一种可实现双向联动折叠的平面开合屋盖结构的制作方法

本发明涉及一种开合屋盖结构，特别是涉及一种可实现双向联动折叠的平面开合屋盖结构，属于有可移动部件的屋顶技术领域。

背景技术

随着国内基础建设技术的不断提高，兴起了以可开合屋盖结构为核心的大跨建筑趋势。这种结合了机械和建筑两门传统学科的新型技术大大地丰富了建筑物的功能，极大地提高了空间利用率。另外，以折叠的形式作为屋顶骨架来达到开合功能，在空间利用率和最大开合度方面都具有很好的特性，并且将膜结构与此结合，将大大提高其工程经济价值，但是目前，折叠形式的可展结构在实际应用中大多是单方向的，因此不可避免的会带有以下缺点：(1)由于只能实现单方向的折叠，屋盖可开合的面积受到天然的限制，可开合率较低；(2)整体结构在某一个方向可实现折叠活动，而在另一方向则不行，导致结构在平面上会出现受力的不规则；(3)仅单方向折叠的屋盖结构会带来平面结构件布置的不规则性，影响整体结构的承载效率。

技术实现要素：

针对上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种可实现双向联动折叠的平面开合屋盖结构，解决单向可展结构开合方向单一、开合率、承载效率较低等缺陷。使结构能够实现在两个方向进行展开与闭合，满足建筑最基本的安全性和功能性要求，提升开合屋盖结构的开合率，赋予建筑更大的功能性，提高美观度。

本发明技术方案如下：一种可实现双向联动折叠的平面开合屋盖结构，包括若干四角锥单元，所述四角锥单元包括五个节点构件、四根第一伸缩杆和四根长度相同的刚性杆，所述五个节点构件分别位于所述四角锥单元的四个底角和一个顶角，所述四根第一伸缩杆与四个底角的节点构件固定连接构成矩形底面，所述刚性杆的两端分别与位于顶角和位于底角的节点构件铰接，所述四根刚性杆构成所述四角锥单元的四条棱，所述四角锥单元之间固定连接，所述四角锥单元的底面呈矩阵式布置且处于同一平面，所述四角锥单元的位于顶角的节点构件间固定连接有第二伸缩杆。

进一步的，所述节点构件包括连接头和两个折角连接片，所述第一伸缩杆以及第二伸缩杆与连接头固定连接，所述两个折角连接片对称布置并与所述连接头铰接构成第一转动副，所述刚性杆与所述折角连接片铰接构成第二转动副，所述第一转动副的转动平面与第二转动副的转动平面正交。

进一步的，所述第一转动副的转轴与第二转动副的转动平面距离大于零，所述刚性杆头端设有折角连接头，所述折角连接头与所述折角连接片铰接构成第二转动副，所述第二转动副的转轴与刚性杆的轴线不相交。

进一步的，五个所述节点构件的第一转动副的转轴相互平行设置。

进一步的，相邻的所述四角锥单元共用一根第一伸缩杆以及两个节点构件，所述可实现双向联动折叠的平面开合屋盖结构满足α+β＝π，θa+θc＝θb+θd＝2π，所述θa与θc为相邻的所述四角锥单元上的与共用的节点构件连接的两根刚性杆之间的夹角，所述θb与θd为位于顶角的节点构件连接的两根构成与相邻的四角锥单元相对的面的刚性杆之间的夹角，θa＝θ，所述α为刚性杆绕相邻的所述四角锥单元的共用的节点构件的转轴至刚性杆在位于顶角的节点构件的第二转动副的铰接轴的转角，所述β为刚性杆在位于顶角的节点构件的第二转动副的铰接轴至刚性杆绕相邻的所述四角锥单元的共用的节点构件的转轴的转角。

优选的，为了实现完全的展开与折叠，所述α＝π-arccos(1/3)。

优选的，所述第一伸缩杆和第二伸缩杆的极限长度相等。

优选的，所述第一伸缩杆和第二伸缩杆为多段卡索式伸缩杆。

本发明所提供的技术方案的优点在于：

1、由四角锥单元作为基础构成部件，通过刚性刚与节点构件的铰接，配合第一伸缩杆和第二伸缩杆的伸缩实现了整个结构在两个方向上的展开与闭合，较单一方向的开合屋盖提高了收缩率。

2、结构简单，构成组件种类少，因此整体机构便于运输，不同组件间连接结构简易，可通过焊接、螺栓连接等方式进行固定连接，采用销轴等方式进行铰接，在野外等作业环境差的条件下，易于安装。

