用于立体空间的多层次钢结构体系的制作方法

本发明涉及土木工程钢结构的，尤其涉及一种用于立体空间的多层次钢结构体系。

背景技术：

1、钢结构在建筑行业的发展中，有着越来越重要的地位。因钢材本身具有强度高、韧性较强、抗腐蚀性能好等优势，使钢结构在建筑行业的应用越来越广泛。与混凝土结构相比，钢结构轻质高强，较小的构件尺寸能满足承载能力以及正常使用的要求；在地震作用下，质量小，吸收地震作用少，有利于结构安全；而且钢结构低碳环保，并能工业化生产，后经质量检验后运输到建筑施工现场组装，方便快捷，能够明显提高施工速度和效率，降低工程现场工作量。

2、钢结构除满足结构、围护等功能外，还可以实现丰富的建筑造型。近年来，人们对建筑结构的观赏性和功能性提出了更严格的要求，而钢结构能够使建筑在满足结构强度的前提下，实现建筑外形多样化，因此，钢结构在众多建筑结构中脱颖而出，成为高端建筑物的主流选择。

3、但目前的建筑方案初期，大多是建筑师结合项目所处的文化背景和自身的主观创意完成的艺术性创作，在力学层面上缺乏充分的考虑，难以实现力与美的完美融合。因此在配合过程中，往往出现因结构难以实现等原因，建筑会丧失一些通透性与空间层次性，降低观赏性和功能性，特别的，对于需要承受较大荷载的上人屋盖结构，往往需要采用较大的构件尺寸；或因为建筑的原因，结构会降低一定的安全冗余度，或形成复杂的结构体系、结构构件以及结构节点，增添施工的难度，特别的，对于大跨屋盖结构，往往由于跨度较大，难以承受较大的荷载。因此，力求轻盈美观、空间层次分明的造型，合理安全的受力，完备准确的各类作用分析，以及高效的多专业一体化设计，是该类结构成功实施的关键。因此，需提出一种造型轻盈美观、空间层次分明，受力合理安全的钢结构体系。

4、为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种用于立体空间的多层次钢结构体系，以克服上述缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于立体空间的多层次钢结构体系，其能有效克服现有技术的缺陷，提供一种造型轻盈美观、空间层次分明，受力合理安全的钢结构体系，其施工效率高，稳定性佳，极具创新性。

2、为实现上述目的，本发明公开了一种用于立体空间的多层次钢结构体系，包括中心树状柱、外框柱和空间桁架层，所述中心树状柱位于整个结构体系的中心部位，所述外框柱位于整个结构体系的外侧，所述中心树状柱与外框柱之间通过空间桁架层进行连接，其特征在于：

3、所述中心树状柱内部中空，外侧由双层的树状圆管束交叉螺旋形成，树状圆管束由多根圆管组成，圆管按一定间距排列成环，内外双层圆管不接触，仅在最顶端汇交于对应节点，中心树状柱从下往上交叉节点分别采用连接键或环箍连接，上下相邻交叉节点不同时采用连接键但能同时采用环箍，最顶端的交叉节点采用环箍连接；

4、所述外框柱包含多根圆钢管，所述空间桁架层由上弦面、下弦面与腹杆组成，所述上弦面由上弦杆与面外支撑组成，所述上弦杆连接外框柱与中心树状柱，所述面外支撑与上弦杆相连，所述下弦面包含下弦双层圆钢管束，所述下弦双层圆钢管束由下弦外圆钢管束与下弦内圆钢管束交叉螺旋组成，两者的螺旋方向相反，所述下弦外圆钢管束与下弦内圆钢管束的交叉位置为下弦交叉节点，所述腹杆连接上弦杆与下弦面节点。

5、其中：所述连接键连接交叉节点处外圆管束内表面与内圆管束外表面，所述环箍围绕整个中心树状柱，连接同一高度的所有交叉节点且同时连接交叉节点处外圆管束内表面与内圆管束外表面。

