一种自平衡伞壳体系及形成方法与流程

1.本发明涉及建筑工程技术领域，尤其涉及一种自平衡伞壳体系及形成方法。


背景技术：

2.随着社会经济和工程技术的发展，人们对建筑造型的要求越来越高，伞壳结构由于造型优美、布局灵活，被广泛应用于广场、室外展览馆等有外观造型需求及大空间需求的室外公共建筑。
3.伞壳体系由多个伞壳结构通过连接组合形成，但现有的连接形式较为复杂，难以实现标准化、模块化生产加工，导致多个伞壳难以实现灵活、自由组合。
4.另外，现有用于景观造型的伞壳结构，其直径一般小于20米，且其屋面做法一般为轻型屋面，如：膜屋面、金属屋面等，外荷载较小。而随着社会经济和工程技术的发展，人们对能够起到遮蔽作用的建筑物的造型及功能要求也越来越高，例如，能够承担水屋面、种植屋面等重型屋面做法，同时能够覆盖更大面积区域的伞壳体系。这就需要伞壳体系的整体平面尺寸较大，要求单个伞壳结构的尺寸较大，且具备更好的承载能力。而现有的伞壳体系或伞壳结构无法满足上述要求。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种自平衡伞壳体系及形成方法，用以解决现有技术中没有尺寸较大并且能够满足重型屋面做法的伞壳结构，因而无法满足人们对能够起到遮蔽作用的建筑物的造型及功能需求的问题。
6.本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
7.一方面，本发明提供了一种自平衡伞壳体系，包括自平衡伞壳结构和连接网格；所述自平衡伞壳结构通过所述连接网格连接。
8.可选地，所述连接网格包括第一连接网格；所述自平衡伞壳结构为两个，所述两个自平衡伞壳结构通过所述第一连接网格连接。
9.可选地，所述连接网格还包括第二连接网格，所述自平衡伞壳结构为三个，所述三个自平衡伞壳结构以中心对称的方式布设，并通过所述第一连接网格和所述第二连接网格连接。
10.可选地，所述连接网格还包括第三连接网格，所述自平衡伞壳结构为三个，所述三个自平衡伞壳结构以轴对称的方式布设，并通过所述第一连接网格和所述第三连接网格连接。
11.可选地，所述第一连接网格包括五根弦杆、一根撑杆和四根拉杆，所述弦杆、所述撑杆和所述拉杆相贯连接。
12.可选地，所述弦杆、所述撑杆和所述拉杆均为不锈钢材质。
13.可选地，所述第二连接网格包括三根弦杆，所述弦杆相贯连接。
14.可选地，所述第三连接网格包括十根弦杆、三根撑杆和十根拉杆，所述弦杆、所述
撑杆和所述拉杆相贯连接。
15.可选地，所述自平衡伞壳结构，包括立柱、多根主肋杆、多根次肋杆、多根外环杆和多根支杆。
16.另一方面，本发明还提供了一种自平衡伞壳体系的形成方法，用于形成上述的自平衡伞壳体系，包括如下步骤：
17.步骤1：根据建筑场地要求，确定自平衡伞壳结构的尺寸及多个自平衡伞壳结构的组合方式；
18.步骤2：制作自平衡伞壳结构；
19.步骤3：将多个自平衡伞壳结构通过连接网格连接，得到自平衡伞壳体系。
20.可选地，所述多根主肋杆和所述多根次肋杆相交形成交点，所述主肋杆和所述次肋杆间隔设置；每根所述外环杆的两端分别与相邻的所述主肋杆和所述次肋杆连接形成闭环，构成伞壳单元；所述支杆位于所述闭环内，用于保持所述伞壳单元的稳定性；所述立柱的一端与所述交点连接，另一端与基础连接。
21.可选地，间隔设置的所述主肋杆和所述次肋杆将所述自平衡伞壳结构的水平投影圆面等分。
22.可选地，所述支杆的一端与所述主肋杆连接，另一端与所述次肋杆连接。
23.可选地，所述支杆在所述闭环内倾斜设置。
