CN115680181A - 一种节约材料且抗风的索膜结构建筑及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及覆盖大面积空间的结构技术领域，公开了一种节约材料且抗风的索膜结构建筑及其施工方法，包括索膜屋盖以及支撑柱，支撑柱上下两端分别通过球铰与索膜屋盖及基座连接；索膜屋盖与基座之间还设置有限摆索。本发明中，通过把支撑柱全部换为上下端皆为球铰的摇摆柱，然后在屋盖与基座之间设置限摆索来限制屋盖的摇摆，支撑柱无需抗弯，横截面可大幅缩减，显著节约钢材；本发明中，屋盖骨架搭建完成后依然可以调整屋盖的姿态和形状，无需同时把屋盖的位置、姿态、形状调到符合要求的程度，显著降低了施工难度；本发明中，在建筑承受横风的时候，限摆索可反复伸缩来使整个建筑像不倒翁那样借助轻微的摆动使风能被耗散，避免建筑被风吹变形。

Description

一种节约材料且抗风的索膜结构建筑及其施工方法

技术领域

本发明涉及覆盖大面积空间的结构技术领域，特别是涉及一种节约材料且抗风的索膜结构建筑及其施工方法。

背景技术

索膜结构的建筑是一种特殊的钢结构建筑，其形式上类似于撑开的伞，由钢梁及拉索撑开的膜作为顶棚，架设在钢柱（以刚接柱为主）上。

索膜结构的建筑是目前所有的建筑形式中最轻的一种，由于自重极小，因此自重对建筑外形的限制极小，特别适合做成各种复杂的造型以及用于很大跨度的建筑。因此目前的索膜结构建筑普遍都是大跨度且有复杂造型的建筑。

但对大跨度及复杂造型的追求，给索膜结构建筑带来了施工上的问题：

1.由于造型复杂，其钢柱往往需要同时承载水平荷载以及竖向荷载，而钢柱的抗弯强度是明显不及其抗拉/抗压强度的，这就导致虽然索膜结构的屋盖很轻，但其支撑屋盖的钢柱却要求有很大的截面积，需要消耗大量的钢材。

2.在索膜结构的屋盖搭建的时候，需要同时调整位置、姿态、形状三个指标；由于其造型复杂，因此同时让这三个指标符合要求难度很高。

3.由于跨度大且屋盖刚度低于其他类型的建筑，因此在强风中易变形。

发明内容

本发明提供一种节约材料且抗风的索膜结构建筑及其施工方法。

解决的技术问题是：现有的索膜结构建筑，1.其支撑柱需要抗弯，因此要求有很大的截面积；2.修建时需要同时使其位置、姿态、形状符合要求，难度高；3.强风中易变形。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种节约材料且抗风的索膜结构建筑，设置在基座上，包括索膜屋盖以及用于支撑索膜屋盖的支撑柱，所述支撑柱上下两端分别通过球铰与索膜屋盖及基座连接；

所述索膜屋盖与基座之间还设置有用于阻止索膜屋盖发生摇摆的限摆索。

进一步，所述屋盖包括多个垂直于索膜屋盖长度方向且沿索膜屋盖长度方向间隔设置的单元梁，以及多个自索膜屋盖一端延伸到另一端并将各单元梁连为一体的连梁，所述单元梁与连梁相互交叉并固定连接组成网格状的屋盖骨架，各网格中分别设置有用于填充网格的薄膜以及用于维持网格形状的屋盖张紧索。

进一步，基座上位于每个单元梁正下方的位置设置一根基梁，单元梁与基梁之间设置两个支撑柱，两个支撑柱下端分别与基座上的同一根基梁两端通过球铰连接，每个单元梁与和其对应的支撑柱以及基梁围合成四边形框架；所述限摆索包括设置在各所述四边形框架的对角线位置、用于限制索膜屋盖向左右两侧摇摆的限摆交叉索，以及设置在各单元梁左右两侧并远离单元梁斜向下延伸的限摆斜索，同一单元梁上的各限摆斜索上端分别固定在单元梁与各连梁的交叉位置，相邻两个单元梁之间的限摆斜索的下端固定于同一位置。

