專利名稱：基于折桿剪式單元的可動結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種可動結構，尤其是一種基于折桿剪式單元的可動結構。
背景技術：
自上世紀60年代西班牙建筑師PineiO首先成功地將可展結構的概念應用于“可移動劇院”的設計，可開啟式屋蓋在大跨度空間結構中的應用得以迅速增加。另一方面，隨著人們探索外太空步伐的加快，可展結構受到了廣泛的關注，相關研究成果已應用到空間的太陽能帆板、衛星天線中。而當前應用最為廣泛的主要是基于剪式單元(scissor like element)的可展結構。從幾何學角度來考慮，這類可展結構的基本原理是每對連桿通過一個柱鉸相連，每對連桿僅能繞垂直與該對連桿所在平面的軸線作相對轉動，而其它自由度完全受到了限制；同時剪式單元間的連接是通過單元端部節點鉸接實現。當連接兩根連桿的柱鉸位于桿件的中部時，形成的是平行剪式單元，如圖I所示； 當連接兩根連桿的柱鉸不是位于桿件的中部時，形成的是極線剪式單元，如圖2所示。這兩種剪式單元常被用于折疊網架或者折疊網殼中。美國工程師Hoberman對剪式單元進行改進，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剪式鉸在中部連接，當兩個角梁單元繞著中間的剪式鉸轉動時，梁端的夾角保持不變，如圖3所示。現有的可動結構，其幾何形狀大多只考慮“開始”和“結束”兩個狀態，也即折疊狀態和展開狀態。這兩個狀態之間的轉換方式大致為水平移動式、水平旋轉移動式、空間移動式、中樞軸轉動式、折疊移動式和組合移動式等。但是這些可開啟式屋蓋結構只有平動或者轉動的能力，事實上整個屋蓋結構的外形并沒有改變。所以這些可動結構并不是真正意義上的幾何可變結構。

發明內容
為了使可動結構實現真正意義上的幾何外形可變，十分有必要提出可以在多個幾何外形之間變化的結構。本發明提供了一種基于折桿剪式單元的可動結構，該結構可以用作需要多個穩定幾何構形屋蓋體系的支撐結構，其不僅能滿足建筑對屋蓋形狀變化的各項功能要求，還具有設計和施工方便等優點，能較好地滿足各種跨度建筑對屋蓋開合功能的要求。為了達到上述目的，本發明采用了如下技術方案一種基于折桿剪式單元的可動結構，由連桿機構和拉索構成，其特征在于所述的連桿機構包括兩個由多個折桿剪式單元通過其上節點和下節點與相鄰的折桿剪式單元相互連接而成的子連桿機構，在兩個子連桿之間的四個節點上分別鉸接一連桿，四根連桿的另一端則鉸接在一起形成鉸接節點，所述的第一個子連桿機構的首個折桿剪式單元的中間銷接節點與支座轉動連接，所述的第二個子連桿機構的尾個折桿剪式單元的中間銷接節點與支座轉動連接，在第一子連桿機構的首個折桿剪式單元和第二子連桿機構的尾個折桿剪式單元的上節點和下節點之間分別設置有第一拉索，在第一子連桿機構的首個折桿剪式單元和第二子連桿機構的尾個折桿剪式單元的銷接節點和四根連桿的鉸接節點之間分別設置有第二拉索。從而通過四根拉索長度的變化來改變結構的幾何外形。本發明的有益效果是，本發明由折桿剪式單元和多桿鉸接單元組成的連桿機構， 并利用四根拉索驅動連桿機構，形成具有多個穩定幾何構形的結構；該發明可以從一個幾何構形任意變化到另外多個幾何構形，并且在這些幾何構形處可以承受外荷載；另外，折桿剪式單元中間銷接節點的連線為一圓弧，而且這些圓弧的曲率在結構運動過程中是不變的，所以可動結構的幾何外形均可以用兩個圓弧表示，可以較為方便地設計各個狀態下的幾何外形以及結構上的覆蓋材料；而且其構造合理、設計和施工簡單，適合于各種跨度的建
Λ-Α- 鞏。


下面結合附圖及實施例對本發明進一步詳細說明
圖I是平行剪式單元。
圖2是極線剪式單元。
圖3是折桿剪式單元。
圖4是本發明結構的示意圖
圖5是四桿鉸接單元示意圖
圖6是可動結構運動后非對稱構形示意圖。