3、第一伸缩杆、第二伸缩杆与节点构件的固定连接，保证了结构具有一定的承载力和稳定能力。在可展开与闭合的两个方向上结构件的设计和布置相同，结构整体规则性较高，受力较为均匀，结构的承载效率较高。

4、通过改变矩阵式布置的行列数量，可方便的变换屋盖结构的跨度范围。

附图说明

图1为实施例的可实现双向联动折叠的平面开合屋盖结构的展开结构示意图。

图2为实施例的可实现双向联动折叠的平面开合屋盖结构的闭合结构示意图。

图3为单个四角锥单元结构示意图。

图4为折叠过程中刚性杆位置关系示意图。

图5为节点构件结构示意图。

图6为折角连接片与折角连接头结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围内。

请结合图1及图2所示，本实施例所涉及的可实现双向联动折叠的平面开合屋盖结构包括若干个可折叠的四角锥单元1，不同的四角锥单元1相互连接并形成矩阵式布置，通过每个四角锥单元1的展开与收缩实现了整体屋盖结构的展开与收缩。

具体的请结合图3所示，四角锥单元1包括五个节点构件2、四根第一伸缩杆3和四根长度相同的刚性杆4。五个节点构件2分别位于四角锥单元1的四个底角和一个顶角，四根第一伸缩杆3与四个底角的节点构件2固定连接构成矩形底面5。刚性杆4的两端分别与位于顶角和位于底角的节点构件2铰接。四根刚性杆4构成四角锥单元1的四条棱，由于四根刚性杆4的长度相同，所以位于四角锥单元1顶点的节点构件2在矩形底面5的投影为矩形底面5的中心位置。四角锥单元1之间固定连接，相邻的四角锥单元1共用一根第一伸缩杆3以及两个节点构件2。所有四角锥单元1的底面呈矩阵式布置且处于同一平面，四角锥单元1的位于顶角的节点构件2间固定连接有第二伸缩杆6。第一伸缩杆3和第二伸缩杆6为多段卡索式伸缩杆，且第一伸缩杆3和第二伸缩杆6的极限长度相等。

以任意两个相邻的四角锥单元为例，图4给出了两个相邻的四角锥单元的相对两个面上的四根刚性杆a、b、c、d，a、c为相邻的四角锥单元的两个共用的节点构件，b、d为相邻的四角锥单元的两个位于顶角的节点构件，za为刚性杆a、b绕节点构件a的转轴，zc为刚性杆c、d绕节点构件c的转轴，zb为刚性杆b、c与节点构件b的第二转动副的铰接轴，zd为刚性杆d、a与节点构件d的第二转动副的铰接轴，θa为刚性杆a、b夹角，θb为刚性杆b、c夹角，θc为刚性杆c、d夹角，θd为刚性杆d、a夹角，θab为za至zb夹角，αbc为zb至zc夹角，αcd为zc至zd夹角，αda为zd至za夹角。结构满足αab＝αcd＝α，αbc＝αda＝β，θa＝θ，θa+θc＝2π，θb+θd＝2π，以及α＝π-arccos(1/3)。

再请结合图5及图6所示，节点构件2包括连接头7和两个折角连接片8，第一伸缩杆3以及第二伸缩杆6与连接头7通过采用焊接、铆接或者螺栓螺母等方式固定连接，两个折角连接片8对称布置并与连接头7铰接构成第一转动副。刚性杆4头端设有折角连接头9，折角连接头9与折角连接片8铰接构成第二转动副。第一转动副的转动平面与第二转动副的转动平面正交，第一转动副的转轴a与第二转动副的转动平面距离大于零，第二转动副的转轴b与刚性杆4的轴线c不相交。如此设置使得相邻两根刚性杆4在收缩时能够达到相互平行的效果，实现最大收缩。单个四角锥单元l上的五个节点构件2的第一转动副的转轴a相互平行设置，由于相邻的四角锥单元1共用一根第一伸缩杆3以及两个节点构件2，所以整个可实现双向联动折叠的平面开合屋盖结构上所有的四角锥单元1的节点构件2的第一转动副的转轴a都是相互平行设置的。

应当指出的是，上述实施例为本发明的一个优选方案，相邻的四角锥单元1之间可设置一定的间隔，相应的通过增加第二伸缩杆长度6补偿四角锥单元1之间的间距即可。