进一步，每个所述基梁两端通过立柱架设在地基上，相邻两个基梁通过垂直于基梁的钢梁连为一体并形成矩形的框架，每个矩形框架内还设置用于固定限摆斜索下端的钢梁，矩形框架与其内部的钢梁固定连接为“田”字形，限摆斜索下端固定在“田”字的中心位置。

进一步，所述支撑柱为两端带有球头的梭形柱，所述单元梁及基梁上锚固有与支撑柱的球头相配合的球座。

进一步，所述索膜屋盖两端悬挑到基座范围外时，位于索膜屋盖两端悬挑部分下方的支撑柱记作端部柱，其余支撑柱记作中部柱，所述端部柱下端与相邻的中部柱下端固定连接为一体并共用同一个球头和球座。

一种节约材料且抗风的索膜结构建筑的施工方法，用于施工上述的一种节约材料且抗风的索膜结构建筑，并包括以下步骤：

步骤一：修建基座；

步骤二：修建用于临时支撑索膜屋盖的胎架，所述索膜屋盖左右两侧边沿位置的连梁记作被支撑梁，所述胎架设置在基座左右两侧，胎架顶部沿被支撑梁长度方向间隔设置有垂直于被支撑梁、用于在托住被支撑梁的同时不影响索膜屋盖形状及姿态调整的支撑梁；

步骤三：吊装单元梁与连梁并连为一体；同时安装屋盖张紧索与限摆索，屋盖张紧索与限摆索在本步骤处于松弛状态；

步骤四：完成限摆索的预应力张拉，使其索力均达到设计值，然后张紧屋盖张紧索；

步骤五：张拉完成后进行卸载，使索膜屋盖与胎架脱离，荷载落到支撑柱和限摆索上；

步骤六：铺设索膜屋盖中的薄膜。

进一步，步骤四中在进行张拉时，先张拉限摆斜索，再张拉限摆交叉索，最后张拉水平索；屋盖张紧索的张拉一次完成，且限摆索分级张拉完成。

进一步，同一种限摆索的张拉分三级进行；

在第一级张拉时，最先张拉建筑中部的拉索，张拉工作依次向建筑两端对称进行直到所有拉索均被张拉到30%的设计索力；

在第二级张拉时，最先张拉建筑两端的拉索，张拉工作自两端向建筑中部对称进行直到所有拉索均被张拉到70%的设计索力；

在第三级张拉时，最先张拉建筑中部的拉索，张拉工作依次向建筑两端对称进行直到所有拉索均被张拉到100%的设计索力。

进一步，步骤五中分三级进行卸载，每级使胎架降低10mm，卸载工作先自建筑中部依次向建筑两端对称进行第一级，然后自建筑两端依次向建筑中部对称进行第二级，最后自建筑中部依次向建筑两端对称进行第三级。

本发明一种节约材料且抗风的索膜结构建筑及其施工方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明中，通过把支撑柱全部换为上下端皆为球铰的摇摆柱（这里的摇摆柱跟一般的摇摆柱有区别，一般的摇摆柱通常只能在特定的一到两个方向上可以摇摆，这里无方向限制），然后在屋盖与基座之间设置限摆索来限制屋盖的摇摆，支撑柱只需承受轴向力（因为其一旦承受了垂直于支撑柱的力就会摇摆，且由于本发明中的支撑柱的摇摆方向无限制，因此可以摇摆到垂直于支撑柱的力为0），建筑的水平荷载由限摆索承载（拉索的承载效率极高，很少的钢材制成的拉索即可承受很大的拉力），支撑柱无需抗弯，其横截面可大幅缩减，显著节约钢材。

