一种稳定性的外伸型双层空间智能悬挑结构体系的制作方法

本发明属于建筑结构技术领域，具体涉及一种包括仿生结构的稳定性的外伸型双层空间智能悬挑结构体系。

背景技术：

悬挑结构在建筑中的应用非常广泛，常见的有挑檐、阳台、体育场看台顶棚、车站站台顶棚以及剧院的挑台等。随着技术的日新月异，在当代建筑中，悬挑的尺度越来越大，应用的方式越来越多，在建筑表现力的创造上也发挥着越来越重要的作用。

由于大空间结构设计问题的复杂性，在实际应用中往往因为荷载传递及结构受力的不合理，导致建筑结构稳定性及整体强度有所折减。内聚形的悬挑结构具有较高的结构稳定性，但其外形常规,结构单一，难以满足人们对结构艺术化的审美。在悬挑结构中，单层悬挑结构质轻且便于施工，但稳定性较差，杆件材料强度得不到充分发挥，而使用双层悬挑结构又会使建筑用材成倍增加，不仅造成浪费更增加了结构自重，因此悬挑结构形态构造单一，在造型和受力上未有所突破。传统的悬挑结构，由于承受非常大的竖向力作用，使得在悬挑根部会产生很大的弯矩，其跨度因此受到限制，否则难以满足刚度和稳定性的要求。

对于建筑结构来说，跨度越大，则其自重就越大且其水平构件的弯矩将按跨度比的平方增长，这是极其不利的，钢结构强度高而质量轻且结构形式灵活，用于大跨度结构具有较大的优势，因此在建筑结构中应用广泛，例如体育馆、候车室、飞机库、航站楼等大跨度结构都用到了钢结构。但是当建筑结构追求减轻结构自重，以降低大跨度下自重所引起的荷载效应时，结构构件截面变得相对薄弱，尤其钢结构中大量使用工字形截面，箱型截面，空心钢管，导致结构的稳定性大大降低。因此，结构在承受动荷载时，尤其时风荷载和地震荷载时表现的不太理想。

仿生建筑结构可归纳为两种类型：一类是“技术推进型”，即从研究生物出发，系统研究一种或多种生物的结构特征，然后将有价值的生物结构形式应用到建筑结构上去；另一类为“需求推进型”，即在建筑结构构件设计中碰到难题后，转向生物界寻找灵感和启发，在对生物各类结构形式的甄别、分析和组合后加以模仿，从而设计出最优的建筑结构方案。本发明的外伸型双层空间智能悬挑结构基于第一类基本思路，重点研究蜻蜓翅膀的结构特征，然后在此基础上进行空间悬挑结构的仿生设计。

研究表明蜻蜓翅膀的主脉在蜻蜓翅膀中承担较大的轴力和弯矩而从脉几乎不承担或承担很小的轴力和弯矩，但是从脉在结构的整体刚度和稳定性方面起着重要作用。同时从脉将蜻蜓翅膀划分为一个个小的网格，避免了一小块翅膜的破损诱发的整个翅膜的撕裂。蜻蜒翅膀可视为一由翅脉和翅膜组成的空间悬臂结构，纵横交叉的的翅脉组成的空间网格结构使蜻蜓翅膀显得既轻又强。蜻蜓翅膀的前缘远离躯体的一端，有一片角质加厚区--翅痣。翅痣的横向截面是一个空腔，里面充有少量液体。这个小小的结构极具意义，能消除飞行过程中的颤振。本发明通过对翅痣的优化设计，采用了减震平衡块系统，在蜻蜓翅痣的基础上，加入了传感器测量系统以及计算机分析系统，并且采用了可移动的平衡块，使平衡块能对仿蜻蜓翅膀的仿生外伸型双层空间智能悬挑结构所承受的荷载有更优异的抵消作用。

技术实现要素：

本发明目的在于针对现有技术的缺陷提供一种大跨度、受力合理、外形独特的包括仿生结构的高稳定性外伸型双层空间智能悬挑结构体系。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种稳定性的外伸型双层空间智能悬挑结构体系，包括格构柱、空间悬挑结构、环梁和屋盖，所述格构柱为截面菱形的格构柱，其相对的两个棱边向上平缓延伸并向外伸展为上下双层空间悬挑结构的主脉，双层空间悬挑结构中上层空间结构主脉端部设置有可移动、限位和锁定的平衡块，主脉、与主脉端部连接的边缘钢管及主脉和边缘钢管之间的连接结构形成仿蜻蜓翅膀的仿生空间悬挑结构，上下双层空间悬挑结构向外厚度渐薄，通过自重及荷载产生的拉力达到平衡，形成悬挑；所述的环梁包括悬挑上环梁、悬挑下环梁和屋盖环梁，分别作为双层空间悬挑结构上层内边缘、双层空间悬挑结构下层内边缘及屋盖外边缘，双层空间悬挑结构与格构柱环向分布，屋盖设置于双层空间悬挑结构的内侧，格构柱通过环梁为双层空间悬挑结构和屋盖提供支撑。

