示意图。

图7示出根据本申请示例实施例的膜单元张紧前活动顶升单元示意图。

图8示出根据本申请示例实施例的膜单元张紧后活动顶升单元示意图。

图9示出根据本申请示例实施例的膜单元张紧后活动顶升单元立体图。

图10示出根据本申请示例实施例的膜单元张紧后钢-膜空间组合结构单元示意图

图11示出根据本申请示例实施例的膜单元张紧后钢-膜空间组合结构单元立体图。

图12示出根据本申请示例实施例的钢-膜空间组合结构体系示意图一。

图13示出根据本申请示例实施例的钢-膜空间组合结构体系示意图二。

图14示出根据本申请示例实施例的钢-膜空间组合结构屋盖示意图一。

图15示出根据本申请示例实施例的钢-膜空间组合结构屋盖示意图二。

图16示出根据本申请示例实施例的膜材单元间整体连接处的放大示意图。

图17示出根据本申请示例实施例的屋盖的张膜方法流程图。

具体实施方式

下面将对本申请实施例中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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本申请提出一种钢-膜空间组合结构单元，采用锥形刚性支撑结构，提高膜结构的整体刚度、更好地协调整体变形；同时在刚性支撑结构上设置活动顶升结构，使得工人可以在膜材上方通过调节活动顶升结构的方式逐步张紧膜材，以达到设计要求的张紧度，不需要搭设高大脚手架，节约成本。

以下将结合附图，对本申请的技术方案进行详细说明。

图1示出根据本申请示例实施例的钢-膜空间组合结合结构单元示意图图。

图2示出根据本申请示例实施例的膜材张紧后钢-膜空间组合结构单元俯视图。

图3示出根据本申请示例实施例的钢-膜空间组合结构单元立体图。下面将结合图1至图3，对本申请提供的钢-膜空间组合结构单元进行说明。

如图1所示，根据本申请实施例的钢-膜空间组合结构单元1000包括膜单元110和膜帽单元。其中，膜帽单元包括支撑单元120。所述支撑单元120设置于所述膜单元110之下，为所述膜单元提供刚性支撑。所述膜单元110可以是四氟膜(即ptfe膜)。所述的膜单元与所述的支撑单元共同组成膜帽单元。参见图1，所述支撑单元120由交叉的斜撑构成，包括水平刚性支撑杆系121和斜向刚性交叉杆系122。水平刚性支撑杆系121设置于所述刚性支撑单元120的底部。斜向刚性交叉杆系122设置于所述水平刚性支撑杆系121上方，与所述水平刚性支撑杆系121连接。

所述水平刚性支撑杆系121包括一组水平刚性杆1210，首尾依次相连形成一组水平刚性节点1211。

所述斜向刚性交叉杆系122包括一组斜向刚性支撑杆1220。所述一组斜向刚性支撑杆1220的一端分别于所述一组水平刚性杆的水平刚性节点1211相连，另一端竖向对角交叉相连，形成一个交叉节点1221。所述膜单元110的中部固定在所述交叉节点1221上，膜单元的周边固定在所述水平刚性支撑杆系上

所述一组水平刚性杆1210、所述一组斜向刚性支撑杆1220可以是钢管，但不限于此。参见图1，根据本申请的示例实施例，所述一组水平刚性杆1210与所述一组斜向刚性支撑杆1220的数量可以相同，例如均为四根钢管。根据本申请的另一些实施例，所述一组水平刚性杆1210与所述一组斜向刚性支撑杆1220的数量也可以也不同。水平刚性杆1210和斜向刚性支撑杆1220的数量可以为3根以上的多根，具体根据造型及刚度要求进行调整。

通过所述一组斜向刚性支撑杆1220对角交叉形成斜向刚性支撑，使每个钢-膜空间组合结构单元1000形成一个整体的空间支撑网格。此结构在水平和竖向均具有整体性和稳定性，使得膜结构获得更好的空间刚度。

图4示出根据本申请示例实施例的顶升单元示意图。

图5示出根据本申请示例实施例的顶升单元立体图。

图6示出根据本申请示例另一实施例的顶升单元示意图。

如图4-6所示，为了简化施工工艺、降低施工成本，本申请提供的钢-膜空间组合结构单元1000的膜帽单元还包括顶升单元130，设置于所述交叉节点1221上。

参见图4、图6，所述顶升单元130包括竖向刚性杆131、活套顶升环132、顶部支撑盖板133和顶升装置134。所述竖向刚性杆131一端固定在所述交叉节点1221上。所述活套顶升环132通过所述顶升装置134的运动张紧或调节所述膜单元的膜材张力。活套顶升环132设置在所述竖向刚性杆131的外表面、邻近所述交叉节点1221的一端，可沿所述竖向刚性杆移动。顶部支撑盖板133设置在所述竖向刚性杆131的外表面，固定连接在所述竖向刚性杆131远离所述交叉节点1221的另一端上。顶升装置134一端固定在所述活套顶升环132上，另一端与所述顶部支撑盖板133连接且连接位置可调。