本发明中，在屋盖的骨架搭建完成后，由于支撑柱及胎架只限制了屋盖的位置，不限制屋盖的姿态变化及形变，同时所有的拉索均未张紧，因此在屋盖骨架搭建完成后，依然可以调整整个屋盖的姿态和形状，从而无需同时把屋盖的位置、姿态、形状调到符合要求的程度，而是可以分开进行，显著降低了施工难度；同时本发明中后续屋盖的姿态和形状调整，不是通过移动屋盖的骨架来进行的，而是通过对限摆索进行张拉进行的（本发明中的屋盖骨架类似于弓臂，而限摆索作用类似于弓弦，将屋盖骨架张拉到特定的形状和姿态，然后再张紧屋盖张紧索使屋盖形状被固定住），只需把限摆索的索力张拉到设计值即可，难度极低（因为调节和测量均十分容易）。

本发明中，由于水平荷载由限摆索承受，而限摆索是允许被拉长缩短的（预应力拉索是可以发生弹性形变的），在建筑承受横风的时候，限摆索通过反复伸缩来使整个建筑可以像不倒翁那样借助轻微的摆动使风能被耗散，而不是让建筑靠自身刚度硬抗大风，从而避免建筑被风吹变形。

附图说明

图1为本发明一种节约材料且抗风的索膜结构建筑的结构示意图一；图中包含4根连梁，8根单元梁；

图2为图1去掉屋盖张紧索后的图；以方便辨认限摆索；

图3为本发明一种节约材料且抗风的索膜结构建筑的结构示意图二；

1-索膜屋盖，11-单元梁，12-连梁，13-屋盖张紧索，2-支撑柱，31-限摆交叉索，32-限摆斜索，4-基座，41-基梁。

具体实施方式

以一个采用了本发明中的技术方案的足球场看台罩棚为例，如图1-3所示，一种节约材料且抗风的索膜结构建筑，设置在基座4上，包括索膜屋盖1以及用于支撑索膜屋盖1的支撑柱2，支撑柱2上下两端分别通过球铰与索膜屋盖1及基座4连接；

索膜屋盖1与基座4之间还设置有用于阻止索膜屋盖1发生摇摆的限摆索。

注意这里支撑柱2全为摇摆柱的结构，只能适用于索膜结构这种非常轻的建筑结构中，其它类型的建筑中有时候也会设置一些摇摆柱，但不能全部都换成摇摆柱，必须有大量的刚接柱作为受力主体。因为摇摆柱端部结构相对比较脆弱，而本发明中这种球铰更加脆弱，如果摇摆柱承受的力过大，那么球铰的球头就无法待在球座中，而是会脱离出来，或者直接使球座被捅破。这里的球铰类似于人体的关节，属于肢体的薄弱处，在承受的力远未达到使人骨折的程度前，往往就会导致关节脱臼。

屋盖包括多个垂直于索膜屋盖1长度方向且沿索膜屋盖1长度方向间隔设置的单元梁11，以及多个自索膜屋盖1一端延伸到另一端并将各单元梁11连为一体的连梁12，单元梁11与连梁12相互交叉并固定连接组成网格状的屋盖骨架，各网格中分别设置有用于填充网格的薄膜以及用于维持网格形状的屋盖张紧索13。

这里屋盖骨架类似于一张弓的弓臂，其形状由连梁12赋予，而单元梁11维持着这个形状并作为安装各种支撑构件的支点。

基座4上位于每个单元梁11正下方的位置设置一根基梁41，单元梁11与基梁41之间设置两个支撑柱2，两个支撑柱2下端分别与基座4上的同一根基梁41两端通过球铰连接，每个单元梁11与和其对应的支撑柱2以及基梁41围合成四边形框架；限摆索包括设置在各四边形框架的对角线位置、用于限制索膜屋盖1向左右两侧摇摆的限摆交叉索31，以及设置在各单元梁11左右两侧并远离单元梁11斜向下延伸的限摆斜索32，同一单元梁11上的各限摆斜索32上端分别固定在单元梁11与各连梁12的交叉位置，相邻两个单元梁11之间的限摆斜索32的下端固定于同一位置。

