CN106284810B - 平面径向开合屋盖-膜组合结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面径向开合屋盖‑膜组合结构，该组合结构由下部平面径向开合屋盖结构和上部膜结构组成，平面径向开合屋盖由两个以上的环向链形剪式机构和两个以上的径向双层链形剪式机构组成；平面径向开合屋盖结构在投影面上分为彼此连续的布膜区，布膜区包括内四边形、第一中间四边形、第二中间四边形以及外四边形；膜结构由第一膜单元、第二膜单元以及第三膜单元组成。本发明平面径向开合屋盖‑膜组合结构伸缩自由，伸缩率大；环向剪式铰单元的折叠方向为竖直面，使平面径向开合屋盖‑膜组合结构具有较大的竖向刚度，而且构造合理、设计和施工简单，特别适合中小跨度的建筑。

Description

平面径向开合屋盖-膜组合结构

技术领域

本发明涉及一种平面径向开合屋盖-膜组合结构，尤其是一种具有径向双层链形剪式机构和环向链形剪式机构的平面径向开合屋盖-膜组合结构。

背景技术

开合屋盖结构是近半个多世纪发展起来的一种新型结构，能够根据大气的变化和建筑的使用需求部分或全部开启和关闭屋盖。开合屋盖结构的主要特征是具有两种稳定的构型：完全闭合状态和完全展开工作状态。屋盖正常使用阶段需要运动并且具备多个不同受力状态，与常规建筑结构相比，设计和施工更加复杂。

平面径向开合屋盖-膜组合结构糅合了开合屋盖结构和膜结构的特点。平面径向开合屋盖结构采用膜材料有许多优点:

1)自重轻。膜材的重量只有1.3-1.5kN/m²，屋盖结构重量的降低，可以使下部的支撑结构和基础的断面尺寸也相应缩小，大大降低工程造价。

2)减少能源消耗，节省费用。膜材透光率一般取决于材质和涂层，使用范围从几乎100％透明到完全不透明。一般建筑膜材的透光率在15％左右，所以即使在可展网架结构完全展开时也可充分利用自然光，白天使用可以减少人工照明。

3)施工速度快。

发明内容

发明目的：为了建造出便于开合的环形屋盖，并要求该开合屋盖不仅能满足建筑对屋盖开合的各项功能要求，还具有设计和施工方便等优点，能够较好的满足中小跨度建筑对屋盖开合功能的要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种平面径向开合屋盖-膜组合结构，其特征在于，该组合结构由下部平面径向开合屋盖结构和上部膜结构组成，其中下部平面径向开合屋盖结构由两个以上的环向链形剪式机构和两个以上的径向双层链形剪式机构组成，所述环向链形剪式机构同心布置，所述径向双层链形剪式机构沿所述环向链形剪式机构形成的圆环的径向布置；所述环向链形剪式机构由多个环向对称剪式铰单元头尾相连成环形，所述环向对称剪式铰单元的折叠方向垂直所述圆环所在平面，每个环向对称剪式铰单元由两个长度相等的第一连杆在第一连杆的中部铰接而成，相邻两环向对称剪式铰单元的第一连杆之间在第一连杆的端部铰接；所述径向双层链形剪式机构由上下对齐的两层水平链形剪式机构组成，所述径向上下两层链形剪式机构均由多个径向对称剪式铰单元头尾相连成线形，所述径向对称剪式铰单元的折叠方向在水平面内，每个径向对称剪式铰单元由两个长度相等的第二连杆在第二连杆的中部铰接而成，相邻两径向对称剪式铰单元的第二连杆之间在第二连杆的端部铰接；所述径向上下两层链形剪式机构分别与所述环向链形剪式机构通过所述径向对称剪式铰单元的第二连杆端部与所述环向对称剪式铰单元的第一连杆端部铰接实现连接，并且径向双层链形剪式机构伸出最外圈环向链形剪式机构一定的长度，并固定于只具有水平转动自由度的铰支座。

所述径向开合屋盖结构在投影面上分为彼此连续的布膜区，所述布膜区包括内四边形、第一中间四边形、第二中间四边形以及外四边形；

所述内四边形沿径向链形剪式机构对称，所述内四边形的四个顶点包括相邻的三个径向链形剪式机构和内侧的环向链形剪式机构铰接形成的第一顶点、第二顶点和第三顶点，以及位于第二顶点和径向相邻的径向链形剪式机构和环向链形剪式机构的铰接点的中点构成的第四顶点；