结合图1，在图1所示的钢-膜空间组合结构单元中，所述的膜帽单元的所述斜撑的交点中心1221设置可以升降的活套顶升环132。所述活套顶升环132中间的竖向刚性杆131连接顶部支撑盖板133。所述顶部支撑盖板133与所述活套顶升环132之间通过若干根均匀布置的螺杆1340连接并调节间距，所述膜单元110中部固定于所述活套顶升环132顶板上。所述膜单元110的四周固定于周边桁架构件上。

如图4、图6所示，根据本申请的示例实施例，所述竖向刚性杆131是圆形钢管，但不限于此。活套顶升环132的形状可以是圆环状，套在所述竖向刚性杆131的表面，沿着竖向刚性杆131移动。所述顶部支撑盖板133固定在竖向刚性杆131的端部，可以是圆环状，也可以是带圆环帽檐的帽状，包裹在顶部支撑盖板133端部。所述顶部支撑盖板133在所述竖向刚性杆131端部的固定连接方式可以是焊接，但不限于此。

根据本申请的示例实施例，所述顶升装置134可以是一组可调螺杆1340。所述可调螺杆1340包括螺杆1341和螺母1342。例如，螺杆1341可以是高强螺杆。

根据本申请的示例实施例，所述一组可调螺杆1340的数量为3根以上，并且可调。针对不同尺寸规格的钢-膜空间组合结构单元，可以相应调整所需可调螺杆1340的数量。螺杆数量越多张膜受力越均匀，但张膜速度和施工效率随着螺杆数量增加有所降低，实际项目依据尺寸大小决定合理根数。

根据本申请的示例实施例，所述一组可调螺杆1340沿竖向刚性杆131周围均匀间隔布置，使得可调螺杆1340受力均匀，保证结构的稳定性。

在图4所示的顶升单元结构中，竖向刚性杆131固定，活套顶升环132可上下活动。在图6所示的顶升单元结构中，活套顶升环132固定，竖向刚性杆131可上下活动，螺杆1342通过卡槽135与活套顶升环132连接。

图7示出根据本申请示例实施例的膜单元张紧前活动顶升单元示意图。

如图7所示，膜单元110的中部固定在所述顶部支撑盖板133上。张紧之前，所述活套顶升环132位于距交叉节点1221最近的位置。所述螺杆1341一端固定在所述活套顶升环132上，另一端连接在所示顶部支撑盖板133上。所述活套顶升环132与顶部支撑盖板133之间的距离最远。膜单元110处于松弛状态。

图8示出根据本申请示例实施例的膜单元张紧后活动顶升单元示意图。

图9示出根据本申请示例实施例的膜单元张紧后活动顶升单元立体图。

图10示出根据本申请示例实施例的膜单元张紧后钢-膜空间组合结构单元示意图。

图11示出根据本申请示例实施例的膜单元张紧后钢-膜空间组合结构单元立体图。

如图8-11所示，张紧时，调节所述螺杆1342与所述顶部支撑盖板133的活动连接端。通过收紧螺母1341，调整所述螺杆1342与所述顶部支撑盖板133的连接位置。

螺杆1342带动所述活套顶升环132沿着所述竖向刚性杆131向着所述顶部支撑盖板133的方向移动。所述顶部支撑盖板133与所述活套顶升环132之间的距离缩短，所述活套顶升环132向上顶升。膜单元110逐渐张紧，直到满足到设计要求的张紧度。

膜单元张紧后，锁定螺母1341。活套顶升环132向上顶升的距离可根据膜单元110的设计张拉力和钢-膜空间组合结构单元100的造型需求来确定。

根据本实施例的钢-膜空间组合结构单元可用于屋面结构，但本申请不限于此。例如，幕墙等。

图12和13示出根据本申请示例实施例的两种钢-膜空间组合结构体系示意图。

图12所示的实施例中，每个膜帽单元包括一组水平刚性杆1210、两组斜向刚性支撑杆1220和顶升单元130。

图13所示的实施例中，每个膜帽单元包括两组水平刚性杆1210、两组斜向刚性支撑杆1220和顶升单元130。

根据本申请的示例实施例，还提供一种空间膜结构体系，包括钢-膜空间组合结构单元1000空间阵列。根据不同的设计要求，可以将一系列钢-膜空间组合结构单元1000按照不同的方式在空间上进行阵列排布，可以得到不同造型的空间结构。