这里限摆交叉索31锁定了四边形框架的形状，让四边形框架像一个硬板一样形状固定，但这个四边形框架依然会倒，因此再设置限摆斜索32来让这个“硬板”不会倒，多个不会倒的“硬板”便能够稳稳托着索膜屋盖1，使之不会摇摆。

每个基梁41两端通过立柱架设在地基上，相邻两个基梁41通过垂直于基梁41的钢梁连为一体并形成矩形的框架，每个矩形框架内还设置用于固定限摆斜索32下端的钢梁，矩形框架与其内部的钢梁固定连接为“田”字形，限摆斜索32下端固定在“田”字的中心位置。

本实施例中的建筑是一个足球训练场的看台罩棚，索膜屋盖1长度方向左右两侧并不对称，而是一边大一边小，较大的一侧下方用来摆放阶梯看台，需要较高的连续空间以确保视野足够且能够摆下阶梯看台。因此这里基座4面积较小，索膜屋盖1的大部分面积悬挑在基座4范围外。

支撑柱2为两端带有球头的梭形柱，单元梁11及基梁41上锚固有与支撑柱2的球头相配合的球座。梭形柱与球绞相配合，使所需的球头体积减小。

索膜屋盖1两端悬挑到基座4范围外时，位于索膜屋盖1两端悬挑部分下方的支撑柱2记作端部柱，其余支撑柱2记作中部柱，端部柱下端与相邻的中部柱下端固定连接为一体。

这部分悬挑的索膜屋盖1下方无法设置限摆索，因此使其与和其最近的支撑柱2组成三角框架，在和其最近的支撑柱2无法摇摆后，这部分的支撑柱2也便无法摇摆了。同时，索膜屋盖1端部这里属于易扭转易变形区域，这里的三角框架可抑制扭转变形。

一种节约材料且抗风的索膜结构建筑的施工方法，用于施工上述的一种节约材料且抗风的索膜结构建筑，并包括以下步骤：

步骤一：修建基座4；注意这里的基座4下方是有地基等结构的，用来抗倾覆。

步骤二：修建用于临时支撑索膜屋盖1的胎架，索膜屋盖1左右两侧边沿位置的连梁12记作被支撑梁，胎架设置在基座4左右两侧，胎架顶部沿被支撑梁长度方向间隔设置有垂直于被支撑梁、用于在托住被支撑梁的同时不影响索膜屋盖1形状及姿态调整的支撑梁；

也就是说这里的胎架对索膜屋盖1的支撑是点支撑，不会限制其姿态变化及形变；注意这里的被支撑梁由于较长且需要集中受力，因此需要进行补强。本实施例中被支撑梁为工字钢梁，工字钢梁上沿长度方向间隔设置有多个垂直于腹板的中隔板来进行补强。

步骤三：吊装单元梁11与连梁12并连为一体；同时安装屋盖张紧索13与限摆索，屋盖张紧索13与限摆索在本步骤处于松弛状态。

步骤四：完成限摆索的预应力张拉，使其索力均达到设计值，然后张紧屋盖张紧索13；

这里限摆索的索力在设计时借助模拟求取，通过在模拟软件中把屋盖骨架弯成所需的形状和姿态，然后安装限摆索并求取限摆索的应力，即为索力的设计值；在施工的时候，把各限摆索的索力拉到设计值之后，屋盖骨架形状和姿态便为所需。在张拉的时候，张拉设备向限摆索施加的力可以比索力设计值大3%，以克服损耗并确保张拉到位。而屋盖张紧索13的索力没有特定的要求，因为屋盖张紧索13主要起到形状锁定作用，张紧即可。

