一种系留空间结构体系的制作方法

本实用新型属于预应力空间结构技术领域，特别涉及到一种系留空间结构体系。

背景技术：

传统空间结构体系通常利用刚性材料抵抗结构的自重和外荷载，结构重量巨大且耗费钢材，成本高昂。因而在某些大跨度工程领域，人们设法寻求造价更低，施工更快捷的结构方案，充气膜结构便是其中一种解决方案。近几十年来充气膜结构已广泛应用于建造大跨度，施工轻便的体育建筑、仓储建筑、临时建筑等，这种充气膜是向封闭空间内注入一定压力的空气使之形成稳定的结构，主要依靠气压产生结构刚度，抵抗各种外部荷载，但其抵抗外部荷载的能力有限。

系留结构的概念来源于航空领域。系留气球为一种轻于空气的航空器，主要用于大气探测，必须使用缆绳与地面设施相连，使其依靠浮力悬停在空中。受到系留航空器的启发，国内外已有人将充满氦气的气球结构，用于一些建筑结构中。例如法国人Olivier Grossetete设计了一座名为“猴桥”的吊桥，该桥由三个巨大的白色氦气球吊起，每个气球可提供120磅的升力，桥面类似吊索桥，由若干木板连成。又例如1993年在斯图加特举办的国际园艺博览会上，设计师采用另一个外径30m的半透明氦气环和一个24个圆锥状氦气囊共同组成了太阳能飞艇的机库屋盖。

在此基础上，本实用新型提出将系留结构概念应用于大跨度空间结构领域，形成一种全新的空间结构形式——系留空间结构体系，即在封闭气囊内部充满密度低于空气的轻型气体，依靠轻型气体产生的浮力抵消结构自重，使主体结构在零弯矩或轻微反向弯矩下工作，从而实现超大跨度结构和超大密闭空间结构的建设。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种系留空间结构体系，要解决传统的系留空间结构受力不合理，不能够满足超大跨度结构和超大密闭空间结构应用的技术问题。

为实现上述技术目的，本实用新型采用如下技术方案。

一种系留空间结构体系，包括有形成屋盖的充气气囊、用于支撑充气气囊的支撑结构以及连接在支撑结构底部与地面之间的锚碇结构；所述充气气囊空腔内充有氦气，整体呈曲面形状，由充气气囊单元依次拼接而成；所述充气气囊单元为双层膜结构，包括外膜持力层和内膜阻气层；相邻两个充气气囊单元之间通过外膜连接；所述充气气囊单元的外部设有环形加劲带和用于吊装的吊挂带；所述支撑结构包括有沿充气气囊边缘平行间隔布置的竖向支撑和连接在相邻竖向支撑顶部之间的连系梁；所述充气气囊连接在支撑结构的顶部；所述锚碇结构为重力式锚碇。

优选的，所述系留空间结构体系的平面布置呈矩形或者呈圆形或者呈椭圆形。

优选的，所述系留空间结构体系的平面布置呈矩形时，充气气囊由圆柱形的充气气囊单元拼接而成；所述系留空间结构体系的平面布置呈圆形或者椭圆形时，充气气囊由球形的充气气囊单元拼接而成。

优选的，所述充气气囊单元的外膜之间通过粘接在外膜上的第一连接膜热合连接或者通过粘接连接或者通过缝纫连接。

优选的，所述环形加劲带包括平行于纵切面、平行间隔布置的的纵向环形加劲肋，平行于水平横切面、布置在充气气囊单元中部的横向水平环形加劲肋以及平行于竖向横切面、布置在充气气囊单元中部的横向竖直环形加劲肋；所述吊挂带连接在环形加劲带的下方。