所述外四边形沿径向链形剪式机构对称，所述外四边形的四个顶点包括相邻的三个径向链形剪式机构和外侧的环向链形剪式机构铰接形成的第五顶点、第六顶点和第七顶点，以及位于第六顶点和径向相邻的径向链形剪式机构和环向链形剪式机构的铰接点的中点构成的第八顶点；

所述第一中间四边形沿径向链形剪式机构对称，所述中间四边形的四个顶点位于相邻的三个径向链形剪式机构上，其中，两个顶点位于相邻的三个径向链形剪式机构中两侧的径向链形剪式机构上且位于同一环向链形剪式机构上，另两个顶点位于相邻的三个径向链形剪式机构中间的一个径向链形剪式机构上且分别与另外两个顶点所在的环向链形剪式机构的间距为相隔环向链形剪式机构之间距离的一半；

所述第二中间四边形沿径向链形剪式机构对称，所述第二中间四边形的四个顶点位于相邻的三个径向链形剪式机构上，其中，两个顶点位于相邻的三个径向链形剪式机构的中间径向链形剪式机构与相邻两个环向链形剪式机构的铰接点上，另外两个顶点分别位于相邻的三个径向链形剪式机构中两侧的径向链形剪式机构上且位于相邻两个环向链形剪式机构之间的中点；

其中内四边形S个，第一中间四边形N个，第二中间四边形为M个，外四边形P个，S＝X/2，N＝(Y-2)X/2，M＝(Y-1)X/2，P＝X/2，X为径向链形剪式机构的个数，Y为环向链形剪式机构的个数；

所述膜结构由第一膜单元、第二膜单元以及第三膜单元组成，所述第一膜单元、第二膜单元和第三膜单元均由竖杆和上覆的膜材组成；在所述内四边形上连接所述第一膜单元，在所述第一中间四边形和第二中间四边形上连接所述第二膜单元，在所述外四边形上连接所述第三膜单元。所述第一膜单元的竖杆下端均连接在构成所述内四边形的第二顶点上，所述第二膜单元的竖杆下端均连接在构成所述第一中间四边形和第二中间四边形的位于径向链形剪式机构上两个顶点的中点上；所述第三膜单元的竖杆下端均连接在构成所述外四边形的第六顶点上；所述竖杆的另一端与所述膜材固定，膜材的四周与所述内四边形、第一中间四边形、第二中间四边形以及外四边形的其余顶点固定，相邻布膜区之间的膜材在边界处平滑过渡连接；

所述径向双层链形剪式机构在所述圆环上均匀布置，所述环向链形剪式机构在圆环的径向上等距布置。

所述环向链形剪式机构的个数为3～10个，所述径向双层链形剪式机构的个数为5～40个。

所述第一连杆为平面直杆。

所述第二连杆为平面直杆。

所述竖杆为直杆。

有益效果：本发明由径环向链形剪式机构同步伸缩实现平面径向开合屋盖结构的开合，从而使得平面径向开合屋盖伸缩自由，伸缩率大，而且其构造合理、设计和施工简单，环向剪式机构的剪式铰单元的折叠方向为竖直面，径向双层剪式机构由上下两层剪式机构组成，从而使平面径向开合屋盖结构具有较大的竖向刚度，特别适合中小跨度的建筑。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明：

图1是本发明平面径向开合屋盖-膜组合结构示意图。

图2是平面径向开合屋盖结构径向双层链形剪式机构示意图。

图3是径向链形剪式机构和环向链形剪式机构铰接示意图。

图4是组成径向和环向链形剪式机构的对称剪式铰单元示意图。

图5是组成膜结构的3种膜单元布置示意图。

图6是组成膜结构的第一膜单元示意图。

图7是组成膜结构的第二膜单元示意图。

图8是组成膜结构的第三膜单元示意图。

具体实施方式

下面参照说明书附图，对本发明作出更为详细的说明：

如图1所示，一种平面径向开合屋盖结构1。平面径向开合屋盖结构1是由3个环向链形剪式机构2和16个径向双层链形剪式机构4组成。其中，环向链形剪式机构2由48个环向对称剪式铰单元3组成，环向链形剪式机构2沿径向均匀间隔布置；径向双层链形剪式机构4由上下对齐的两层链形剪式机构组成，其中每层链形剪式机构由14个径向对称剪式铰单元5组成，径向双层链形剪式机构4沿环向均匀间隔布置。