步骤五：张拉完成后进行卸载，使索膜屋盖1与胎架脱离，荷载落到支撑柱2和限摆索上；这里的卸载过程也就是钢结构建筑中常见的换撑过程，让建筑的荷载由临时支撑结构上换到永久性的支撑结构上，实现的方式有很多种，通常通过截断临时支撑结构中的特定支撑架来逐渐降低临时支撑结构或者是利用千斤顶逐渐降低临时支撑结构实现，具体选用哪种，根据施工需求自由选取。

步骤六：铺设索膜屋盖1中的薄膜。

步骤四中在进行张拉时，先张拉限摆斜索32(因为屋盖在这一方向上摇摆幅度大，所以先于限摆交叉索31进行张拉)，再张拉限摆交叉索31，最后张拉水平索(起锁定索膜屋盖1形状作用)。

限摆索分级张拉完成。在限摆索张拉过程中，要时刻监视索膜屋盖1的形变及位移，一旦出现异常形变异常位移，要立刻进行调整。分级张拉的话，每次张拉索膜屋盖1的形变及位移小，不易出现异常变形。

而屋盖张紧索13的张拉可一次完成，因为它只是起到锁定作用，不需要把索膜屋盖1拉变形。

同一种限摆索的张拉分三级进行；

在第一级张拉时，最先张拉建筑中部的拉索，张拉工作依次向建筑两端对称进行直到所有拉索均被张拉到30%的设计索力；

在第二级张拉时，最先张拉建筑两端的拉索，张拉工作自两端向建筑中部对称进行直到所有拉索均被张拉到70%的设计索力；

在第三级张拉时，最先张拉建筑中部的拉索，张拉工作依次向建筑两端对称进行直到所有拉索均被张拉到100%的设计索力。

由于张拉设备的数量是有限的，一次只能张拉有限几根拉索，不能同步对所有的拉索进行张拉，而本实施例中的索膜屋盖1是比较细长的，容易因为张拉不均匀而造成局部出现异常变形。因此这里选用这种对称张拉的方式来克服这种状况，同时使张拉过程中施工人员的行进路径是连续的(从中间到两端，然后两端到中间，最后中间到两端)。

步骤五中分三级进行卸载，每级使胎架降低10mm，卸载工作先自建筑中部依次向建筑两端对称进行第一级，然后自建筑两端依次向建筑中部对称进行第二级，最后自建筑中部依次向建筑两端对称进行第三级。

这里卸载过程中如此操作的目的与张拉过程相同，同样是为无法同步降低所有胎架的高度而采取的补偿措施。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种节约材料且抗风的索膜结构建筑，设置在基座（4）上，包括索膜屋盖（1）以及用于支撑索膜屋盖（1）的支撑柱（2），其特征在于：所述支撑柱（2）上下两端分别通过球铰与索膜屋盖（1）及基座（4）连接；

所述索膜屋盖（1）与基座（4）之间还设置有用于阻止索膜屋盖（1）发生摇摆的限摆索。

2.根据权利要求1所述的一种节约材料且抗风的索膜结构建筑，其特征在于：所述屋盖包括多个垂直于索膜屋盖（1）长度方向且沿索膜屋盖（1）长度方向间隔设置的单元梁（11），以及多个自索膜屋盖（1）一端延伸到另一端并将各单元梁（11）连为一体的连梁（12），所述单元梁（11）与连梁（12）相互交叉并固定连接组成网格状的屋盖骨架，各网格中分别设置有用于填充网格的薄膜以及用于维持网格形状的屋盖张紧索（13）。

3.根据权利要求2所述的一种节约材料且抗风的索膜结构建筑，其特征在于：基座（4）上位于每个单元梁（11）正下方的位置设置一根基梁（41），单元梁（11）与基梁（41）之间设置两个支撑柱（2），两个支撑柱（2）下端分别与基座（4）上的同一根基梁（41）两端通过球铰连接，每个单元梁（11）与和其对应的支撑柱（2）以及基梁（41）围合成四边形框架；所述限摆索包括设置在各所述四边形框架的对角线位置、用于限制索膜屋盖（1）向左右两侧摇摆的限摆交叉索（31），以及设置在各单元梁（11）左右两侧并远离单元梁（11）斜向下延伸的限摆斜索（32），同一单元梁（11）上的各限摆斜索（32）上端分别固定在单元梁（11）与各连梁（12）的交叉位置，相邻两个单元梁（11）之间的限摆斜索（32）的下端固定于同一位置。