进一步地，所述的格构柱设置于双层空间悬挑结构的基部，单个格构柱和其上部的双层空间悬挑结构形成一个双层空间悬挑单元，每个双层空间悬挑单元的双层空间悬挑结构上均设置有平衡块，8个双层空间悬挑单元通过环梁环向连接并均匀分布，环向连接的8个双层空间悬挑单元内上部通过环梁连接球面形屋盖，形成外伸型双层空间智能悬挑结构体系。

进一步地，所述的格构柱的横截面为相邻角角度分别为60°和120°的菱形，且格构柱内设置腹杆，缀材组成平面三角形。

进一步地，所述格构柱的两个钝角顶点上端与屋盖环梁连接，内侧锐角顶点上端与悬挑上环梁连接，外侧锐角顶点上端与悬挑下环梁连接。

进一步地，所述的双层空间悬挑结构包括空间双层结构和平衡块，空间双层结构是以钢管为基本杆系单元组成的上层空间结构和下层空间结构，上层空间结构和下层空间结构均为仿蜻蜓翅膀的仿生空间结构，空间双层结构翅尖部位装配有平衡块。

进一步地，所述的空间双层结构均以一根从格构柱锐角顶点上端向外延伸出的粗钢管作为主脉，主脉两边对称分布四对由钢管组成的三角形副脉，且从靠近根部的副脉起，其宽度及与主脉的间夹角逐渐减小，主脉与副脉间其余部分由六边形网格构成从脉，最外侧由一根边缘钢管将外侧六边形网格与副脉尖端平缓连接，形成一层宽度从根部逐渐减小的悬挑，上层空间结构和下层空间结构最前端相接，主脉和副脉形成连接结构，上层空间结构和下层空间结构的主脉间通过受拉杆和受压杆相连形成三角形单元构成平面桁架结构。

进一步地，所述的悬挑上环梁在悬挑下环梁的上部，屋盖环梁在悬挑上环梁和悬挑下环梁的内侧，三者不在同一个平面内，三层环梁之间成空间三角形排布，其纵向截面为三角形，且三层环梁之间通过腹杆连接。

进一步地，所述的屋盖采用索穹顶，将空间网壳结构的下弦、腹杆大幅度抽空或在单层网壳局部区域增加下弦杆和腹杆构成双层，从而形成有局部双层网壳结构形式，屋面荷载分配给与其连接的杆件，并沿杆件传递给最外缘屋盖环梁，通过屋盖环梁将荷载传递至格构柱，再传递给基础。

进一步地，所述的格构柱的高度与屋盖的跨度比例为1:3，双层空间悬挑长度与主体跨度之间的比例为0.618:1。

本发明跨度大，造型新颖，把受力合理性与美学完美的结合在了一起，解决了悬挑结构面临跨度小、刚度和稳定性低的问题。结构通过在双层空间悬挑部分设置平衡块，通过改变平衡块所处仿生智能空间悬挑结构的位置来消减荷载引起的结构内力，有效的降低了仿生智能空间悬挑结构中风荷载引起的仿生智能空间悬挑结构受到向上的浮托力而造成的结构损伤，平衡弯曲悬挑处所受部分弯矩和力，减小动荷载作用下引起结构振动而产生的放大效应，避免动荷载引起结构共振，同时提高结构自身的阻尼作用，更有利于下部格构柱的稳定性、整体结构的稳定性以及连接的可靠性。双层空间悬挑结构仅在主脉处进行三角桁架连接，避免结构承受过多风荷载，提高双层空间悬挑结构的侧向稳定性。相较于传统悬挑结构，本发明跨度大、结构安全性和稳定性高、耗材少、自重轻，实现了悬挑结构造型的突破。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为双层空间悬挑结构俯视结构示意图；

图3为双层空间悬挑结构侧视结构示意图；

图4为格构柱分布示意图；

图5为索穹顶示意图；

图6为平衡块本体正视结构示意图；

图7为平衡块本体轴测结构示意图；

图8为仿生智能空间悬挑结构一侧的传感器分布示意图；

图9为液压装置布置示意图。

具体实施方式

如图1所示一种稳定性的外伸型双层空间智能悬挑结构体系，包括8个菱形格构柱1、8个双层空间悬挑结构4、环梁2及索穹顶屋盖3。格构柱1分别设置于每个双层空间悬挑结构4的下部。

所述的格构柱1的横截面为相邻角角度分别为60°和120°的菱形，且格构柱1内设置腹杆，缀材组成平面三角形；对格构柱1横截面的四个顶点，两个钝角顶点上端与屋盖环梁23连接，内侧锐角顶点上端与悬挑上环梁21连接，外侧锐角顶点上端与悬挑下环梁22连接。

