CN106400968B - 一种径向伸缩网壳-膜组合结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种径向伸缩网壳‑膜组合结构，由下部径向伸缩网壳结构和上部膜结构组成，网壳结构由两个以上的环向链形剪式机构和两个以上的径向链形剪式机构组成；径向伸缩网壳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，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。本发明由径向链形剪式机构和环向链形剪式机构同步进行伸缩，伸缩率大；剪式铰单元的折叠方向为竖直面，使网壳‑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
技术领域
本发明涉及一种可展网壳-膜组合结构，尤其是一种具有上部竖杆的径向伸缩网壳-膜组合结构。
背景技术
可展结构是近半个多世纪发展起来的一种新型结构，在宇航、建筑结构和军事工程等领域起着重要作用。可展结构的主要特征是具有两种稳定的构型：完全折叠状态和完全展开工作状态。在折叠状态时，结构收拢在某一特定形状，在外界驱动力的作用下，结构逐步展开，达到完全展开的工作状态，然后锁定为稳定状态。这种结构完全折叠后成为紧密的捆状，充分展开固定后达到初始工作状态，能够覆盖较大的空间。
可展膜网壳结构糅合了可展结构和膜结构的特点。可展膜网壳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，网壳结构重量的降低，使下部的支撑结构和基础的断面尺寸也可以相应缩小，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，所以即使在可展网壳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
本发明提供了一种竖向刚度好、收缩率大且结构简单易于折叠的径向伸缩网壳-膜组合结构。满足建筑对可展网壳结构的各项功能要求，还具有设计和施工方便等优点。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种径向伸缩网壳-膜组合结构，该组合结构由下部径向伸缩网壳结构和上部膜结构组成，其特征在于，所述径向伸缩网壳结构由两个以上的环向链形剪式机构和两个以上的径向链形剪式机构组成，环向链形剪式机构同心布置，径向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；环向链形剪式机构由多个对称剪式铰单元头尾相连成环形；径向链形剪式机构由多个非对称剪式铰单元头尾相连成线形；所述对称剪式铰由两个长度相等的第一连杆在杆中间铰接组成，所述非对称剪式铰由两个长度不等的第二连杆在杆中间铰接组成；径向链形剪式机构与环向链形剪式机构通过非对称剪式铰单元的第二连杆端部与对称剪式铰单元的第一连杆端部铰接实现连接；所述径向伸缩网壳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。
所述第一连杆为直杆。
所述第一连杆为平面直杆。
所述第二连杆为直杆。
所述第二连杆为平面直杆。
所述竖杆为直杆。
当伸缩网壳处于完全展开状态时，膜材处于张紧状态，承受外界及结构自身的荷载，此时膜单元的固接角点之间的距离最大；当伸缩网壳处于收缩状态时，膜单元的固接角点之间距离缩短，膜材发生褶皱。
有益效果：
本发明由径向链形剪式机构和环向链形剪式机构同步进行伸缩，上部采用所述的具有竖杆的膜结构，从而使得网壳-膜组合结构伸缩自由，伸缩率大，而且其构造合理、设计和施工简单，剪式铰单元折叠方向为竖直面，使网壳结构具有较大的竖向刚度。开合膜材的使用满足了建筑的功能要求，并且使结构自重轻，施工方便快捷，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是本发明网壳-膜组合结构示意图。
图2是网壳-膜组合结构的径向和环向链形剪式机构铰接示意图。
图3是组成环向链形剪式机构的对称剪式铰单元示意图。
图4是组成径向链形剪式机构的非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，一种径向伸缩网壳-膜组合结构1。该组合结构由下部径向伸缩网壳结构和上部膜结构组成，其中网壳结构是由3个环向链形剪式机构2和16个径向链形剪式机构4组成。其中，环向链形剪式机构2由48个对称剪式铰单元3组成，环向链形剪式机构2沿径向均匀间隔布置；径向链形剪式机构4由12个非对称剪式铰单元5组成，径向链形剪式机构4沿环向均匀间隔布置。
所述径向伸缩网壳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AFGH、第一中间四边形ABCD、第二中间四边形ACEF以及外四边形BIJK。所述内四边形的中三个顶点FGH是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点，以及位于第二顶点H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A；所述外四边形的的顶点IJK是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点，以及位于第六顶点K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B；所述第一中间四边形沿径向链形剪式机构对称，所述第一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，C、D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A、B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，C、F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A、E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；
膜结构是由8个第一膜结构单元7，16个第二膜结构单元8，8个第三膜结构单元9组成。所述第一膜单元7、第二膜单元8和第三膜单元9均由竖杆和上覆的膜材10组成。在所述内四边形AFGH上布置所述第一膜单元，在所述第一中间四边形ABCD、第二中间四边形ACEF上布置所述第二膜单元8，在所述外四边形BIJK上布置所述第三膜单元9。所述第一膜单元7的竖杆下端连接在构成所述内四边形AFGH的第二顶点H上，所述第二膜单元8的竖杆下端均连接在构成所述第一中间四边形ABCD和第二中间四边形ACEF的径向链形剪式机构上两个顶点的中点上；所述第三膜单元9的竖杆下端连接在构成所述外四边形BIJK的第六顶点K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。
如图2所示，径向链形剪式机构和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和径向链形剪式机构4通过剪式铰单元连杆端部铰节点6连接。由此，通过该铰节点的作用，实现网壳结构开合过程中径向链形剪式机构和环向链形剪式机构的同步伸缩。
如图3所示的组成环向链形剪式机构的对称剪式铰单元3是目前应用最为广泛的平行剪式铰单元。对称剪式铰单元3的第一连杆长度相等，且通过第一连杆中间的一个销接节点相连，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；同时对称剪式铰单元3之间的连接是通过第一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4所示的组成径向链形剪式机构的非对称剪式铰单元5是目前应用最为广泛的平行剪式铰单元。所述非对称剪式铰单元5的第二连杆长度不相等，且通过第二连杆中间的一个销接节点相连，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；同时非对称剪式铰单元5之间的连接是通过第二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，径向伸缩网壳-膜组合结构完全展开时3种膜单元布满整个网壳结构。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10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10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10上端固定在第三竖杆上端，下部与顶点I、J、K相固结。
Claims (5)
1.一种径向伸缩网壳-膜组合结构，该组合结构由下部径向伸缩网壳结构和上部膜结构组成，其特征在于，所述径向伸缩网壳结构由两个以上的环向链形剪式机构和两个以上的径向链形剪式机构组成，环向链形剪式机构同心布置，径向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；环向链形剪式机构由多个对称剪式铰单元头尾相连成环形；径向链形剪式机构由多个非对称剪式铰单元头尾相连成线形；所述对称剪式铰由两个长度相等的第一连杆在杆中间铰接组成，所述非对称剪式铰由两个长度不等的第二连杆在杆中间铰接组成；径向链形剪式机构与环向链形剪式机构通过非对称剪式铰单元的第二连杆端部与对称剪式铰单元的第一连杆端部铰接实现连接；所述径向伸缩网壳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。
2.根据权利要求1所述的径向伸缩网壳-膜组合结构，其特征在于：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。
3.根据权利要求1所述的径向伸缩网壳-膜组合结构，其特征在于：所述第一连杆为平面直杆。
4.根据权利要求3所述的径向伸缩网壳-膜组合结构，其特征在于：所述第二连杆为平面直杆。
5.根据权利要求1所述的径向伸缩网壳-膜组合结构，其特征在于：所述竖杆为直杆。
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