图14示出根据本申请示例实施例的钢-膜空间组合结构屋盖示意图一。

图15示出根据本申请示例实施例的钢-膜空间组合结构屋盖示意图二。

如图14和图15所示，根据本申请的示例实施例，还提供一种钢-膜空间组合结构屋盖，包括上述钢-膜空间组合结构体系。

屋盖包括交叉杆系的空间支撑网格，所述空间支撑网格是由一系列刚性支撑单元相互连接形成的刚性支撑体系。每个刚性支撑单元表面覆盖有膜单元，相邻所述膜单元相连，从而形成整个完整的钢-膜空间结构整体屋盖。所述刚性支撑体系包括如上所述的支撑单元和顶升单元。

如图12-15所示，张紧后，所有的膜单元的顶部等高或高低错落。

上述钢-膜空间组合结构体系可以通过焊接的方式组合在一起，单个钢-膜空间组合结构体系的尺寸可设在2至10米左右，其形状可以是正方形、三角形、六角形甚至是八边形。

图16示出根据本申请示例实施例的膜材单元间整体连接处的放大示意图。

如图16所示，a单元和b单元之间设有膜材连接通道140，膜材连接通道上方设有防水膜141，可避免雨水等进入连接通道140。a单元和b单元两侧的压膜钢板142上分别设有螺栓143，在螺栓143的下方加劲板144与铜桁架上弦145与压膜钢板142焊接在一起。其中，螺栓143将压膜钢板142和压膜铝板146固定在一起。压膜铝板146的下方还设有垫圈147，以更好地保证紧固效果。

可选地，各膜单元10的焊接部位于膜起伏的起点边缘，具体位置根据实际安装情况决定。

根据本申请的示例实施例，还提供一种钢-膜空间组合结构幕墙，包括上述钢-膜空间组合结构体系。

由所述刚性支撑单元和张紧的膜单元共同形成的“钢-膜”一体空间，可提高整个屋面的整体刚度，使其结构整体性更好；各个刚性支撑结构之间相互连接，形成一个整体的交叉杆系的水平支撑网，从而加强屋面主桁架水平和竖向的整体性和稳定性，获得更好的空间刚度。

同时，所述膜结构屋面在施工过程中，可省去施工过程中的临时支撑，变形整体协同性更好。对于跨度不同、刚度各异的空间桁架，其变形在所述钢-膜空间组合结构单元的协调下，使得屋面整体刚度增加、变形更加协调，大跨度屋面桁架的变形更加均匀。从而保证了屋面的圆滑美观，为建筑专业的造型要求提供了技术保障。

此外，与传统的“飞柱”形式相比，所述膜结构屋面减少水平支撑体系，充分利用钢-膜空间组合结构单元的刚性支撑单元，既提高整体刚度、稳定性和整体变形协同性，又减少结构用钢量。

同时，在施工过程中，操作人员可以在膜单元上部进行张紧操作，减少搭设高大脚手架，节约脚手架费用，从而降低施工成本。

本申请还提供上述屋盖的张膜方法，包括：

调节所述顶升装置以带动所述活套顶升环向上移动，从而张紧所述膜单元；

同步或分步将所有的膜单元全部张紧。

其中，张紧后，所有膜单元的顶部等高或高低错落。

具体地，调节所述顶升装置以带动所述活套顶升环向上移动，从而张紧所述膜单元包括：

调节所述螺杆在所述顶部支撑盖板的连接位置，以带动所述活套顶升环向上移动，从而张紧所述膜单元。

图17示出根据本申请示例实施例的屋盖的一种张膜方法流程图。该方法包括：

s10：将膜单元中部固定在活套顶升环上；

s20：将膜单元四周固定在水平刚性支撑杆系上；

s30：调节顶升装置在顶升单元顶部支撑盖板上的连接位置；

s40：顶升装置带动活套顶升环向上运动；

s50：活套顶升环向上顶升、膜单元张紧；

s60：逐个张紧每个钢-膜空间组合结构单元的膜单元。

可选地，步骤s60，也可以是同时张紧所有的膜单元，视安装的情况而定。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。