24.可选地，所述支杆包括第一环支杆、第二环支杆和第三环支杆；所述自平衡伞壳结构包括六根主肋杆、六根次肋杆、十二根第一环支杆、二十四根第二环支杆、二十四根第三环支杆和十二根外环杆；所述十二根第一环支杆依次首尾相接，所述十二根外环杆依次首尾相接；所述二十四根第二环支杆分为两组，每组内的十二根第二环支杆依次首尾相接；所述二十四根第三环支杆分为两组，每组内的十二根第三环支杆依次首尾相接。
25.可选地，每个所述伞壳单元包括一根第一环支杆、两根第二环支杆和两根第三环支杆；每个所述伞壳单元内，所述第一环支杆、所述第二环支杆和所述第三环支杆的两端均分别与所述主肋杆和所述次肋杆连接，且所述两根第二环支杆和所述两根第三环支杆分别交叉设置；所述第一环支杆位于靠近所述主肋杆和所述次肋杆的相接处，所述第二环支杆位于所述第一环支杆和所述第三环支杆之间。
26.可选地，每个所述伞壳单元内，所述第一环支杆的一端与所述次肋杆连接，另一端与所述主肋杆上的第一相接点连接；一根所述第二环支杆的一端与所述第一相接点连接，另一端与所述次肋杆上的第二相接点连接；另一根所述第二环支杆的一端与所述次肋杆连接，另一端与所述主肋杆上的第三相接点连接；一根所述第三环支杆的一端与所述第三相接点连接，另一端与次肋杆和外环杆的相接处连接；另一根所述第三环支杆的一端与所述第二相接点连接，另一端与所述主肋杆和所述外环杆的相接处连接。
27.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
28.(1)本发明的伞壳结构能够充分发挥空间壳的受力特性，即伞壳结构主要通过壳面内传力路径进行荷载传递，能够充分发挥空间壳作用，受力合理；伞壳壳面自重及外荷载最终经由主肋杆及次肋杆向中心汇集至立柱，再经由立柱传递至基础，极大提高了伞壳结构的稳定性和使用寿命，使得本发明的伞壳结构能够满足20米以上的伞壳单元的承载力和受力要求。
29.(2)本发明的伞壳结构通过找形确定伞壳形状，能够充分发挥空间壳的受力特性，即伞壳结构主要通过壳面内传力路径进行荷载传递，设计荷载下弯矩产生的应力占比小于15％，一方面，极大提高了伞壳结构的整体稳定性，另一方面，使得本发明的伞壳结构采用较小截面积、较薄壁厚的杆件就能满足直径20米以上及重型屋面做法的承载力要求。
30.(3)本发明通过主肋杆与次肋杆的交替布置、不同位置支杆的单斜及交叉布置改善伞壳结构的受力性能以降低杆件的截面尺寸，并形成有韵律的网格形式以改善造型观感。
31.(4)在竖直向下的外荷载作用下，伞壳结构主肋杆及次肋杆端部会产生水平不平衡推力，本发明通过设置外环杆，并通过将外环杆与主肋杆和次肋杆连接形成闭环，能够平衡主肋杆及次肋杆端部产生的水平不平衡推力，形成自平衡体系，提高了整个伞壳结构的稳定性。
32.(5)由于本发明特定的伞壳结构以及特定的伞壳结构的组合形式，形成了多个伞壳结构连接处特定的结构形式，本发明针对多个伞壳结构连接处特定的结构形式设置了不同的连接网格(例如第一连接网格、第二连接网格和第三连接网格)，能够实现多个伞壳结构的灵活、自由组合，连接网格形式简单，且由于不同组合方式均以单个伞壳结构作为基本单元，因而能够实现标准化、模块化生产加工。
33.(6)本发明各组成构件(主肋杆、次肋杆、外环杆、支杆和连接网格(弦杆、撑杆、拉杆))采用全不锈钢材料进行加工。不锈钢材料的应用可以免除喷涂防腐涂料，保留了结构的金属观感，并能显著降低结构碳排放。
34.(7)本发明的伞壳结构，当建筑造型或功能要求设置屋面系统时，支杆与支杆相交位置、支杆与肋杆(包括主肋杆和次肋杆)相交位置、肋杆(包括主肋杆和次肋杆)与外环杆相交位置等形成的节点均具备屋面系统生根条件，从而扩大该伞壳结构的应用范围。
35.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
36.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