圖7是可動結構幾何設計示意圖。。
具體實施方式
下面參照說明書附圖，對本發明的具體實施方式
作出更為詳細的說明
一種基于折桿剪式單元的可動結構，如圖4所示，由連桿機構和拉索構成，所述的
連桿機構有9個折桿剪式單元通過其上節點I和下節點2與相鄰的折桿剪式單元相互連接而成，其中首尾兩個折桿剪式單元的中間銷接節點3與支座轉動連接，將第5個折桿剪式單元中任意一個折桿剪式單元替換為四桿鉸接單元4，所述的四桿鉸接單元，如圖5所示，是將折桿剪式單元中間的銷接節點改為鉸接節點，也即四根桿件在同一個節點處相連，每根桿件均能繞著中間鉸接節點旋轉，這樣形成的連桿機構共有兩個自由度，為了使機構轉化為結構，本發明用四根拉索作為驅動裝置，所述的連桿機構被中間四桿鉸接單元分為兩個子連桿機構，在每個子連桿機構中，用一根拉索5連接支座處折桿剪式單元位于支座外的上節點I和下節點2,另一根拉索6連接支座處折桿剪式單元中間銷接節點3和四桿鉸接單元的鉸接節點，從而通過四根拉索長度的變化來改變結構的幾何外形。圖6所示為拉索長度改變后的幾何構形。圖4所示的支座節點和中間多桿鉸接單元鉸節點之間連接的子連桿機構均由4個折桿剪式單元組成，這些子連桿機構中折桿剪式單元中間銷接節點3的連線為一圓弧，而且這些圓弧的曲率在結構運動過程中是不變的，所以可動結構的幾何外形均可以用兩個圓弧表示，可以較為方便地設計各個狀態下的幾何外形以及結構上的覆蓋材料。將可動結構的幾何設計分為兩個方面一個是正向設計；另一個是逆向設計。其中正向設計是指已知輸入參數，求桁架的幾何構形；逆向設計指已知其幾何構形，求輸入參數。如圖7所示，擁有一個多鉸單元的多穩態結構可以看出是一個五連桿機構，它有3 個轉動鉸和2個滑動鉸，也即為RPRPR機構。可以看出，AB的長度，s是固定的，體系擁有兩個自由度，則其輸入參數可以確定為AC和BC的長度為S1和s2。則其正向設計可以確定為已知S1和S2，求體系的矢高(體系的跨度即為AB的長度)。有幾何知識可知，如果C點的坐標可知，體系的矢高可以很方便地求得。C點的坐標可以通過下式求得
權利要求
1.一種基于折桿剪式單元的可動結構，由連桿機構和拉索構成，其特征在于所述的連桿機構包括兩個由多個折桿剪式單元通過其上節點和下節點與相鄰的折桿剪式單元相互連接而成的子連桿機構，在兩個子連桿之間的四個節點上分別鉸接一連桿，四根連桿的另一端則鉸接在一起形成鉸接節點，所述的第一個子連桿機構的首個折桿剪式單元的中間銷接節點與支座轉動連接，所述的第二個子連桿機構的尾個折桿剪式單元的中間銷接節點與支座轉動連接，在第一子連桿機構的首個折桿剪式單元和第二子連桿機構的尾個折桿剪式單元的上節點和下節點之間分別設置有第一拉索，在第一子連桿機構的首個折桿剪式單元和第二子連桿機構的尾個折桿剪式單元的銷接節點和四根連桿的鉸接節點之間分別設置有第二拉索。
全文摘要
本發明公開了一種基于折桿剪式單元的可動結構，由連桿機構和拉索構成，連桿機構包括兩個子連桿機構，在兩個子連桿之間的四個節點上分別鉸接一連桿，四根連桿的另一端則鉸接在一起形成鉸接節點，第一個子連桿機構的首個折桿剪式單元的中間銷接節點與支座轉動連接，第二個子連桿機構的尾個折桿剪式單元的中間銷接節點與支座轉動連接，從而通過四根拉索長度的變化來改變結構的幾何外形。本發明由折桿剪式單元和多桿鉸接單元組成的連桿機構，并利用四根拉索驅動連桿機構，形成具有多個穩定幾何構形的結構；可動結構的幾何外形均可以用兩個圓弧表示，其構造合理、設計和施工簡單，適合于各種跨度的建筑。
文檔編號E04B7/14GK102605892SQ20121005963
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月8日 優先權日2012年3月8日
發明者馮健, 蔡建國 申請人:東南大學