如图2所示，径向双层链形剪式机构由上下对齐的两层链形剪式机构组成，并且上下两层链形剪式机构在网架开合过程中保持同步伸缩；所述上下两层链形剪式机构均由14个径向对称剪式铰单元连接而成，相邻两剪式铰单元之间在第二连杆的端部铰接。

如图3所示，径环向链形剪式机构的连接节点构成如下：环向链形剪式机构2分别和径向双层链形剪式机构4的上下两层链形剪式机构通过环向对称剪式铰单元第一连杆和径向对称剪式铰单元第二连杆端部铰节点6连接。由此，通过该铰节点的作用，实现平面径向开合屋盖结构开合过程中径向双层链形剪式机构4和环向链形剪式机构2的同步伸缩。

如图4所示的组成环向和径向链形剪式机构的对称剪式铰单元是目前应用最为广泛的平行剪式铰单元。剪式铰单元的连杆长度相等，且通过连杆中间的一个销接节点相连，每对连杆仅能绕垂直与该对连杆所在平面的轴线作相对转动，而其它自由度完全受到了限制；同时剪式铰单元间的连接是通过连杆端部铰节点铰接实现。该单元在运动过程中其端部铰节点的连线保持平行。

如图5所示，平面径向开合屋盖-膜组合结构完全展开时3种膜单元布满整个屋盖结构。其中8个第一膜结构单元7布置在内四边形布膜区，沿环向均匀布置；16个第二膜结构单元8布置在第一中间四边形和第二中间四边形组成的布膜区内；8个第三膜结构单元9布置在外四边形布膜区，沿环向均匀布置。

如图6所示，最内圈的第一膜结构单元7布置在内四边形AFGH上，其中顶点F、H、G在相邻的最内圈环向链形剪式机构2和径向双层链形剪式机构4的铰接点处；顶点A在径向对称轴所在的径向双层链形剪式机构4上，并且处在和相邻环向链形剪式机构的中间处。第一竖杆设置在顶点H点处，膜材11上端固定在第一竖杆上端，下部与顶点F、G、H相固结。

如图7所示，第二膜结构单元8布置在第一中间四边形和第二中间四边形布膜区内。所述第一中间四边形的四个顶点ABCD位于相邻的三个径向链形剪式机构上，其中，顶点CD位于相邻的三个径向链形剪式机构中两侧的径向链形剪式机构上且位于同一环向链形剪式机构上，另两个顶点AB位于相邻的三个径向链形剪式机构中间的一个径向链形剪式机构上且分别与顶点CD所在的环向链形剪式机构的间距为相隔环向链形剪式机构之间距离的一半；所述第二中间四边形的四个顶点ACEF位于相邻的三个径向链形剪式机构上，其中，顶点CF位于相邻的三个径向链形剪式机构的中间径向链形剪式机构与相邻两个环向链形剪式机构的铰接点上，另外两个顶点AE分别位于相邻的三个径向链形剪式机构中两侧的径向链形剪式机构上且位于相邻两个环向链形剪式机构之间的中点；第二竖杆下端均布置在第一中间四边形和第二中间四边形的中间径向剪式铰机构的中点处，上部附着的膜材11上部固定在竖杆上端，下部与四边形投影的顶点相固结。

如图8所示，最外圈的第三膜结构单元9布置在外四边形BIJK上，顶点I、J、K在相邻的最外圈环向链形剪式机构2和径向双层链形剪式机构4的铰接点处；顶点B在径向对称轴所在的径向双层链形剪式机构4上，并且处在和相邻环向链形剪式机构的中间处。第三竖杆设置在顶点K点处，膜材11上端固定在第三竖杆上端，下部与顶点I、J、K相固结。

Claims (4)

