專利名稱：一種由四邊形平面六桿四面體單元連接組合的球面網殼的制作方法
技術領域：
本發明涉及建筑領域，尤其涉及一種由四邊形平面六桿四面體單元連接組合的球面網殼。
背景技術：
三角錐單元、四角錐單元和六角錐單元是目前網架與網殼結構的基本組成單元。三角錐單元由6根桿件組成，是一種幾何穩定的結構基本單元，要使其組成網殼結構需要在基本單元間增設部分連接桿件。三角錐網殼是以倒置的三角錐為網殼的基本組成單元，隨著三角錐單元不同布設方式，上下弦網格可為三角形或六邊形，從而構成形式各異的三角錐網殼。四角錐單元由8根桿件組成，是一種幾何不穩定的結構基本單元，要使其組成網殼結構需要在基本單元間增設部分連接桿件。由該基本單元構成的網殼結構上下弦平面網格成四邊形，根據四角錐單元不同布設方式，可獲得各種形式的四角錐網殼。六角錐單元由12根桿件組成，是一種幾何不穩定的結構基本單元，要使其組成網殼結構需要在基本單元間增設部分連接桿件。由該基本單元構成的網殼結構上下弦平面網格成六邊形或三角形，可獲得六角錐網殼。以上三種現有結構的基本單元要組成網殼結構均需要在基本單元間增設部分額外的連接桿件，節點匯交桿件數量較多，其中四角錐單元和六角錐單元本身是幾何不穩定結構，這為結構的安裝和施工帶來一定困難。

發明內容
本發明針對現有技術的不足，提出了一種由四邊形平面六桿四面體單元連接組合的球面網殼。四邊形平面六桿四面體單元是由一根上弦桿、一根下弦桿和四根腹桿組成，這種基本單元的上弦桿與下弦桿在桿件中心位置為空間正交布置，四根腹桿分別連接上下弦節點，構成經向上弦環向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元或環向上弦經向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元。根據單元布設位置的不同可形成上弦環向下弦經向雙向折線形球面網殼結構和上弦經向下弦環向雙向折線形球面網殼結構。上弦環向下弦經向雙向折線形球面網殼結構由經向上弦環向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元沿開口球殼向經向和環向拓展構成，其中每個基本單元之間上弦節點與上弦節點相連接，下弦節點與下弦節點相連接，經向上弦環向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元向經向拓展時從開口邊到殼體底邊，各單元經向桿件保持等長，環向桿件長度線性變化，在結構內圈上弦節點增加一圈環向桿件。 上弦經向下弦環向雙向折線形球面網殼結構由環向上弦經向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元沿開口球殼向經向和環向拓展構成，其中每個基本單元之間上弦節點與上弦節點相連接，下弦節點與下弦節點相連接，環向上弦經向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元向經向拓展時從開口邊到殼體底邊，各單元經向桿件保持等長，環向桿件長度線性變化，在結構內圈下弦節點增加一圈環向桿件。對二種折線形球面網殼結構根據不同上、下弦節點構造和不同梁、桿單元布設能分別得到四種結構。經向弦桿、環向弦桿和腹桿均采用梁單元，所有節點均采用剛接節點；經向弦桿和環向弦桿采用梁單元，腹桿采用桿單元，所有節點均采用半剛接半鉸接節點，即弦桿間連接采用剛接連接，腹桿與弦桿間連接采用鉸接連接；經向弦桿采用梁單元，環向弦桿和腹桿采用桿單元，經向弦桿間節點采用半剛接半鉸接節點，即經向弦桿間連接采用剛接連接，腹桿與經向弦桿間連接采用鉸接連接，其余節點均采用鉸接連接；經向弦桿、環向弦桿和腹桿均采用桿單元，所有節點均采用鉸接節點。二種折線形球面網殼結構所分別對應的四種具體結構形式周邊均可設置為不動鉸支座。本發明具有的有益效果
I.四邊形平面六桿四面體單元幾何穩定，節點匯交桿件少
平面四邊形六桿四面體單元類似于三角錐單元，其本身就是一穩定的幾何不變體。在由此基本單元所組成的球面網殼結構中，交于上弦節點的桿件有六根，交于下弦節點的桿件也有六根。在常用的具有上下弦桿各類網殼結構中，這種結構體系的桿件數和節點數相對是最少的。2.能連接成有雙層作用的、構造簡單的球面網殼
