专利名称：一种由四边形平面六杆四面体单元连接组合的球面网壳的制作方法
技术领域：
本发明涉及建筑领域，尤其涉及一种由四边形平面六杆四面体单元连接组合的球面网壳。
背景技术：
三角锥单元、四角锥单元和六角锥单元是目前网架与网壳结构的基本组成单元。三角锥单元由6根杆件组成，是一种几何稳定的结构基本单元，要使其组成网壳结构需要在基本单元间增设部分连接杆件。三角锥网壳是以倒置的三角锥为网壳的基本组成单元，随着三角锥单元不同布设方式，上下弦网格可为三角形或六边形，从而构成形式各异的三角锥网壳。四角锥单元由8根杆件组成，是一种几何不稳定的结构基本单元，要使其组成网壳结构需要在基本单元间增设部分连接杆件。由该基本单元构成的网壳结构上下弦平面网格成四边形，根据四角锥单元不同布设方式，可获得各种形式的四角锥网壳。六角锥单元由12根杆件组成，是一种几何不稳定的结构基本单元，要使其组成网壳结构需要在基本单元间增设部分连接杆件。由该基本单元构成的网壳结构上下弦平面网格成六边形或三角形，可获得六角锥网壳。以上三种现有结构的基本单元要组成网壳结构均需要在基本单元间增设部分额外的连接杆件，节点汇交杆件数量较多，其中四角锥单元和六角锥单元本身是几何不稳定结构，这为结构的安装和施工带来一定困难。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种由四边形平面六杆四面体单元连接组合的球面网壳。四边形平面六杆四面体单元是由一根上弦杆、一根下弦杆和四根腹杆组成，这种基本单元的上弦杆与下弦杆在杆件中心位置为空间正交布置，四根腹杆分别连接上下弦节点，构成经向上弦环向下弦四边形平面六杆四面体基本单元或环向上弦经向下弦四边形平面六杆四面体基本单元。根据单元布设位置的不同可形成上弦环向下弦经向双向折线形球面网壳结构和上弦经向下弦环向双向折线形球面网壳结构。上弦环向下弦经向双向折线形球面网壳结构由经向上弦环向下弦四边形平面六杆四面体基本单元沿开口球壳向经向和环向拓展构成，其中每个基本单元之间上弦节点与上弦节点相连接，下弦节点与下弦节点相连接，经向上弦环向下弦四边形平面六杆四面体基本单元向经向拓展时从开口边到壳体底边，各单元经向杆件保持等长，环向杆件长度线性变化，在结构内圈上弦节点增加一圈环向杆件。 上弦经向下弦环向双向折线形球面网壳结构由环向上弦经向下弦四边形平面六杆四面体基本单元沿开口球壳向经向和环向拓展构成，其中每个基本单元之间上弦节点与上弦节点相连接，下弦节点与下弦节点相连接，环向上弦经向下弦四边形平面六杆四面体基本单元向经向拓展时从开口边到壳体底边，各单元经向杆件保持等长，环向杆件长度线性变化，在结构内圈下弦节点增加一圈环向杆件。对二种折线形球面网壳结构根据不同上、下弦节点构造和不同梁、杆单元布设能分别得到四种结构。经向弦杆、环向弦杆和腹杆均采用梁单元，所有节点均采用刚接节点；经向弦杆和环向弦杆采用梁单元，腹杆采用杆单元，所有节点均采用半刚接半铰接节点，即弦杆间连接采用刚接连接，腹杆与弦杆间连接采用铰接连接；经向弦杆采用梁单元，环向弦杆和腹杆采用杆单元，经向弦杆间节点采用半刚接半铰接节点，即经向弦杆间连接采用刚接连接，腹杆与经向弦杆间连接采用铰接连接，其余节点均采用铰接连接；经向弦杆、环向弦杆和腹杆均采用杆单元，所有节点均采用铰接节点。二种折线形球面网壳结构所分别对应的四种具体结构形式周边均可设置为不动铰支座。本发明具有的有益效果
I.四边形平面六杆四面体单元几何稳定，节点汇交杆件少
平面四边形六杆四面体单元类似于三角锥单元，其本身就是一稳定的几何不变体。在由此基本单元所组成的球面网壳结构中，交于上弦节点的杆件有六根，交于下弦节点的杆件也有六根。在常用的具有上下弦杆各类网壳结构中，这种结构体系的杆件数和节点数相对是最少的。2.能连接成有双层作用的、构造简单的球面网壳