1.一种平面径向开合屋盖-膜组合结构，其特征在于，该组合结构由下部平面径向开合屋盖结构和上部膜结构组成组成，其中下部平面径向开合屋盖结构由两个以上的环向链形剪式机构和两个以上的径向双层链形剪式机构组成，所述环向链形剪式机构同心布置，所述径向双层链形剪式机构沿所述环向链形剪式机构形成的圆环的径向布置；所述环向链形剪式机构由多个环向对称剪式铰单元头尾相连成环形，所述环向对称剪式铰单元的折叠方向垂直所述圆环所在平面，每个环向对称剪式铰单元由两个长度相等的第一连杆在第一连杆的中部铰接而成，相邻两环向对称剪式铰单元的第一连杆之间在第一连杆的端部铰接；所述径向双层链形剪式机构由上下对齐的两层水平链形剪式机构组成，所述径向上下两层链形剪式机构均由多个径向对称剪式铰单元头尾相连成线形，所述径向对称剪式铰单元的折叠方向在水平面内，每个径向对称剪式铰单元由两个长度相等的第二连杆在第二连杆的中部铰接而成，相邻两径向对称剪式铰单元的第二连杆之间在第二连杆的端部铰接；所述径向上下两层链形剪式机构分别与所述环向链形剪式机构通过所述径向对称剪式铰单元的第二连杆端部与所述环向对称剪式铰单元的第一连杆端部铰接实现连接，并且径向双层链形剪式机构伸出最外圈环向链形剪式机构一定的长度，并固定于只具有水平转动自由度的铰支座；

所述平面径向开合屋盖结构在投影面上分为彼此连续的布膜区，所述布膜区包括内四边形、第一中间四边形、第二中间四边形以及外四边形；

所述内四边形沿径向链形剪式机构对称，所述内四边形的四个顶点包括相邻的三个径向链形剪式机构和内侧的环向链形剪式机构铰接形成的第一顶点、第二顶点和第三顶点，以及位于第二顶点和径向相邻的径向链形剪式机构和环向链形剪式机构的铰接点的中点构成的第四顶点；

所述外四边形沿径向链形剪式机构对称，所述外四边形的四个顶点包括相邻的三个径向链形剪式机构和外侧的环向链形剪式机构铰接形成的第五顶点、第六顶点和第七顶点，以及位于第六顶点和径向相邻的径向链形剪式机构和环向链形剪式机构的铰接点的中点构成的第八顶点；

所述第一中间四边形沿径向链形剪式机构对称，所述中间四边形的四个顶点位于相邻的三个径向链形剪式机构上，其中，两个顶点位于相邻的三个径向链形剪式机构中两侧的径向链形剪式机构上且位于同一环向链形剪式机构上，另两个顶点位于相邻的三个径向链形剪式机构中间的一个径向链形剪式机构上且分别与另外两个顶点所在的环向链形剪式机构的间距为相隔环向链形剪式机构之间距离的一半；

所述第二中间四边形沿径向链形剪式机构对称，所述第二中间四边形的四个顶点位于相邻的三个径向链形剪式机构上，其中，两个顶点位于相邻的三个径向链形剪式机构的中间径向链形剪式机构与相邻两个环向链形剪式机构的铰接点上，另外两个顶点分别位于相邻的三个径向链形剪式机构中两侧的径向链形剪式机构上且位于相邻两个环向链形剪式机构之间的中点；

其中内四边形S个，第一中间四边形N个，第二中间四边形为M个，外四边形P个， S=X/2，N=（Y-2）X/2，M= （Y-1）X/2，P= X/2，X为径向链形剪式机构的个数，Y为环向链形剪式机构的个数；

所述膜结构由第一膜单元、第二膜单元以及第三膜单元组成，所述第一膜单元、第二膜单元和第三膜单元均由竖杆和上覆的膜材组成；在所述内四边形上连接所述第一膜单元，在所述第一中间四边形和第二中间四边形上连接所述第二膜单元，在所述外四边形上连接所述第三膜单元；所述第一膜单元的竖杆下端均连接在构成所述内四边形的第二顶点上，所述第二膜单元的竖杆下端均连接在构成所述第一中间四边形和第二中间四边形的位于径向链形剪式机构上两个顶点的中点上；所述第三膜单元的竖杆下端均连接在构成所述外四边形的第六顶点上；所述竖杆的另一端与所述膜材固定，膜材的四周与所述内四边形、第一中间四边形、第二中间四边形以及外四边形的其余顶点固定，相邻布膜区之间的膜材在边界处平滑过渡连接；所述径向链形剪式机构在所述圆环上均匀布置，所述环向链形剪式机构在圆环的径向上等距布置；所述环向链形剪式机构的个数为3～10个，所述径向链形剪式机构的个数为10～40个。

2.根据权利要求1所述的平面径向开合屋盖-膜组合结构，其特征在于：所述第一连杆为平面直杆。

3.根据权利要求1所述的平面径向开合屋盖-膜组合结构，其特征在于：所述第二连杆为平面直杆。

4.根据权利要求1所述的平面径向开合屋盖-膜组合结构，其特征在于：所述竖杆为直杆。