悬挑上环梁21、悬挑下环梁22和屋盖环梁23三者之间形成立体图形，其竖直截面为三角形，增强了整体的稳定性。以两个格构柱1为一个单元，索穹顶与格构柱1共有4个交点，这四个交点以固结，环向方向可活动、径向方向可活动、环向与径向方向均可活动的规律排列，以单元循环4次得到所有的连接方式。同一格构柱1上的两点靠近结构中心的为铰接，远离中心的为固结，以更好的适应变形和弯矩。

如图2、3所示的双层空间悬挑结构4是以钢管为基本杆系单元组成的上层空间结构41和下层空间结构42，上层空间结构41和下层空间结构42均为根据蜻蜓翅膀的生物性能抽象优化后的结构，在翅尖部分配有平衡块43，平衡块结构如图6、7所示，平衡块43包括测量采集部分和控制输出部分，可控制悬挑部位质量的分布，结构承受的荷载一旦发生变化，会引起结构构件的力学响应（应力，应变，位移）发生变化，进而自动将平衡块43移动至使结构内力最合理的位置，很好地提高结构整体刚度、增强结构稳定性，使悬挑结构4能适应一定的变形，减小了风荷载、支座不均匀沉降产生力学响应不同对建筑造成的影响，同时减小了温度应力的影响。外伸型悬挑上的平衡块4采用人工智能系统，能根据所受荷载、应力不同，调整平衡块位置，更好的适应各个方向的荷载。

具体的，空间双层结构均以一根从格构柱1锐角顶点上端向外延伸出的粗钢管作为主脉44，主脉44两边对称分布四对由钢管组成的三角形副脉45，且从靠近根部的副脉45起，其宽度及与主脉44的间夹角逐渐减小，主脉44与副脉45间其余部分由六边形网格构成从脉46，最外侧由一根边缘钢管47将外侧六边形网格与副脉45尖端平缓连接，形成一层宽度从根部逐渐减小的悬挑，上层空间结构41和下层空间结构42最前端相接，主脉44和副脉45形成连接结构，上层空间结构和下层空间结构的主脉间通过受拉杆和受压杆48相连形成三角形单元构成平面桁架结构。悬挑采用仿生结构，模仿蜻蜓翅膀的结构特性，经过力学性能及外观的优化，形成双层空间悬挑结构4，主脉44主要承担轴力和弯矩，而从脉46和副脉45几乎不承担或承担很小的轴力和弯矩，但是从脉46和副脉45在结构的整体刚度和稳定性方面起着重要作用，同时从脉46将蜻蜓翅膀划分为一个个小的网格，避免了一小块的破坏诱发的整个结构的坍塌，悬挑上下层主脉间受拉杆和受压杆48相连形成三角形单元构成平面桁架结构，且受压杆和受拉杆48随结构半径的增大而逐渐减小，在悬挑尖端位置腹杆长度为零，上下两层相接。

图4所示为格构柱1分布示意图，该菱形格构柱1的四个顶点中，不相邻的两个顶点分别连接双层空间悬挑结构4的上层空间结构41和下层空间结构42。悬挑与环梁2之间的连接方式为铰接、固结交替，使其有可控位移。当双层空间悬挑受到荷载时，首先由减震块产生力学响应抵消一部分荷载，力和弯矩沿主脉44传递，至环梁2与悬挑连接处时，一部分力由固结点传递给作为下部支撑的格构柱1，剩余部分的弯矩与力由铰接点传递，铰接点抵消弯矩的作用，并将剩余的力传递给下部格构柱1，最后格构柱1将力传递到基础与地基上。受力合理，传力清晰，实现结构耗能效果，使结构能充分抵抗各种荷载的作用。

图5所示的索穹顶结构，将双层空间悬挑结构4的下弦、腹杆大幅度抽空或在单层网壳局部区域增加下弦杆和腹杆构成双层，从而形成有特点的局部双层空间悬挑结构4形式，当受雪荷载和自重荷载时假设其力均匀地分布在索穹顶上，变形为压弯组合变形。力通过索穹顶的环梁23传递给下部格构柱1，进而传递给基础。

