具有徑向拉索的徑向開合膜屋蓋的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種開合屋蓋體系，尤其是一種具有徑向拉索的徑向開合膜屋蓋。
【背景技術(shù)】
[0002]在過去的幾十年中，各國學(xué)者們提出了許多大跨度開合屋蓋結(jié)構(gòu)體系的概念，其中一些已經(jīng)在網(wǎng)球場館、游泳場館和田徑場館等大型體育場館的開合屋蓋中得到應(yīng)用。
[0003]美國工程師霍伯曼(Hoberman)從上世紀(jì)80年代后期開始致力于開合結(jié)構(gòu)的研宄與設(shè)計，主要偏重于開合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。Hoberman在他的專利中提出了一種由Hoberman單元構(gòu)成的徑向伸縮網(wǎng)架。Hoberman單元是由相等的兩段彎折的角梁單元通過剪式鉸在中部連接而成，當(dāng)兩個角梁單元繞著中間的剪式鉸轉(zhuǎn)動的時候，梁端的夾角始終保持不變。利用這個性質(zhì)可以在環(huán)向復(fù)制多個折桿剪式單元，從而形成閉合環(huán)形連桿機構(gòu)。兩折桿網(wǎng)格可以沿徑向擴展為多折桿網(wǎng)，其運動特性將保持不變，就得到了霍伯曼徑向伸縮網(wǎng)架。
[0004]但是，由于該網(wǎng)架本身的幾何關(guān)系的約束，網(wǎng)架在環(huán)向是展開的，而在徑向是收縮的，這樣就對網(wǎng)架上部附著膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計構(gòu)成了一定的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決霍伯曼徑向伸縮網(wǎng)架上部膜結(jié)構(gòu)設(shè)計的困難，本發(fā)明提供了一種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)同步自由伸縮且不干涉的徑向開合膜屋蓋，該屋蓋不僅能實現(xiàn)徑向與環(huán)向的自由伸縮，滿足建筑對屋蓋開合的各項功能要求，還具有設(shè)計和施工方便等優(yōu)點，能較好地滿足中小跨度建筑對屋蓋開合功能的要求。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
一種具有徑向拉索的徑向開合膜屋蓋，包括霍伯曼徑向伸縮網(wǎng)架，該徑向伸縮網(wǎng)架在開合平面上形成相互連接的菱形單元，所述菱形單元包括兩個徑向銷接節(jié)點和兩個環(huán)向銷接節(jié)點，在所述霍伯曼徑向伸縮網(wǎng)架的開合平面上形成有延圓周方向布置的區(qū)域單元，該區(qū)域單元由以徑向伸縮網(wǎng)架圓心為起點的相鄰兩個中心菱形單元的中心線及在中心菱形單元徑向上延伸的菱形單元的中心線之間圍合而成，該區(qū)域包含該區(qū)域內(nèi)的每一個菱形單元在環(huán)向上的中心線分割成相互連接的子單元，其特征在于:在每個菱形單元上部設(shè)置一個開合膜單元，在所述每個子單元的下部分別設(shè)置有一個拉索單元，所述開合膜單元由中軸線上的第一豎桿、由豎桿下端拉出的兩根第一拉索、與附著在網(wǎng)架上部的膜材構(gòu)成，豎桿位于菱形單元的形心上，上端高出網(wǎng)架平面，以豎桿下端出發(fā)分別向菱形單元的兩個徑向節(jié)點張拉所述兩根拉索，所述膜材上端固定在所述豎桿的上端點處，膜材下部分別固定在菱形單元的四個節(jié)點上；所述拉索單元由第二豎桿和第二拉索組成，其中第二豎桿固定在每個子單元位于該區(qū)域單元中分線上的銷接點上，所述第二拉索以所述第二豎桿下端為出發(fā)點并向所述子單元剩余每個銷接節(jié)點張拉。
[0007]每個開合膜單元的兩根第一拉索長度相同。
[0008]當(dāng)屋蓋處于閉合狀態(tài)時，膜材處于張緊狀態(tài)，承受外界及結(jié)構(gòu)自身的荷載，此時膜材上端點距離網(wǎng)格距離最大，下部第二拉索張緊；當(dāng)屋蓋逐漸打開時，網(wǎng)架收縮折疊，環(huán)向節(jié)點向遠(yuǎn)離菱形網(wǎng)格形心的方向運動，豎桿上端點距離網(wǎng)架平面的距離也逐漸減小，豎桿整體向下運動，則下方第一拉索的交點也隨之下移，經(jīng)簡單計算第一拉索逐漸松弛，徑向節(jié)點向靠近形心的方向運動。
[0009]本發(fā)明的有益效果是，將剛性網(wǎng)架與柔性膜材相結(jié)合，使得屋蓋的自由開合沒有受到限制，且屋蓋可以作為上部承重結(jié)構(gòu)承擔(dān)一定的豎向荷載，并通過網(wǎng)架下部的第二拉索增強了結(jié)構(gòu)本身的剛度，而且其構(gòu)造合理、設(shè)計和施工簡單，特別適合中小跨度的建筑。