37.图1为本发明的自平衡伞壳结构俯视图；
38.图2为图1中a处的局部放大图；
39.图3为本发明的自平衡伞壳结构左视图；
40.图4为本发明的自平衡伞壳结构轴测图；
41.图5为主肋杆在水平面上投影后的图；
42.图6为次肋杆在水平面上投影后的图；
43.图7为第一环支杆在水平面上投影后的图；
44.图8为第二环支杆在水平面上投影后的图；
45.图9为第三环支杆在水平面上投影后的图；
46.图10为外环杆在水平面上投影后的图；
47.图11为两个伞壳结构组合后的结构示意图；
48.图12为图11中第一连接网格的结构示意图；
49.图13为图11中第一连接网格的a-a向视图；
50.图14为图11中第一连接网格的b-b向视图；
51.图15为三个伞壳结构以中心对称方式组合后的结构示意图；
52.图16为图15中第二连接网格的结构示意图；
53.图17为三个伞壳结构以轴对称方式组合后的结构示意图；
54.图18为图17中第三连接网格的结构示意图；
55.图19为图17中第三连接网格的a-a向视图；
56.图20为图17中第三连接网格的b-b向视图；
57.图21为图17中第三连接网格的c-c向视图。
58.附图标记：
59.1-主肋杆，2-次肋杆，3-第一环支杆，4-第二环支杆，5-第三环支杆， 6-外环杆，7-立柱，8-伞壳单元，9-第一连接网格，10-第二连接网格，11
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第三连接网格，12-弦杆，13-撑杆，14-拉杆。
具体实施方式
60.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
61.实施例一
62.如图1-图4所示，本发明的一个具体实施例，公开了一种自平衡伞壳结构，包括多根主肋杆1、多根次肋杆2、多根外环杆6、多根支杆和立柱7。
63.参见图1，多根主肋杆1和多根次肋杆2相交形成交点，主肋杆1和次肋杆2间隔设置。
64.参见图2，每根外环杆6的两端分别与相邻的主肋杆1和次肋杆2连接形成伞壳单元8。支杆位于伞壳单元8内，用于保持伞壳单元8的稳定性。伞壳单元8呈闭环。
65.如图3和图4所示，立柱7的一端与交点固定连接，另一端与基础 (例如地面)连接，以支撑多个伞壳单元8。
66.在一种优选的实施方式中，支杆的一端与主肋杆1连接，另一端与次肋杆2连接。
67.具体而言，支杆在伞壳单元8内倾斜设置。倾斜设置是指支杆相对于外环杆6倾斜设置，即支杆不平行于外环杆6。
68.如图1所示，本实施例的自平衡伞壳结构中，间隔设置的主肋杆和次肋杆在水平投影面上的投影将伞壳结构的水平投影圆面等分。多根主肋杆、多根次肋杆、多根第一环支杆、多根第二环支杆、多根第三环支杆以及多根外环杆在水平面上的投影分别如图5-图10所示。
69.进一步地，支杆包括第一环支杆3、第二环支杆4和第三环支杆5。
70.在一种优选的实施方式中，本实施例的自平衡伞壳结构主肋杆、次肋杆、第一环支杆、第二环支杆、第三环支杆和外环杆的数量分别为六根、六根、十二根、二十四根、二十四根和十二根。
71.十二根第一环支杆3依次首尾相接，十二根外环杆6依次首尾相接。二十四根第二环支杆4分为两组，每组内的十二根第二环支杆4依次首尾相接。二十四根第三环支杆5分为两组，每组内的十二根第三环支杆5 依次首尾相接。
72.本实施例中，伞壳结构的水平投影圆面的直径(即伞壳的外径)为21米。间隔设置的六根主肋杆和六根次肋杆将伞壳结构的水平投影圆面十二等分，即12个伞壳单元。
73.每个伞壳单元包括一根第一环支杆3、两根第二环支杆4和两根第三环支杆5。