6、其中：所述树状柱双层圆钢管束由树状柱外圆钢管束与树状柱内圆钢管束交叉螺旋组成，所述树状柱外圆钢管束由多根外层圆钢管围绕成环形，各外层圆钢管均为螺旋上升，所围绕成的环形直径下小上大，螺旋角度10°～30°；树状柱内圆钢管束由多根内层圆钢管围绕成环形，其数量与外层圆钢管的数量对应相等，各内层圆钢管螺旋放射上升，所围绕成的环形下小上大，螺旋角度10°～30°，内层圆钢管与外层圆钢管螺旋方向相反，形成网状结构。

7、其中：下弦外圆管束与下弦内层圆管束不接触，各下弦交叉节点采用下弦连接键进行连接。

8、其中：所述外框柱的顶部设置圈梁或环桁架以增强其整体性，所述环桁架包含平面桁架或三角桁架。

9、其中：上下相邻的两个环箍之间设置树状柱连接键，形成两个交叉但不相交的更为稳定的树状柱环桁架，其中，上下相邻的环箍为两个树状柱环桁架共用的上下弦。

10、其中：由构成树状柱环桁架的其中一个环箍连接的单独的树状柱交叉节点由两根圆钢管相交而成，该两根圆钢管分别为树状柱外圆钢管束与树状柱内圆钢管束，该两根圆钢管交叉为三角形形状，该两根圆钢管的另一端分别与对应的构成树状柱环桁架的另一个环箍连接，对应的构成树状柱环桁架的另一个环箍连接的单独的树状柱交叉节点由上述两根圆钢管之一以及另一根圆钢管组成，从而所有共用节点的圆钢共同组成腹杆。

11、其中：上弦杆包含多根连接中心树状柱与外框柱的直杆，部分上弦杆的一端连接外框柱，另一端连接中心树状柱的树状柱顶端交叉节点，另外的上弦杆的一端连接相邻外框柱之间的平面桁架，另一端连接中心树状柱的树状柱顶端交叉节点，述上弦杆呈放射性分布。

12、其中：所述外框柱采用两段式斜柱形式，从下往上第一段斜柱倾斜角度向外扩张，第二段向内收缩，转折点处设置外框柱圈梁，外框柱圈梁与上弦面以及下弦面相交。

13、通过上述内容可知，本发明的用于立体空间的多层次钢结构体系具有如下效果：

14、1、造型轻盈美观、空间层次分明，受力合理安全，通过空间桁架层连接中心树状柱与外框柱，实现了符合建筑造型立意、具有明显的空间层次性的大跨钢结构。

15、2、中心树状柱内外双侧圆管螺旋不相交，两个环箍之间可形成一个环桁架或两个交叉但不相交的环桁架，其中，环箍为环桁架上下弦，三角形杆件为腹杆，当为两个环桁架时，环箍为共用上下弦；环桁架受力清晰，结构稳定，其中交叉但不相交的腹杆由连接键连接，增强其稳定性。

16、3、中心树状柱双层圆管束交叉螺旋不相交，前后错开，可增强其空间层次性，且可避免采用相贯节点的角度要求与焊接要求，也可避免采用球型节点的空间突兀感，使结构更显光滑不突兀，简约而不简单，增强其整体效果，节点构件可在工厂中直接加工，施工方便，提高施工效率。

17、4、空间桁架层以上弦面与下弦面的形式布置楼盖结构，其布置灵活、可依托于建筑造型立意，力学模型简单，双层杆件布置可承受较大荷载，且明显提高结构的稳定性，减少截面尺寸，具有空间层次性，增添“空间厚度”，使建筑造型立意更为明确。

18、5、上弦面和下弦面分别与中心树状柱连接的节点处由环箍连接，可增强其空间层次性，同时可避免采用相贯节点的角度与杆件数量要求以及焊接要求，也可避免采用球型节点的空间突兀感，使结构更显光滑不突兀，简约而不简单，增强其整体效果。

19、6、节点构件可在工厂中直接加工，施工方便，提高施工效率，中心树状柱与空间桁架层可形成较为稳定的少约束结构体系，增添外框柱使其具有多重抗侧力构件，结构约束增多，增强其整体抗倾覆能力与稳定性，提高安全冗余度，优化中心树状柱与空间桁架层的传力路径与承受荷载，减小中心树状柱与空间桁架层的构件截面尺寸；增添外框柱也可增强外立面效果，为幕墙等构件的安装提供安装点。

20、本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。