优选的，圆柱形的充气气囊单元外部设有的纵向环形加劲肋有一组，沿充气气囊单元的长轴方向平行间隔布置。

优选的，所述充气气囊位于支撑结构顶部上方；充气气囊与支撑结构之间通过位于竖向支撑方的吊挂带连接，吊挂带的一端连接在环形加劲带底端，另一端连接在竖向支撑的顶部。

优选的，所述充气气囊位于支撑结构的顶部之间；充气气囊与支撑结构之间通过第二连接膜、竖向连接杆件以及连接在第二连接膜与竖向连接杆件之间的绑带连接；所述第二连接膜连接在充气气囊端部外膜上、靠近竖向支撑一侧，第二连接膜上竖向间隔开有孔洞；所述竖向连接杆件连接在竖向支撑上、位于充气气囊的一侧。

优选的，所述竖向支撑外侧设有斜拉索，斜拉索的一端连接在竖向支撑的上部，斜拉索的另一端通过锚固件与地面连接。

优选的，相邻两根竖向支撑支撑之间还设有剪刀撑。

与现有技术相比本实用新型具有以下特点和有益效果。

1、本实用新型为一种新型建筑结构体系，这种结构体系以填充氦气的气囊作为屋面围护材料，通过囊内气体提供的浮力抵抗屋面材料自重，同时通过控制气囊内部气压，使其具备一定的刚度，从而抵抗外部风雨荷载。

2、本实用新型中充气气囊单元由双层膜结构组成，其中内膜为阻气层，防止了气体的泄漏和渗透，外膜为持力层，承担由气囊内部的压力及外力所产生的气囊壁内拉应力；这种设计既满足了结构的气密性要求，又满足了结构的受力性能要求。

3、本实用新型气囊薄膜材料强度高，质量轻，且利用氦气作为充气气体，具有良好的自洁性和耐候性，容易加工成各种曲面形状，进一步减轻了结构自重，适合建造超大跨度的建筑结构。

4、本实用新型中这种系留空间结构体系呈曲面形状，受力合理、结构自重轻、施工方便，适用于轻型机库、大跨度公共建筑、有密封要求的大跨度工工业建筑、仓储及临时建筑。

5、本实用新型的系留空间结构体系为柔性体系，抗震性能好；且各个构件之间的连接简单具有便于拆装移动和运输、施工速度快、可重复应用和经济性好的优点。

6、本实用新型的充气气囊空腔内充的气体可以为氮气，具有环保性能好，能源消耗少，且氦气不会污染大气，同时可以回收再利用，是一种可以循环利用的资源。

7、本实用新型容易形成密闭空间，尤其适合于某些要求密封的工作环境；而且本实用新型应用领域广泛，既可用来建设临时性建筑，也可建设永久性建筑。

8、本实用新型中的锚碇系统承担将系留屋盖结构锚固于地面的作用，有效的防止了形成屋盖的充气气囊升空。

附图说明

图1为本实用新型的平面布置呈矩形时的立体结构示意图。

图2为本实用新型的平面布置呈圆形时的侧面结构示意图。

图3为本实用新型中充气气囊单元示意图。

图4为本实用新型中相邻的充气气囊单元之间通过第一连接膜热合连接结构示意图。

图5为本实用新型中吊挂带与环形加劲带连接结构示意图。

图6为本实用新型中充气气囊与支撑结构连接的正面示意图。

图7为本实用新型中充气气囊与支撑结构连接的平面示意图。

附图标记：1―充气气囊单元、2―竖向支撑、3―锚碇结构、4―连系梁、5―斜拉索、6―锚固件、7―剪刀撑、8―吊挂带、9―环形加劲带、91―纵向环形加劲肋、92―横向水平环形加劲肋、93―横向竖直环形加劲肋、10―第一连接膜、11―竖向连接杆件、12―绑带、13―第二连接膜。