四邊形平面六桿四面體單元，在無需另行增設桿系情況下便可連接組合而成球面網殼結構，因此相對于目前常用的三角錐等基本單元具有獨特的優點。由于四邊形平面六桿四面體單元具有上、下弦桿，所以由這種單元連接組合的結構在一定程度上還可起到兩層網格結構的作用，有利于結構整體受力。3.建筑造型簡潔、美觀、空間效果強
現有基本單元組成的球面網殼結構，建筑造型單一且空間效果不強。但由四邊形平面六桿四面體基本單元所組成的球面網殼結構的上、下表面具有不同的建筑造型，其中環向折線形表面既像一盛開的花瓣，又像一把撐開的雨傘，徑向折線形表面又猶如一架演奏著的風琴，優美別致，具有強烈的空間效果。4.根據不同的工程實踐需要可選用多種不同的結構方案
桿件單元類型選取和節點設計是空間網殼結構設計的重點，基于結構整體受力要求，桿件單元類型可分別選取桿單元和梁單元，連接節點可采用剛接節點、半剛接半鉸接節點和鉸接節點等節點構造形式。因此這種網殼結構存在多種不同的結構方案有利于在實際工程中根據具體情況進行多方案比較選用。5.便于吊裝、運輸、標準化、工業化生產
四邊形平面六桿四面體單元本身為一穩定的幾何不變體且其桿件和節點比較單一，尺寸不大，倉儲、運輸、裝卸、安裝都比較方便，采用小型機具設備普通工人便可進行網殼的拼裝工作?；締卧臈U件和節點便于工廠化、標準化制作，可在工廠批量生產，有利于提高加工精度、減少現場施工工作量、加快施工進度、降低材料耗量和工程造價。大多數鋼結構生產企業均可成批加工制作規格俱全的各種結構桿件和節點形式，可接受用戶訂貨。


圖I (a)為本發明中經向上弦環向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元結構圖；、圖I (b)為本發明中環向上弦經向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元結構 圖2 Ca)為本發明中上弦環向下弦經向雙向折線形球面網殼結構 圖2 (b)為本發明中上弦經向下弦環向雙向折線形球面網殼結構 圖3 (a)、(b)、(C)、(d)為上弦環向下弦經向雙向折線形球面網殼結構的四種具體結構 圖4 (a)、(b)、(C)、(d)為上弦經向下弦環向雙向折線形球面網殼結構的四種具體結構圖。
具體實施例方式本發明針對現有技術的不足，提出了一種由四邊形平面六桿四面體單元連接組合的球面網殼。如圖I (a)、(b)所示，四邊形平面六桿四面體單元是由一根上弦桿I、一根下弦桿3和腹桿2組成，這種基本單元的上弦桿I與下弦桿3在桿件中心位置為空間正交布置，四根腹桿分別連接上下弦節點，構成經向上弦環向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元或環向上弦經向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元。根據單元布設位置的不同可形成上弦環向下弦經向雙向折線形球面網殼結構或上弦經向下弦環向雙向折線形球面網殼結構。如圖2 (a)所示，上弦環向下弦經向雙向折線形球面網殼結構由經向上弦環向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元沿開口球殼向經向和環向拓展構成，其中每個基本單元之間上弦節點與上弦節點相連接，下弦節點與下弦節點相連接，經向上弦環向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元向經向拓展時從開口邊到殼體底邊，各單元經向桿件保持等長，環向桿件長度線性變化。為了滿足構造封口要求，在結構內圈上弦節點增加一圈環向桿件。如圖2 (b)所示，上弦經向下弦環向雙向折線形球面網殼結構由環向上弦經向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元沿開口球殼向經向和環向拓展構成，其中每個基本單元之間上弦節點與上弦節點相連接，下弦節點與下弦節點相連接，環向上弦經向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元向經向拓展時從開口邊到殼體底邊，各單元經向桿件保持等長，環向桿件長度線性變化。為了滿足構造封口要求，在結構內圈下弦節點增加一圈環向桿件。對二種折線形球面網殼結構根據不同上、下弦節點構造和不同梁、桿單元布設能分別得到四種結構。