【附圖說明】
[0010]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明:
圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)整體示意圖。
[0011]圖2是整體網(wǎng)架中單個開合膜單元與下部索單元的示意圖。
[0012]圖3是圖2網(wǎng)架結(jié)構(gòu)運動過程示意圖。
[0013]圖4是本發(fā)明開合膜單元結(jié)構(gòu)側(cè)面示意圖。
[0014]圖5是本發(fā)明開合膜單元結(jié)構(gòu)俯視圖。
[0015]圖6是本發(fā)明開合膜單元運動狀態(tài)側(cè)面示意圖。
[0016]圖7是本發(fā)明開合膜單元運動狀態(tài)俯視圖。
[0017]圖8是梯形單元的拉索單元結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖9是外三角形單元的拉索單元結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]其中:1、開合膜單元，10、第一豎桿，11、12、第一拉索，2、霍伯曼徑向伸縮網(wǎng)架，3、菱形單元，4、拉索單元，40、第二豎桿，41、42、43、44、45、46、第二拉索，5、區(qū)域，6、梯形子單元，7、三角形子單元。
【具體實施方式】
[0020]下面參照說明書附圖，對本發(fā)明的【具體實施方式】作出更為詳細(xì)的說明:
如圖1所示，一種具有徑向拉索的徑向開合膜屋蓋，包括霍伯曼徑向伸縮網(wǎng)架2，霍伯曼徑向伸縮網(wǎng)架2包括菱形單元3，同時，該網(wǎng)架還可以劃分為以中心節(jié)點為圓心的近似扇形分布的區(qū)域5，這個區(qū)域5包含該區(qū)域內(nèi)的每一個菱形單元在環(huán)向上的中心線分割成相互連接的子單元。在菱形單元3上部附著有由若干個相似的開合膜單元構(gòu)成的開合膜單元1，在區(qū)域5的下部還設(shè)置了若干個相似的拉索單元4以保證整體結(jié)構(gòu)的剛度。
[0021]美國工程師Hoberman對傳統(tǒng)剪式單元進(jìn)行改進(jìn)，提出了折桿剪式單元，它是由相等的兩根彎折角梁單元通過銷接節(jié)點在中部連接，當(dāng)兩個角梁單元繞著中間的銷接節(jié)點轉(zhuǎn)動時，梁端部節(jié)點連線的夾角保持不變。由于該單元在運動過程中端部節(jié)點連線夾角保持不變的這一特性，將兩折桿網(wǎng)格可以沿徑向擴展為多折桿，并在環(huán)向復(fù)制多個折桿剪式單元，其運動特性將保持不變，這就形成了所述的霍博曼徑向伸縮網(wǎng)架(詳見US Patent 5，024，031，1991 年，徑向伸縮網(wǎng)架結(jié)構(gòu) Radial expans 1n/retract 1n truss structure[P].)o如圖1-3所示，本實施例中屋蓋網(wǎng)架每根多連桿為5折桿。
[0022]如圖2為本發(fā)明整體網(wǎng)架與單個開合膜單元、單個拉索單元的俯視圖。其中，菱形單元3由四個直桿尾連接形成兩個徑向銷接節(jié)點A和C和兩個環(huán)向銷接節(jié)點B和D。在每個菱形單元3上部設(shè)置一個開合膜單元1，開合膜單元由中軸線上的豎桿、由豎桿下端拉出的兩根拉索、與附著在網(wǎng)架上部的膜材構(gòu)成，豎桿位于菱形單元的形心上，上端高出網(wǎng)架平面，以豎桿下端出發(fā)分別向菱形單元的兩個徑向節(jié)點張拉兩根拉索。膜材上端固定在上部豎桿的上端點處，膜材下部分別固定在菱形單元的四個節(jié)點上。
[0023]開合膜單元I之間形狀相似，彼此之間組成構(gòu)件相同，開合膜單元之間膜材邊界處平滑過渡連接。
[0024]除此之外，還在伸縮網(wǎng)架的下部以中心節(jié)點為起點的相鄰兩個中心菱形單元的中心線及在中心菱形單元徑向上延伸的菱形單元的中心線之間圍合的區(qū)域5內(nèi)設(shè)置拉索單元，該區(qū)域由菱形單元在環(huán)向上的中心線分割成相互連接的子單元構(gòu)成，包括梯形子單元6(見圖8)和三角形子單元7 (見圖9)。以梯形子單元為例，拉索單元4中點K處下部設(shè)置一根豎桿，以豎桿的下端端點出發(fā)分別向區(qū)域的四個邊角點F、G、H、J張拉四根拉索，以維持屋蓋的剛度。開合膜單元I之間形狀相似，支撐桿交點到網(wǎng)架平面的距離相同，彼此之間組成構(gòu)件相同，開合膜單元之間平滑過渡連接。
[0025]對于三角形單元時(如圖9)，則在最外圈節(jié)點上設(shè)置豎桿，向其三角形單元其他兩個點張拉拉索。
