专利名称：基于球形多面体的网架结构的制作方法
技术领域：
本发明属于土木工程结构设计范畴，是基于拓扑学“弦面角和”理论建立的一种新型装配便捷的球形多面体网架结构。
背景技术：
球形网架一般采用的四边形或三角形构型的经纬线法，其构件繁多，且四边形结构稳定性差。目前工程应用上，广泛应用的是以色列学者Hanaor采用测地投影法建立的球形网架结构和网板结构方法，按球面上细分拓扑展开进行设计而来，得到的球形网架结构构件种类数没有优化。以色列学者Hanaor对单层球形网架进行了系统研究，其方法主要包括内容为:以球形20面体的球面三角形作为基元，沿其球面边弧大圆等弧细分，以构建球形多面体系列结构；构型限定为球面三角形，构成结构是单层或双层；适合金属网架，采用焊接工艺或铆接工艺完成球形结构施工安装，如
图1所示，其为按Hanaor方法构建的肋环经纬型球形穹顶，如图2所示，其为按Hanaor方法构建的肋环斜杆型穹顶，如图3所示，其为按Hanaor方法构建的三角形挂钩型铰接网壳结构，如图4所示，其为按Hanaor方法构建的刚节点镂空板壳结构，如图5所示，其为按Hanaor方法构建的边弧细分的穹顶网架。Hanaor方法得到的球形网架结构的优点是采用三角形构型网架，整体结构稳定，不足是杆件与节点类型繁多，且限于在焊接或铆接结构中使用，施工安装工时长，且焊接工艺复杂，导致节点局部刚度和单层网架整体稳定性较低，不适合作为快速构建大跨度结构方法使用，很难实现网架快速组配和单层大跨度的要求，需要在结构构造和安装工艺上进行改进(A.Hanaor Int.J.0f Space Structures 1993(7);张文福.空间结构，2005，科学出版社；董石麟，空间网格结构分析理论与计算方法，中国建筑工业出版社，2000.)。
发明内容
为解决上述现有技术中的球形网架结构节点及杆件类型繁多，节点局部刚度和单层网架整体稳定性较低，无法满足单层大跨度需求的问题，本发明提出了一种基于球形多面体弦面角和方法构建的网架结构，其结构部件类型少，建造简单方便，结实牢固。本发明采取的技术方案为:
一种基于球形多面体的网架结构，包括节点和连杆，所述球形多面体为272面球形多面体，所述272面球形多面体的南极和北极均为正五边形面，所述272面球形多面体的基元由3个正五边形面和I个正六边形面以及3个
I型六边形面、6个II型六边形面、6个III型六边形面组成，其中:所述的正六边形面位于基元的中心，6个III型六边形面沿该正六边形面的6条边环形分布，并分别与该正六边形面共用一条边；6个II型六边形面分别沿着正六边形面的6个角方向，环形分布于6个III型六边形面外围；3个 I型六边形面分别沿正六边形面的90°、210°和330°方向分布于6个III型六边形面外围；3个正五边形面分别沿正六边形面的90°、210°和330°方向分
布于3个I型六边形面的外围；所述的3个正五边形面的边长为&1 ;所述正六边形面的边长
为a3 ;所述的I型六边形面与正五边形面共用一边，该边及其相邻两侧的边的边长均为a1;
I型六边形面的另三条边边长为a2，所述的I型六边形面的6个内角中，与正五边形面相邻
的2个内角角度均为α，与这2个内角为α相对的2个内角的角度均为P，所述的I型六
边形面的另2个内角角度均为β ;所述的II型六边形面的各边边长均为a2，其6个内角中，
与型六边形面中角度为β的内角相邻的那个内角的角度为Y，与这个角度为Y的内角
相对的内角角度也为Y，其余4个内角角度为η ;所述的III型六边形面中，与I型、II型
六边形面共用的3条边的边长均为a2，另3条边边长为a3，其6个内角中，与正六边形面相邻的2个内角角度为O，与这2个角度为σ的内角相对的另2个内角角度为β，余下的另2个内角角度为ω ；
权利要求