四边形平面六杆四面体单元，在无需另行增设杆系情况下便可连接组合而成球面网壳结构，因此相对于目前常用的三角锥等基本单元具有独特的优点。由于四边形平面六杆四面体单元具有上、下弦杆，所以由这种单元连接组合的结构在一定程度上还可起到两层网格结构的作用，有利于结构整体受力。3.建筑造型简洁、美观、空间效果强
现有基本单元组成的球面网壳结构，建筑造型单一且空间效果不强。但由四边形平面六杆四面体基本单元所组成的球面网壳结构的上、下表面具有不同的建筑造型，其中环向折线形表面既像一盛开的花瓣，又像一把撑开的雨伞，径向折线形表面又犹如一架演奏着的风琴，优美别致，具有强烈的空间效果。4.根据不同的工程实践需要可选用多种不同的结构方案
杆件单元类型选取和节点设计是空间网壳结构设计的重点，基于结构整体受力要求，杆件单元类型可分别选取杆单元和梁单元，连接节点可采用刚接节点、半刚接半铰接节点和铰接节点等节点构造形式。因此这种网壳结构存在多种不同的结构方案有利于在实际工程中根据具体情况进行多方案比较选用。5.便于吊装、运输、标准化、工业化生产
四边形平面六杆四面体单元本身为一稳定的几何不变体且其杆件和节点比较单一，尺寸不大，仓储、运输、装卸、安装都比较方便，采用小型机具设备普通工人便可进行网壳的拼装工作。基本单元的杆件和节点便于工厂化、标准化制作，可在工厂批量生产，有利于提高加工精度、减少现场施工工作量、加快施工进度、降低材料耗量和工程造价。大多数钢结构生产企业均可成批加工制作规格俱全的各种结构杆件和节点形式，可接受用户订货。
图I (a)为本发明中经向上弦环向下弦四边形平面六杆四面体基本单元结构图；、图I (b)为本发明中环向上弦经向下弦四边形平面六杆四面体基本单元结构 图2 Ca)为本发明中上弦环向下弦经向双向折线形球面网壳结构 图2 (b)为本发明中上弦经向下弦环向双向折线形球面网壳结构 图3 (a)、(b)、(C)、(d)为上弦环向下弦经向双向折线形球面网壳结构的四种具体结构 图4 (a)、(b)、(C)、(d)为上弦经向下弦环向双向折线形球面网壳结构的四种具体结构图。
具体实施例方式本发明针对现有技术的不足，提出了一种由四边形平面六杆四面体单元连接组合的球面网壳。如图I (a)、(b)所示，四边形平面六杆四面体单元是由一根上弦杆I、一根下弦杆3和腹杆2组成，这种基本单元的上弦杆I与下弦杆3在杆件中心位置为空间正交布置，四根腹杆分别连接上下弦节点，构成经向上弦环向下弦四边形平面六杆四面体基本单元或环向上弦经向下弦四边形平面六杆四面体基本单元。根据单元布设位置的不同可形成上弦环向下弦经向双向折线形球面网壳结构或上弦经向下弦环向双向折线形球面网壳结构。如图2 (a)所示，上弦环向下弦经向双向折线形球面网壳结构由经向上弦环向下弦四边形平面六杆四面体基本单元沿开口球壳向经向和环向拓展构成，其中每个基本单元之间上弦节点与上弦节点相连接，下弦节点与下弦节点相连接，经向上弦环向下弦四边形平面六杆四面体基本单元向经向拓展时从开口边到壳体底边，各单元经向杆件保持等长，环向杆件长度线性变化。为了满足构造封口要求，在结构内圈上弦节点增加一圈环向杆件。如图2 (b)所示，上弦经向下弦环向双向折线形球面网壳结构由环向上弦经向下弦四边形平面六杆四面体基本单元沿开口球壳向经向和环向拓展构成，其中每个基本单元之间上弦节点与上弦节点相连接，下弦节点与下弦节点相连接，环向上弦经向下弦四边形平面六杆四面体基本单元向经向拓展时从开口边到壳体底边，各单元经向杆件保持等长，环向杆件长度线性变化。为了满足构造封口要求，在结构内圈下弦节点增加一圈环向杆件。对二种折线形球面网壳结构根据不同上、下弦节点构造和不同梁、杆单元布设能分别得到四种结构。