一种具有梯形刚性屋面结构单元的平面径向开合屋盖结构的制作方法

本发明涉及一种具有梯形刚性屋面结构单元的平面径向开合屋盖结构。

背景技术：

开合屋盖结构是近半个多世纪发展起来的一种新型结构，能够根据大气的变化和建筑的使用需求部分或全部开启和关闭屋盖。开合屋盖结构的主要特征是具有两种稳定的构型：完全闭合状态和完全展开工作状态。屋盖正常使用阶段需要运动并且具备多个不同受力状态，与常规建筑结构相比，设计和施工更加复杂。因此国内外建筑对于开合屋盖结构的应用十分有限，并且不能良好满足人们对开合屋盖结构的建筑功能需求。

具有梯形刚性屋面结构单元的平面径向开合屋盖结构有许多优点:

1)自重轻。梯形刚性屋面结构可采用轻盈的材料，从而使结构重量降低，下部的支撑结构和基础的断面尺寸也可以相应缩小，大大降低工程造价。

2)减少能源消耗，节省费用。梯形刚性屋面结构耗材少，并且可以选用有一定透光率的材料，在平面径向开合屋盖结构完全展开时可充分利用自然光，白天使用可以减少人工照明。

3)施工速度快。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供了一种竖向刚度好、收缩率大且结构简单易于折叠的具有梯形刚性屋面结构单元的平面径向开合屋盖结构。满足建筑对开合屋盖结构的各项功能要求,还具有设计和施工方便等优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种具有梯形刚性屋面结构单元的平面径向开合屋盖结构，由下部平面径向开合屋盖结构和上部刚性屋面板组成，其特征在于：所述平面径向开合屋盖由两个以上的环向链形剪式机构和两个以上的径向链形剪式机构组成，环向链形剪式机构同心布置，径向链形剪式机构沿所述环向链形剪式机构形成的圆环的径向布置；环向链形剪式机构由多个环向对称剪式铰单元头尾相连成环形；径向链形剪式机构由多个径向对称剪式铰单元头尾相连成线形；所述环向对称剪式铰由两个长度相等的第一连杆在杆中间铰接组成，所述径向对称剪式铰由两个长度相等的第二连杆在杆中间铰接组成；径向链形剪式机构与环向链形剪式机构通过径向对称剪式铰单元的第二连杆端部与环向对称剪式铰单元的第一连杆端部铰接实现连接，并且径向链形剪式机构伸出最外圈环向链形剪式机构端部并铰接于只具有竖向转动自由度的铰支座；所述下部平面径向开合屋盖结构在投影面上分为彼此连续的梯形刚性面板连接单元；

所述梯形刚性面板连接单元沿所述下部平面径向开合屋盖结构的径向和环向连续均匀分布，梯形的四个顶点位于相邻的两个径向链形剪式机构上，并且位于径向链形剪式机构与相邻的两个环向链形剪式机构的铰接点上；

所述上部梯形刚性屋面结构单元的刚性面板为梯形刚性面板，该梯形刚性面板由位于每个所述梯形刚性面板连接单元的刚性板折叠单元组成，刚性板折叠单元由四对以上的刚性板组铰接而成且展开后成一等腰梯形板，该等腰梯形板包括两条相互垂直的中分线，每对刚性板组为由两块刚性板沿所述中分线所在位置铰接组成的折叠结构，相邻对刚性板组的两块刚性板之间的折叠方向相反，相邻刚性板组之间的折叠方向相反。

所述环向链形剪式机构的个数为3～10个，所述径向链形剪式机构的个数为10～40个。

所述第一连杆为直杆。

所述第一连杆为平面直杆。

所述第二连杆为直杆。

所述第二连杆为平面直杆。

当平面径向开合屋盖处于完全展开状态时，所述具有梯形刚性屋面结构单元的平面径向开合屋盖结构处于张紧状态，承受外界及结构自身的荷载，此时梯形刚性屋面结构单元的固接角点之间的距离最大；当平面径向开合屋盖处于收缩状态时，梯形刚性屋面结构单元的固接角点之间距离缩短。