具体实施方式

本实用新型提供一类新型空间结构体系，这种系留空间结构体系采用充满氦气的充气气囊作为屋面受力及围护结构，利用充气气囊内的气体提供的浮力抵抗屋面材料自重，同时通过计算分析，合理控制充气气囊单元1内部气压，使充气气囊单元1具备一定的刚度，从而抵抗外部风雨荷载。充气气囊单元1由内膜和外膜组成，其中内膜为阻气层，其作用是防止气体的泄漏和渗透，外膜为持力层，主要作用是承担由充气气囊单元1内部的压力及外力所产生的充气气囊单元1壁内拉应力。

如图1-7所示，这种系留空间结构体系，包括有形成屋盖的充气气囊、用于支撑充气气囊的支撑结构以及连接在支撑结构底部与地面之间的锚碇结构3；所述充气气囊空腔内充有氦气，整体呈曲面形状，由充气气囊单元1依次拼接而成；所述充气气囊单元1为双层膜结构，包括外膜持力层和内膜阻气层；相邻两个充气气囊单元1之间通过外膜连接；所述充气气囊单元1的外部设有环形加劲带9和用于吊装的吊挂带8；所述支撑结构包括有沿充气气囊边缘平行间隔布置的竖向支撑2和连接在相邻竖向支撑2顶部之间的连系梁4；所述充气气囊连接在支撑结构的顶部；所述锚碇结构3为重力式锚碇。

本实施例中，所述系留空间结构体系的平面布置呈矩形或者呈圆形或者呈椭圆形。

本实施例中，所述系留空间结构体系的平面布置呈矩形时，充气气囊由圆柱形的充气气囊单元1拼接而成；所述系留空间结构体系的平面布置呈圆形或者椭圆形时，充气气囊由球形的充气气囊单元1拼接而成。

本实施例中，所述充气气囊单元1的外膜之间通过粘接在外膜上的第一连接膜10热合连接或者通过粘接连接或者通过缝纫连接。

本实施例中，所述环形加劲带9包括沿着竖切面的外边缘、环箍在充气气囊单元1外侧的竖向环形加劲带91，沿着水平切面外边缘、环箍在充气气囊单元1外侧中部的水平环形加劲带92以及沿着纵切面的外边缘、环箍在充气气囊单元1外侧中部的纵向环形加劲带93；所述吊挂带8连接在环形加劲带9的下方。

本实施例中，圆柱形的充气气囊单元1外部设有的纵向环形加劲肋91有一组，沿充气气囊单元1的长轴方向平行间隔布置。

本实施例中，所述充气气囊位于支撑结构顶部上方；充气气囊与支撑结构之间通过位于竖向支撑2上方的吊挂带8连接，吊挂带8的一端连接在环形加劲带9底端，另一端连接在竖向支撑2的顶部。

本实施例中，所述充气气囊位于支撑结构的顶部之间；充气气囊与支撑结构之间通过第二连接膜13、竖向连接杆件11以及连接在第二连接膜13与竖向连接杆件11之间的绑带12连接；所述第二连接膜13连接在充气气囊端部外膜上、靠近竖向支撑2一侧，第二连接膜13上竖向间隔开有孔洞；所述竖向连接杆件11连接在竖向支撑2上、位于充气气囊的一侧。

本实施例中，所述竖向支撑2外侧设有斜拉索5，斜拉索5的一端连接在竖向支撑2的上部，斜拉索5的另一端通过锚固件6与地面连接。

本实施例中，相邻两根竖向支撑2支撑之间还设有剪刀撑7。

在整个结构体系中，气体产生的浮力和外部荷载作用首先通过充气气囊传至周围支撑结构，再通过支撑结构中的竖向支撑传至锚碇结构也可以通过斜拉索传至锚固件6。合理的连接方式是实现系留空间结构体系的必要条件，包括单制作过程中各部件的连接方式、充气气囊单元1与充气气囊单元1之间的连接方式，充气气囊与支承结构之间的连接方式等。无论是焊接连接方式还是热合或绑带连接方式，均需通过合理的参数设计和工艺试验确保达到等强连接的效果。