如圖3 (a)、圖4 (a)所示，經向弦桿、環向弦桿和腹桿均采用梁單元，所有節點均采用剛接節點；如圖3 (b)、圖4 (b)所示，經向弦桿和環向弦桿采用梁單元，腹桿采用桿單元，所有節點均采用半剛接半鉸接節點，即弦桿間連接采用剛接連接，腹桿與弦桿間連接采用鉸接連接；如圖3 (C)、圖4 (c)所示，經向弦桿采用梁單元，環向弦桿和腹桿采用桿單元，經向弦桿間節點采用半剛接半鉸接節點，即經向弦桿間連接采用剛接連接，腹桿與經向弦桿間連接采用鉸接連接，其余節點均采用鉸接連接；如圖3 (d)、圖4 (d)所示，經向弦桿、環向弦桿和腹桿均采用桿單元，所有節點均采用鉸接節點。
二種折線形球面網殼結構所分別對應的四種具體結構形式周邊均可設置為不動鉸支座。
權利要求
1.一種由四邊形平面六桿四面體單元連接組合的球面網殼，其特征在于四邊形平面六桿四面體單元是由一根上弦桿、一根下弦桿和四根腹桿組成，這種基本單元的上弦桿與下弦桿在桿件中心位置為空間正交布置，四根腹桿分別連接上下弦節點，構成經向上弦環向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元或環向上弦經向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元； 根據單元布設位置的不同可形成上弦環向下弦經向雙向折線形球面網殼結構和上弦經向下弦環向雙向折線形球面網殼結構； 上弦環向下弦經向雙向折線形球面網殼結構由經向上弦環向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元沿開口球殼向經向和環向拓展構成，其中每個基本單元之間上弦節點與上弦節點相連接，下弦節點與下弦節點相連接，經向上弦環向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元向經向拓展時從開口邊到殼體底邊，各單元經向桿件保持等長，環向桿件長度線性變化，在結構內圈上弦節點增加一圈環向桿件； 上弦經向下弦環向雙向折線形球面網殼結構由環向上弦經向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元沿開口球殼向經向和環向拓展構成，其中每個基本單元之間上弦節點與上弦節點相連接，下弦節點與下弦節點相連接，環向上弦經向下弦四邊形平面六桿四面體基本單元向經向拓展時從開口邊到殼體底邊，各單元經向桿件保持等長，環向桿件長度線性變化，在結構內圈下弦節點增加一圈環向桿件； 對二種折線形球面網殼結構根據不同上、下弦節點構造和不同梁、桿單元布設能分別得到四種結構，經向弦桿、環向弦桿和腹桿均采用梁單元，所有節點均采用剛接節點；經向弦桿和環向弦桿采用梁單元，腹桿采用桿單元，所有節點均采用半剛接半鉸接節點，即弦桿間連接采用剛接連接，腹桿與弦桿間連接采用鉸接連接；經向弦桿采用梁單元，環向弦桿和腹桿采用桿單元，經向弦桿間節點采用半剛接半鉸接節點，即經向弦桿間連接采用剛接連接，腹桿與經向弦桿間連接采用鉸接連接，其余節點均采用鉸接連接；經向弦桿、環向弦桿和腹桿均采用桿單元，所有節點均采用鉸接節點； 二種折線形球面網殼結構所分別對應的四種具體結構形式周邊均可設置為不動鉸支座。
全文摘要
本發明公開了一種由四邊形平面六桿四面體單元連接組合的球面網殼，現有技術結構節點匯交桿件數量較多，給安裝和施工帶來一定困難。本發明中的四邊形平面六桿四面體單元是由一根上弦桿、一根下弦桿和四根腹桿組成，上弦桿與下弦桿在桿件中心位置為空間正交布置，其四根腹桿分別連接上下弦節點，球面網殼由四邊形平面六桿四面體基本單元沿開口球殼向經向和環向拓展構成，其中每個基本單元之間上弦節點與上弦節點相連接，下弦節點與下弦節點相連接，四邊形平面六桿四面體基本單元向經向拓展時從開口邊到殼體底邊，各單元經向桿件保持等長，環向桿件長度線性變化，在結構內圈增加一圈桿件。本發明結構穩定，節點匯交桿件少，造型簡潔、美觀。
文檔編號E04B1/32GK102619281SQ20121007906
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月23日 優先權日2012年3月23日
發明者白光波, 董石麟, 鄭曉清 申請人:浙江大學