图6、7所示为平衡块结构，所述平衡块包括平衡块本体431、测量采集部分和控制动作部分。测量采集部分，即分布在仿生智能空间悬挑结构上的加速度、位移以及力的传感器构成的传感器系统，数据采集系统以及计算机分析系统。控制动作部分，即根据计算机分析得出的减震平衡块本体对结构的最有利位置移动平衡块本体到达指定位置的液压装置以及对平衡块本体的限位和锁定装置。所述的平衡块本体431布置在仿生智能空间悬挑结构上层主脉44端部区域，平衡块本体431初始位置如图8中s所示，平衡块本体431面积约占整个仿生智能空间悬挑结构面积的2%，平衡块本体431可在仿生智能空间悬挑结构主脉44端部三分之一长度范围内移动。如图8所示，加速度、位移以及力的传感器432布置在仿生智能空间悬挑结构中上层主脉44的各节点处以及各节点之间分跨中点处，同时布置在副脉45的端部和根部以及跨中三等分点处。各数据采集系统沿主脉44以及副脉45布置，液压装置布置在仿生智能空间悬挑结构的最外侧主脉44与副脉45相交的节点上，限位和锁定装置布置在平衡块本体431端部上。

进一步地：传感器432均采用电阻式传感器，包括电阻式加速度传感器、电阻式位移传感器以及电阻式力传感器，由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成，结构承受的荷载一旦发生变化，会引起结构构件的力学响应（应力，应变，位移）发生变化，在结构中引起惯性力，加速度传感器在随着结构一起发生这种响应时，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值；而力的传感器直接测量外荷载对其的作用力大小（尤其时风荷载引起的等效均布荷载）；位移传感器主要检测结构竖直方向以及整个结构环向的位移。

进一步地：数据采集系统是由传感器、放大电路、滤波器、多路模拟开关、采样/保持器、a/d转换器、计算机i/o接口以及定时与控制逻辑电路。采用有限元程序软件(ansys)对仿生智能空间悬挑结构进行模拟计算以及对平衡块本体最有利位置的确定时，采用三角形单元划分，主脉44部分以及各节点处采取单元加密划分，最后得出模拟结构的位移和应力（数据以及云图），通过比较平衡块本体在移动区段内不同位置，在荷载作用下结构的位移和应力，确定其中结构内力分布最合理的位置。

再进一步地：液压装置433由信号控制和液压动力两部分组成，信号控制部分用于驱动液压动力部分工作，信号控制部分含有电磁换向阀、减压阀、节流阀和液压辅助元件，其中减压阀、节流阀等用于液压回路中压力、流量的控制，电磁换向阀由计算机引脚输出电平控制电磁阀换向从而实现油路的换向，实现目标动作。液压动力部分含有液压泵、液压马达、液压缸。当数据采集系统及计算机分析系统监测到荷载的变化并分析出新的平衡块最优位置时，计算机系统发出信号到液压装置的信号控制系统，信号控制系统接收到信号后发出指令，控制工作油液的控制阀打开，液压马达运转，通过液压泵调节工作油液的油量，使平衡块在液压动力下移动到指定位置，纠正偏位，再通过限位及锁定装置对平衡块进行限位和锁定。

优选地：如图6、7、9所示，平衡块本体431为一内部为空腔的焊接钢箱，像套筒一样套在仿生智能空间悬挑结构的主脉44上的附加轨道435上，附加轨道435相当于平衡块本体工作的轨道，附加轨道布置在主脉端部三分之一长度范围内，平衡块本体431上设置有阀口55与液压装置433相连接，连接处有一阀门434，通过开启阀门434可以实现向平衡块本体431内注入和抽取液体，通过闭合阀门434可以实现利用液压使平衡块本体431移动。当风荷载等向上的荷载比较小，不需要平衡块本体431提供太多向下的反力时，即抽取掉平衡块本体431中的液体，并将平衡块本体431移动到仿生智能空间悬挑结构靠近最端部的主副脉节点处（即初始位置s），减少对仿生智能空间悬挑结构的竖向荷载。

优选的：限位装置装配在平衡块本体431的端部，与上层主脉44以及副脉45处于同一平面，时刻检测着平衡块本体431距仿生智能空间悬挑结构外端部以及端部主副脉节点处的距离，以反映平衡块本体431所处位置，到达指定位置即向锁定装置发出信号，实现对平衡块本体431的限位及锁定。其中锁定装置采用制动气缸装置，它由阀片51、硅悬臂梁52和弹簧53构成，弹簧53与平衡块本体内部连接并套设在硅悬臂梁52上，硅悬臂梁52设置在平衡块内部的孔洞处，可以自由伸缩，阀片51处于弹簧53下部并与硅悬臂梁52端部连接在一起，在弹簧53上部平衡块内部的孔洞洞口处设置压敏电阻54来监控弹簧53压力，阀片51与轨道之间为密闭空间，用于填充气压，当气缸装置由运动状态进入制动状态时，通过排气孔迅速排气，弹簧53的压缩迅速使硅悬臂梁52带到阀片51复位并压紧轨道，此时弹簧53下的阀片51抱紧主脉及其附加轨道使平衡块本体停止运动；当气缸运动时，在气孔输入气压，使阀片51带动硅悬臂梁52受压上移，则制动机构处于放松状态，平衡块本体431可自由运动。