4.根据权利要求3所述的一种节约材料且抗风的索膜结构建筑，其特征在于：每个所述基梁（41）两端通过立柱架设在地基上，相邻两个基梁（41）通过垂直于基梁（41）的钢梁连为一体并形成矩形的框架，每个矩形框架内还设置用于固定限摆斜索（32）下端的钢梁，矩形框架与其内部的钢梁固定连接为“田”字形，限摆斜索（32）下端固定在“田”字的中心位置。

5.根据权利要求3所述的一种节约材料且抗风的索膜结构建筑，其特征在于：所述支撑柱（2）为两端带有球头的梭形柱，所述单元梁（11）及基梁（41）上锚固有与支撑柱（2）的球头相配合的球座。

6.根据权利要求5所述的一种节约材料且抗风的索膜结构建筑，其特征在于：所述索膜屋盖（1）两端悬挑到基座（4）范围外时，位于索膜屋盖（1）两端悬挑部分下方的支撑柱（2）记作端部柱，其余支撑柱（2）记作中部柱，所述端部柱下端与相邻的中部柱下端固定连接为一体并共用同一个球头和球座。

7.一种节约材料且抗风的索膜结构建筑的施工方法，其特征在于：用于施工如权利要求3所述的一种节约材料且抗风的索膜结构建筑，并包括以下步骤：

步骤一：修建基座（4）；

步骤二：修建用于临时支撑索膜屋盖（1）的胎架，所述索膜屋盖（1）左右两侧边沿位置的连梁（12）记作被支撑梁，所述胎架设置在基座（4）左右两侧，胎架顶部沿被支撑梁长度方向间隔设置有垂直于被支撑梁、用于在托住被支撑梁的同时不影响索膜屋盖（1）形状及姿态调整的支撑梁；

步骤三：吊装单元梁（11）与连梁（12）并连为一体；同时安装屋盖张紧索（13）与限摆索，屋盖张紧索（13）与限摆索在本步骤处于松弛状态；

步骤四：完成限摆索的预应力张拉，使其索力均达到设计值，然后张紧屋盖张紧索（13）；

步骤五：张拉完成后进行卸载，使索膜屋盖（1）与胎架脱离，荷载落到支撑柱（2）和限摆索上；

步骤六：铺设索膜屋盖（1）中的薄膜。

8.根据权利要求7所述的一种节约材料且抗风的索膜结构建筑的施工方法，其特征在于：步骤四中在进行张拉时，先张拉限摆斜索（32），再张拉限摆交叉索（31），最后张拉水平索；屋盖张紧索（13）的张拉一次完成，且限摆索分级张拉完成。

9.根据权利要求8所述的一种节约材料且抗风的索膜结构建筑的施工方法，其特征在于：同一种限摆索的张拉分三级进行；

在第一级张拉时，最先张拉建筑中部的拉索，张拉工作依次向建筑两端对称进行直到所有拉索均被张拉到30%的设计索力；

在第二级张拉时，最先张拉建筑两端的拉索，张拉工作自两端向建筑中部对称进行直到所有拉索均被张拉到70%的设计索力；

在第三级张拉时，最先张拉建筑中部的拉索，张拉工作依次向建筑两端对称进行直到所有拉索均被张拉到100%的设计索力。

10.根据权利要求7所述的一种节约材料且抗风的索膜结构建筑的施工方法，其特征在于：步骤五中分三级进行卸载，每级使胎架降低10mm，卸载工作先自建筑中部依次向建筑两端对称进行第一级，然后自建筑两端依次向建筑中部对称进行第二级，最后自建筑中部依次向建筑两端对称进行第三级。

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