1.一种基于球形多面体的网架结构，包括节点和连杆，其特征在于:所述球形多面体为272面球形多面体，所述272面球形多面体的南极和北极均为正五边形面，所述272面球形多面体的基元由3个正五边形面和I个正六边形面以及3个I型六边形面、6个II型六边形面、6个III型六边形面组成，其中:所述的正六边形面位于基元的中心，6个III型六边形面沿该正六边形面的6条边环形分布，并分别与该正六边形面共用一条边；6个II型六边形面分别沿着正六边形面的6个角方向，环形分布于6个III型六边形面外围；3个I型六边形面分别沿正六边形面的90°、210°和330°方向分布于6个III型六边形面外围；3个正五边形面分别沿正六边形面的90°、210°和330°方向分布于3个I型六边形面的外围；所述的3个正五边形面的边长为&1 ;所述正六边形面的边长为a3 ;所述的I型六边形面与正五边形面共用一边，该边及其相邻两侧的边的边长均为&1，I型六边形面的另三条边边长为a2，所述的I型六边形面的6个内角中，与正五边形面相邻的2个内角角度均为a，与这2个内角为a相对的2个内角的角度均为P，所述的I型六边形面的另2个内角角度均为P ;所述的II型六边形面的各边边长均为a2，其6个内角中，与I型六边形面中角度为P的内角相邻的那个内角的角度为Y，与这个角度为Y的内角相对的内角角度也为Y，其余4个内角角度为n ;所述的III型六边形面中，与I型、II型六边形面共用的3条边的边长均为a2，另3条边边长为a3，其6个内角中，与正六边形面相邻的2个内角角度为O，与这2个角度为O的内角相对的另2个内角角度为P，余下的另2个内角角度为w ；
2.如权利要求1所述的基于球形多面体的网架结构，其特征在于:所述的节点结构有5种构型，均包括柱形基体和呈“人”字形分布并固定于柱形基体上的3个杆状节点接头，所述的杆状节点接头上均设置有阳螺纹，其中，第一种节点结构构型的3个杆状节点接头相互之间的夹角分别为108° >125.333° >125.333°，所有正五边形面的顶点对应的节点均为第一种节点构型；第二种节点构型的3个杆状节点接头相互之间的夹角分别为112° >123.333° >123.333°，II型六边形面中角度为、的内角对应的顶点均为第二种节点构型；第三种节点构型的3个杆状节点接头相互之间的夹角分别为124° ,111.333°、`123.333°，这种结点构型对应于所有同时由I型、II型和III型六边形面相交形成的顶点；第四种节点构型的3个杆状节点接头相互之间的夹角分别为124° ,117.333°、`117.333°，该结点构型对应于由I个II型和2个III型六边形面相交形成的顶点；第五种节点构型的3个杆状节点接头相互之间的夹角分别为120° >119.333° >119.333°，所有正六边形面的顶点对应于这种节点构型；所述的连杆包括固定直杆和可在固定直杆两端轴向限位活动的套杆，套杆内壁设置有与所述杆状节点接头上阳螺纹匹配的阴螺纹；所述连杆的长度有3种，分别对应于所述272面球形多面体基元中各面的边长。
3.如权利要求2所述的基于球形多面体的网架结构，其特征在于:所述的柱形基体底部还连接有一个直径大于柱形基体外径的圆盘，所述圆盘上设置有3个小孔，所述的3个小孔平均分布 在3个杆状节点接头之间。
全文摘要
本发明公开了一种基于球形多面体的网架结构，包括节点和连杆，所述球形多面体为272面球形多面体，所述272面球形多面体的南极和北极均为正五边形面，所述272面球形多面体的基元由3个正五边形面和1个正六边形面以及3个型六边形面、6个型六边形面、6个型六边形面组成；该网架结构系根据平面基元拓扑细分和等弦面角方法设计，采用刚性节点构造与杆件螺接连接方法，构件种类数少、结构重量轻、构件连接便捷，无需借助重型复杂工程机械装备，即可迅速完成单层大跨度空间网架结构的构建。本发明的网架结构，适合抢险救灾、医疗救护应急大跨度临时建筑的快速构建，以及地下大空间钢筋混凝土薄壳穹顶施工支撑和大型展览或休闲运动场所使用。
文档编号E04B1/58GK103243806SQ201310210368
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月31日 优先权日2013年5月31日
发明者周丰峻, 王复明, 周广恩 申请人:周丰峻, 王复明, 周广恩