[0026]圖3為霍伯曼網(wǎng)架部分開啟狀態(tài)示意圖，當(dāng)網(wǎng)架徑向開啟時，由四個桿件所構(gòu)成的菱形單元3發(fā)生剛體運動，其中節(jié)點B、D向遠(yuǎn)離菱形網(wǎng)格形心的方向運動，節(jié)點A、C向靠近形心的方向運動。
[0027]如圖4-5所示，開合膜單元構(gòu)成如下:第一豎桿10位于菱形單元3的形心上，上端高出網(wǎng)架平面，以豎桿下端O出發(fā)分別向菱形單元的兩個徑向節(jié)點(A、C)張拉兩根第一拉索(11、12)。膜材上端固定在上部豎桿的上端點E處，膜材下部分別固定在菱形單元的四個節(jié)點(A、B、C、D)上。
[0028]如圖8所示，梯形單元上的拉索單元4構(gòu)成如下:包括以節(jié)點K為支點的一根第二豎桿40，以及以第二豎桿40下端點L為出發(fā)點向其他四個單元節(jié)點F、G、H、J張拉的四根第二拉索(41、42、43、44)。
[0029]如圖9所示，三角形單元上的拉索單元4構(gòu)成如下:包括以最外側(cè)節(jié)點M為支點的第二豎桿40以及第二豎桿40下端點N向其余兩個節(jié)點H、L張拉的兩根第二拉索(45、46)。
[0030]如圖4-圖7，當(dāng)屋蓋處于閉合狀態(tài)時，膜材處于張緊狀態(tài)，承受外界及結(jié)構(gòu)自身的荷載，此時膜材上端頂點E距離網(wǎng)格距離最大，下部拉索張緊且位于網(wǎng)格平面內(nèi)；當(dāng)屋蓋逐漸打開時，網(wǎng)架收縮折疊，環(huán)向節(jié)點(B、D)向遠(yuǎn)離菱形網(wǎng)格形心的方向運動，豎桿上端點E距離網(wǎng)架平面的距離也逐漸減小，第一豎桿10整體向下運動，則下方拉索的交點O也隨之下移，經(jīng)簡單計算下部拉索逐漸松弛，徑向節(jié)點(A、C)向靠近形心的方向運動。
【主權(quán)項】
1.一種具有徑向拉索的徑向開合膜屋蓋，包括霍伯曼徑向伸縮網(wǎng)架，該徑向伸縮網(wǎng)架在開合平面上形成相互連接的菱形單元，所述菱形單元包括兩個徑向銷接節(jié)點和兩個環(huán)向銷接節(jié)點，在所述霍伯曼徑向伸縮網(wǎng)架的開合平面上形成有延圓周方向布置的區(qū)域單元，該區(qū)域單元由以徑向伸縮網(wǎng)架圓心為起點的相鄰兩個中心菱形單元的中心線及在中心菱形單元徑向上延伸的菱形單元的中心線之間圍合而成，該區(qū)域包含該區(qū)域內(nèi)的每一個菱形單元在環(huán)向上的中心線分割成相互連接的子單元，其特征在于:在每個菱形單元上部設(shè)置一個開合膜單元，在所述每個子單元的下部分別設(shè)置有一個拉索單元，所述開合膜單元由中軸線上的第一豎桿、由豎桿下端拉出的兩根第一拉索、與附著在網(wǎng)架上部的膜材構(gòu)成，豎桿位于菱形單元的形心上，上端高出網(wǎng)架平面，以豎桿下端出發(fā)分別向菱形單元的兩個徑向節(jié)點張拉所述兩根拉索，所述膜材上端固定在所述豎桿的上端點處，膜材下部分別固定在菱形單元的四個節(jié)點上；所述拉索單元由第二豎桿和第二拉索組成，其中第二豎桿固定在每個子單元位于該區(qū)域單元中分線上的銷接點上，所述第二拉索以所述第二豎桿下端為出發(fā)點并向所述子單元剩余每個銷接節(jié)點張拉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的徑向開合膜屋蓋，其特征在于:每個開合膜單元的兩根第一拉索長度相同。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有徑向拉索的徑向開合膜屋蓋，包括霍伯曼徑向伸縮網(wǎng)架，該徑向伸縮網(wǎng)架在開合平面上形成相互連接的菱形單元，在所述霍伯曼徑向伸縮網(wǎng)架的開合平面上形成有延圓周方向布置的區(qū)域單元，該區(qū)域包含該區(qū)域內(nèi)的每一個菱形單元在環(huán)向上的中心線分割成相互連接的子單元，在每個菱形單元上部設(shè)置一個開合膜單元，在所述每個子單元的下部分別設(shè)置有一個拉索單元。本發(fā)明將剛性網(wǎng)架與柔性膜材相結(jié)合，屋蓋可以作為上部承重結(jié)構(gòu)承擔(dān)一定的豎向荷載，并通過網(wǎng)架下部的拉索增強了結(jié)構(gòu)本身的剛度，施工簡單，特別適合中小跨度的建筑。
【IPC分類】E04B7-16, E04B7-14
【公開號】CN104878865
【申請?zhí)枴緾N201510334515
【發(fā)明人】蔡建國, 陸棟, 馮健, 朱奕峰
【申請人】東南大學(xué)
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年6月16日