如图3 (a)、图4 (a)所示，经向弦杆、环向弦杆和腹杆均采用梁单元，所有节点均采用刚接节点；如图3 (b)、图4 (b)所示，经向弦杆和环向弦杆采用梁单元，腹杆采用杆单元，所有节点均采用半刚接半铰接节点，即弦杆间连接采用刚接连接，腹杆与弦杆间连接采用铰接连接；如图3 (C)、图4 (c)所示，经向弦杆采用梁单元，环向弦杆和腹杆采用杆单元，经向弦杆间节点采用半刚接半铰接节点，即经向弦杆间连接采用刚接连接，腹杆与经向弦杆间连接采用铰接连接，其余节点均采用铰接连接；如图3 (d)、图4 (d)所示，经向弦杆、环向弦杆和腹杆均采用杆单元，所有节点均采用铰接节点。
二种折线形球面网壳结构所分别对应的四种具体结构形式周边均可设置为不动铰支座。
权利要求
1.一种由四边形平面六杆四面体单元连接组合的球面网壳，其特征在于四边形平面六杆四面体单元是由一根上弦杆、一根下弦杆和四根腹杆组成，这种基本单元的上弦杆与下弦杆在杆件中心位置为空间正交布置，四根腹杆分别连接上下弦节点，构成经向上弦环向下弦四边形平面六杆四面体基本单元或环向上弦经向下弦四边形平面六杆四面体基本单元； 根据单元布设位置的不同可形成上弦环向下弦经向双向折线形球面网壳结构和上弦经向下弦环向双向折线形球面网壳结构； 上弦环向下弦经向双向折线形球面网壳结构由经向上弦环向下弦四边形平面六杆四面体基本单元沿开口球壳向经向和环向拓展构成，其中每个基本单元之间上弦节点与上弦节点相连接，下弦节点与下弦节点相连接，经向上弦环向下弦四边形平面六杆四面体基本单元向经向拓展时从开口边到壳体底边，各单元经向杆件保持等长，环向杆件长度线性变化，在结构内圈上弦节点增加一圈环向杆件； 上弦经向下弦环向双向折线形球面网壳结构由环向上弦经向下弦四边形平面六杆四面体基本单元沿开口球壳向经向和环向拓展构成，其中每个基本单元之间上弦节点与上弦节点相连接，下弦节点与下弦节点相连接，环向上弦经向下弦四边形平面六杆四面体基本单元向经向拓展时从开口边到壳体底边，各单元经向杆件保持等长，环向杆件长度线性变化，在结构内圈下弦节点增加一圈环向杆件； 对二种折线形球面网壳结构根据不同上、下弦节点构造和不同梁、杆单元布设能分别得到四种结构，经向弦杆、环向弦杆和腹杆均采用梁单元，所有节点均采用刚接节点；经向弦杆和环向弦杆采用梁单元，腹杆采用杆单元，所有节点均采用半刚接半铰接节点，即弦杆间连接采用刚接连接，腹杆与弦杆间连接采用铰接连接；经向弦杆采用梁单元，环向弦杆和腹杆采用杆单元，经向弦杆间节点采用半刚接半铰接节点，即经向弦杆间连接采用刚接连接，腹杆与经向弦杆间连接采用铰接连接，其余节点均采用铰接连接；经向弦杆、环向弦杆和腹杆均采用杆单元，所有节点均采用铰接节点； 二种折线形球面网壳结构所分别对应的四种具体结构形式周边均可设置为不动铰支座。
全文摘要
本发明公开了一种由四边形平面六杆四面体单元连接组合的球面网壳，现有技术结构节点汇交杆件数量较多，给安装和施工带来一定困难。本发明中的四边形平面六杆四面体单元是由一根上弦杆、一根下弦杆和四根腹杆组成，上弦杆与下弦杆在杆件中心位置为空间正交布置，其四根腹杆分别连接上下弦节点，球面网壳由四边形平面六杆四面体基本单元沿开口球壳向经向和环向拓展构成，其中每个基本单元之间上弦节点与上弦节点相连接，下弦节点与下弦节点相连接，四边形平面六杆四面体基本单元向经向拓展时从开口边到壳体底边，各单元经向杆件保持等长，环向杆件长度线性变化，在结构内圈增加一圈杆件。本发明结构稳定，节点汇交杆件少，造型简洁、美观。
文档编号E04B1/32GK102619281SQ20121007906
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月23日 优先权日2012年3月23日
发明者白光波, 董石麟, 郑晓清 申请人:浙江大学