一种曲面壳体结构的制造方法、曲面壳体结构及建筑物与流程

本发明涉及轻型结构建筑领域，特别是涉及一种曲面壳体结构的制造方法、曲面壳体结构及建筑物。

背景技术：

壳体结构是一种曲面空间结构，长期以来广泛应用于各种结构中，如压力容器、舰船、油罐、屋盖等。在建筑结构中，主要分为网壳和薄壳两种，其中钢结构和铝结构的网壳应用较多，而钢结构和铝结构薄壳应用则很少。

薄壳结构是一种曲面的薄壁结构，主要承受垂直于其中面的荷载，并主要以中面面内的内力而不是弯矩来抵抗外荷载，因而该结构具有重量轻、强度高、结构合理等特点。建筑中大都采用钢筋混凝土材料，而钢筋混凝土结构需要搭建模板，搭设钢筋笼，浇筑混凝土，养护等工序，导致其建造成本高、周期长，而且钢筋混凝土结构还存在自重大、易开裂、补强修复困难的缺点。由于钢板很难进行曲面加工塑形，所以钢结构薄壳很少应用，导致薄壳结构的应用非常受限。

网壳结构是一种空间杆系结构，系以杆件为基础，按一定规律组成网格，按壳体结构布置的空间结构，通常主要以杆件的轴力方式传力，网壳结构兼具杆系结构和壳体结构的特点，可以实现各种形态。实际工程大多采用钢材，部分工程会采用铝合金材料。由于是空间杆系结构，其节点连接方式是必须考虑的问题，大部分节点有8～12根杆件汇交，节点复杂。合理的曲面可以使网壳结构力流均匀，结构具有较大的刚度，结构变形小，稳定性高，节省材料。其缺点是：节点多且复杂，围护结构板与主体结构需要通过龙骨连接，施工工序多，因此施工周期较长。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种曲面壳体结构的制造方法，以解决上述现有技术存在的问题，使曲面壳体结构的成型更加简便，工序更少，节省施工时间，并且能够适应各种形状的壳体结构，应用范围更广。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种曲面壳体结构的制造方法，包括以下步骤：

1)生成所述曲面壳体结构的三维模型，并将所述曲面壳体结构划分成由若干三角形板组成的内层网格板与外层网格板，且所述内层网格板与所述外层网格板中的三角形板分布相同；

2)在所述内层网格板中，沿曲面跨度方向，选取若干个内层带状折板，所述内层带状折板由若干相邻三角形板组成；

3)在所述外层网格板中，沿与所述曲面跨度交叉的方向，选取若干个外层带状折板，所述外层带状折板由若干个相邻三角形板组成；

4)预制所述内层带状折板与所述外层带状折板；

5)将所述外层带状折板固定在所述内层带状折板的外表面，得到所述曲面壳体结构。

优选的，步骤2)中，在垂直于所述曲面跨度的方向上相邻所述内层带状折板错缝设置，并对所述内层带状折板进行编号；

步骤3)中，在垂直于与所述曲面跨度交叉的方向上，相邻所述外层带状折板错缝设置，并对所述外层带状折板编号。

优选的，步骤2)中，在相邻所述内层带状折板的连接处生成折边肋，并将所述折边肋限定在相邻的两块所述内层带状折板当中任意一块上；同时，生成用于连接相邻相对折边肋的连接板和用于连接相对所述折边肋的不锈钢棒；优选的，所述不锈钢棒的两端分别固定在相对设置的所述连接板上。

优选的，步骤4)中，预制所述内层带状折板时加工出所述折边肋。

优选的，步骤5)中，根据编号将所述内层带状折板安装在一基座上，采用所述连接板将相邻所述折边肋进行连接，将所述不锈钢棒的两端固定在相对设置的所述连接板上；当所述内层带状折板安装完成的区域能够容纳整块的所述外层带状折板时，根据编号将所述外层带状折板固定在所述内层带状折板的外表面，直至完成所述曲面壳体结构。