有益效果：

本发明由径向链形剪式机构和环向链形剪式机构同步进行伸缩，上部采用所述的梯形刚性屋面结构单元，从而使得平面径向开合屋盖-梯形刚性屋面组合结构伸缩自由，伸缩率大；剪式铰单元的折叠方向为竖直面，使平面径向开合屋盖-梯形刚性屋面组合结构具有较大的竖向刚度，而且构造合理、设计和施工简单，特别适合中小跨度的建筑。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明：

图1是本发明具有梯形刚性屋面结构单元的平面径向开合屋盖结构示意图。

图2是径向链形剪式机构和环向链形剪式机构铰接示意图。

图3是组成链形剪式机构的对称剪式铰单元示意图。

图4是组成刚性屋面结构的梯形刚性屋面结构单元展开状态示意图。

图5是组成刚性屋面结构的梯形刚性屋面结构单元展开状态示意图。

具体实施方式

下面参照说明书附图，对本发明作出更为详细的说明：

如图1所示，一种具有梯形刚性屋面结构单元的平面径向开合屋盖结构1。该结构由下部平面径向开合屋盖结构和上部梯形刚性屋面结构组成，其中平面径向开合屋盖结构是由3个环向链形剪式机构2和16个径向链形剪式机构4组成。其中，环向链形剪式机构2由48个环向对称剪式铰单元3组成，环向链形剪式机构2沿径向均匀间隔布置；径向链形剪式机构4由14个径向对称剪式铰单元5组成，径向链形剪式机构4沿环向均匀间隔布置，并且有两个径向链形剪式铰单元5伸出最外圈的环向链形剪式机构，铰接于只具有竖向转动自由度的铰支座7。

平面径向开合屋盖结构在投影面上分为彼此连续的梯形刚性屋面结构单元。梯形刚性屋面结构单元沿所述平面径向开合屋盖结构的径向和环向连续均匀分布，梯形的四个顶点ABCD位于相邻的两个径向链形剪式机构4上，并且位于径向链形剪式机构与相邻的两个环向链形剪式机构2的铰接点6上。

如图2所示，径向链形剪式机构和环向链形剪式机构的连接节点构成如下：环向链形机构2和径向链形机构4通过上下两个剪式铰单元连杆端部铰节点6连接。由此，通过该铰节点的作用，实现网架结构开合过程中径向链形剪式机构和环向链形剪式机构的同步伸缩。

如图3所示的组成径向链形剪式机构和环向链形剪式机构的对称剪式铰单元是目前应用最为广泛的平行剪式铰单元。对称剪式铰单元的连杆长度相等，且通过连杆中间的一个销接节点相连，连杆仅能绕垂直与该对连杆所在平面的轴线作相对转动，而其它自由度完全受到了限制；同时对称剪式铰单元之间的连接是通过杆端部铰节点铰接实现。该单元在运动过程中其端部铰节点的连线保持平行。

如图4和图5所示是梯形刚性屋面结构单元示意图。梯形刚性屋面结构单元是由4对以上的刚性板组组成，其中每对刚性板组为由两块刚性板铰接而成的折叠结构，在本实施例中，刚性板组为16对，包括12对由梯形刚性板单元组成的刚性板组和4对由三角形刚性板单元组成的刚性板组。各板单元连接处的公共边为边界线，边界线可分为峰线和谷线，分别代表向外和向内的折叠方向。向外折叠是指相邻的板单元的外法线之间的夹角变大，向内折叠是指相邻板单元的内法线之间的夹角变大。梯形关于径向对称轴对称，径向对称轴的中点为第一顶点81。第一中分线是两个平行边的边中点82和83的连线，第二中分线是两腰的边中点84和85的连线。第一中分线和第二中分线相交于第一顶点。第一折中分线上分布以第一顶点为中心向两边延伸的相互交替的峰线和谷线；第二中分线上分布以第一顶点为中心向两边延伸的相互交替的峰线和谷线。梯形刚性面板单元的角点固接在径向链形剪式机构和环向链形剪式机构连杆的端铰接点上，相邻梯形刚性面板单元之间在边界处紧密过渡连接。