优选的，步骤3)中，选取的所述外层带状折板的方向与所述曲面跨度方向的夹角最大。

优选的，所述外层带状折板与所述内层带状折板的材料为铝合金板，且二者通过铆钉进行固定。

优选的，步骤2)、步骤3)中，组成所述内层带状折板或所述外层带状折板的三角形板的数量均为4～10。

本发明还提供一种曲面壳体结构，所述曲面壳体结构由上述制造方法制成，所述曲面壳体结构包括由若干外层带状折板组成的外层板与由若干内层带状折板组成的内层板，所述外层带状折板固定在所述内层带状折板外表面，且所述内层带状折板与所述外层带状折板交叉设置；相邻所述内层带状折板与相邻所述外层带状折板均错缝设置；

相邻所述内层带状折板之间存在折边肋，所述折边肋位于相邻所述内层带状折板的任意一个所述内层带状折板上；相邻的所述折边肋通过连接板固定连接，相对的所述折边肋通过不锈钢棒连接。

本发明还提供一种建筑物，所述建筑物包括上述曲面壳体结构。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、本发明将曲面壳体结构分为由若干三角形板组成的内层网格板与外层网格板，由于任意曲面均可进行三角剖分，所以任意曲面均可近似得到本发明中由三角形板组成的内层网格板与外层网格板，所以本发明适用范围更广。

2、本发明将曲面壳体结构分为两层网格板，一方面，相对于单层网格板，双层网格板的强度更高，另一方面，内层带状折板与外层带状折板成一定角度，使得若干相邻内层带状折板通过外层带状折板连接成一整体，省去了相邻内层带状折板彼此连接的工序，使施工工序更加简便，取代了现有技术中混凝土浇筑曲面结构的方法，能够明显缩短施工工期，降低施工成本。

3、错缝设置的相邻内层带状折板与相邻外层带，能够提高内层网格板与外层网格板的整体性、稳定性和承载能力；并且内层带状折板带有折边肋，且相邻折边肋通过连接板连接，相对折边肋通过不锈钢棒进行连接，通过设置连接板和不锈钢棒，能够进一步提高内层网格板的承载能力。

4、本发明采用高强度铝合金材料，实现轻质高强的结构，能够降低基础造价。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种曲面壳体结构的三维模型；

图2为将图1划分为网格板后的示意图；

图3为内层带状折板与外层带状折板的结构装配示意图；

其中，1、内层带状折板；2、外层带状折板；3、折边肋；4、连接板；5、不锈钢棒；6、铆钉。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种一种曲面壳体结构的制造方法，以解决上述现有技术存在的问题，使曲面壳体结构的成型更加简便，工序更少，节省施工时间，并且能够适应各种形状的壳体结构，应用范围更广。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-3所示，本实施例提供一种曲面壳体结构的制造方法，包括以下步骤：

1)在软件中生成曲面壳体结构的三维模型，并将曲面壳体结构划分成由若干三角形板组成的内层网格板与外层网格板，且内层网格板与外层网格板中的三角形板分布相同；此处“分布相同”指的是内层网格板与外层网格板中对应位置的三角形板的形状、排列方式相同，而内层网格板和外层网格板中三角形板的厚度可以不同；且不同形状大小的曲面壳体结构，组成网格板的三角形板的大小形状也不相同，例如，当曲面壳体结构的弧度较小时，三角形板的形状可以大一些，当曲面壳体结构弧度较大时，为了逼近其曲面结构，三角形板必然要小一些；

2)在内层网格板中，沿曲面跨度方向，选取若干个内层带状折板1，内层带状折板1由若干相邻三角形板组成；

3)在外层网格板中，沿与曲面跨度交叉的方向，选取若干个外层带状折板2，外层带状折板2由若干个相邻三角形板组成；

4)预制内层带状折板1与外层带状折板2；

5)将外层带状折板2固定在内层带状折板1的外表面，得到曲面壳体结构。

本发明将曲面壳体结构分为由若干三角形板组成的内层网格板与外层网格板，由于任意曲面均可进行三角剖分，所以任意曲面均可近似得到本发明中由三角形板组成的内层网格板与外层网格板，适用范围更广；并且本发明将曲面壳体结构分为两层网格板，一方面，相对于单层网格板，双层网格板的强度更高，另一方面，内层带状折板1与外层带状折板2成一定角度，使得若干相邻内层带状折板1通过外层带状折板2相连，省去了单层网格板时需要连接相邻带状折板的工序，使施工工序更加简便，取代了现有技术中混凝土浇筑曲面结构的方法，能够明显缩短施工工期，降低施工成本。

需要说明的是，本实施例中提到的内层带状折板1或者外层带状折板2的选取方式针对的是规则曲面壳体结构或者单一曲面壳体结构，针对无规则的多曲面壳体结构，可以先将多曲面壳体结构划分为若干个单一曲面壳体结构，然后按照上述方法制备单一曲面壳体结构，最后将单一曲面壳体结构进行组装，得到无规则的多曲面壳体结构。

本发明中选取跨度方向为内层带状折板的选取方向，是为了保证曲面壳体结构的载荷性能更好，一个曲面壳体结构的形状如果规则的话，其跨度方向并不唯一。

本实施例中，选取的外层带状折板2的方向与曲面跨度方向的夹角最大，即外层带状折板2的排列方向与内层带状折板1的夹角最大；根据图2可以看出，一旦内层带状折板1的选取方向确定之后，在保证外层带状折板2能够固定在内层带状折板1的前提下，与此方向交叉的外层带状折板2的选择方式只有有限的两种，外层带状折板2的选取方向与内层带状折板1的选取方向夹角最大，近似正交，能够增强整体受力性能。

进一步的，步骤2)、步骤3)中，组成内层带状折板1或外层带状折板2的三角形板的数量均为4～10，具体数量可以根据实际情况而定。

进一步的，步骤2)中，在垂直于曲面跨度的方向上相邻内层带状折板1错缝设置，并对内层带状折板1进行编号；步骤3)中，在垂直于与曲面跨度交叉的方向上，相邻外层带状折板2错缝设置，并对外层带状折板2编号；错缝设置的相邻内层带状折板1与相邻外层带，能够提高内层网格板与外层网格板的整体性、稳定性和承载能力。

为了增强内层带状折板1的连接强度，步骤2)中，在相邻内层带状折板1的连接处生成折边肋3，并将折边肋3限定在相邻的两块内层带状折板1当中任意一块上；同时，生成用于连接相邻相对折边肋3的连接板4和用于连接相对折边肋3的不锈钢棒5，且不锈钢棒5的两端分别固定在相对设置的连接板4上；相邻折边肋3通过连接板4连接，相对折边肋3通过不锈钢棒5进行连接，能够进一步提高内层网格板的承载能力；并且本实施例将折边肋3限定到相邻内层带状折板1中的一块侧层带状折板上，一方面能够减少材料的使用，另一方面更方便固定折边肋3。此处需要说明的是，由于本发明中内层带状折板1是弯折的，从而内层带状折板1上的折边肋3也不是连续，为了将折边肋的组成一个整体，增强其载荷性能，需要利用连接板4将相邻折边肋3进行连接。

进一步的，本实施例中，外层带状折板2与内层带状折板1的材料为铝合金板，利用折弯机预制内层带状折板1，并同时加工出折边肋3；步骤5)中，根据编号将内层带状折板1安装在一基座上，采用连接板4将相邻折边肋3进行连接，将不锈钢棒5的两端固定在相对设置的连接板4上；当内层带状折板1安装完成的区域能够容纳整块的外层带状折板2时，根据编号将外层带状折板2通过铆钉固定在内层带状折板1的外表面，直至完成曲面壳体结构。因此，本实施例在安装过程中内层带状折板1、外层带状折板2的安装是同时进行的，防止内层带状折板1失稳。

本发明还提供一种曲面壳体结构，曲面壳体结构由上述制造方法制成，曲面壳体结构包括由若干外层带状折板2组成的外层板与由若干内层带状折板1组成的内层板，外层带状折板2固定在内层带状折板1外表面，且内层带状折板1与外层带状折板2交叉设置；相邻内层带状折板1与相邻外层带状折板2均错缝设置；

相邻内层带状折板1之间存在折边肋3，折边肋3位于相邻内层带状折板1的任意一个内层带状折板1上；相邻的折边肋3通过连接板4固定连接，相对的折边肋3通过不锈钢棒5连接。

本发明还提供一种建筑物，建筑物包括上述曲面壳体结构；此时曲面壳体解结构的相邻外层带状折板之间的接缝可以采用密封材料进行密封，使其具备遮风挡雨的功能，当然，外层带状折板2的外表面也可以铺设建筑外挂板来改变建筑物的外观，并且曲面壳体结构也可以作为建筑物的骨架，在曲面壳体结构的基础上形成其他结构。

根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。