74.每个伞壳单元内，第一环支杆3、第二环支杆4和第三环支杆5的两端均分别与主肋杆1和次肋杆2连接，且两根第二环支杆4和两根第三环支杆5分别交叉设置；第一环支杆到主肋杆和次肋杆的相接处的距离小于第一环支杆到外环杆的距离，即第一环支杆3位于靠近主肋杆和次肋杆的相接处，第二环支杆4位于第一环支杆3和第三环支杆5之间。
75.在一种优选的实施方式中，第一环支杆的一端与次肋杆连接，另一端与主肋杆上的第一相接点连接。
76.一根第二环支杆的一端与主肋杆上的第一相接点连接，另一端与次肋杆上的第二相接点连接。另一根第二环支杆的一端与次肋杆连接，另一端与主肋杆上的第三相接点连接。
77.一根第三环支杆的一端与主肋杆上的第三相接点连接，另一端与次肋杆和外环杆的相接处连接。另一根第三环支杆的一端与次肋杆上的第二相接点连接，另一端与主肋杆和外环杆的相接处连接。
78.需要说明的是，本实施例的各组成构件(主肋杆、次肋杆、外环杆、支杆和连接网格(弦杆、撑杆、拉杆))采用全不锈钢材料进行加工。不锈钢材料的应用可以免除喷涂防腐涂料，既保留了结构的金属观感，又能显著降低结构碳排放。
79.实施例二
80.如图11-图14所示，本发明的另一个具体实施例，公开了一种可灵活组合的不锈钢自平衡伞壳体系，包括两个实施例一的自平衡伞壳结构和第一连接网格9。两个自平衡伞壳结构通过两个第一连接网格9连接。
81.如图12所示，第一连接网格9包括五根弦杆12、一根撑杆13和四根拉杆14，各杆件相贯连接。
82.实施例三
83.如图15所示，本发明的又一个具体实施例，公开了一种可灵活组合的不锈钢自平衡伞壳体系，包括三个实施例一的自平衡伞壳结构、三个第一连接网格9和一个第二连接网格10。
84.三个自平衡伞壳结构以中心对称的方式布设，相邻的自平衡伞壳结构通过第一连接网格9连接，三个自平衡伞壳结构的对称中心处设有第二连接网格10，通过一个第二连接网格10将三个自平衡伞壳结构连接在一起。
85.如图16所示，第二连接网格10包括三根弦杆12，各杆件相贯连接。
86.实施例四
87.如图17所示，本发明的又一个具体实施例，公开了一种可灵活组合的不锈钢自平衡伞壳体系，包括三个实施例一的自平衡伞壳结构、两个第一连接网格9和一个第三连接网格11。
88.三个自平衡伞壳结构以轴对称的方式布设，相邻的两个自平衡伞壳结构的上端分别通过两个第一连接网格连接，三个自平衡伞壳结构的下端通过一个第三连接网格连接。
89.如图18-图21所示，第三连接网格包括十根弦杆12、三根撑杆13 和十根拉杆14，各杆件相贯连接。
90.实施例五
91.本发明的又一个具体实施例，还公开了一种自平衡伞壳体系的形成方法，用于形成实施例二至四的自平衡伞壳体系，包括如下步骤：
92.步骤1：根据建筑场地要求，确定自平衡伞壳结构的尺寸及多个自平衡伞壳结构的组合方式。
93.为了充分发挥空间壳的受力特性(即外荷载作用下主要传力路径为壳面内传力)，自平衡伞壳形状通过下列方法确定，具体过程如下：
94.步骤11：确定建筑边界条件及标高要求；
95.步骤12：建立找形初始模型，该初始模型为一平面单壳，其各节点坐标由伞壳结构在水平面投影确定；
96.步骤13：将外荷载以节点荷载的形式竖直向上施加至初始模型各节点，进而调整模型材料弹性模量进行非线性分析，直至控制节点的标高满足建筑要求，记录此时各节点不平衡位移(即找形后节点与建筑设计节点在水平方向的偏离值)；
97.步骤14：将不平衡位移反向施加至初始模型，并重新进行步骤13，直至找形后节点的不平衡位移小于设定的容差值，记录最终的找形后各节点坐标。
98.步骤2：形成自平衡伞壳结构，具体包括如下步骤：
99.步骤21：固定立柱，并以立柱的顶端为中心，均匀地、呈放射状地向外延伸出多根主肋杆，在相邻的主肋杆形成的壳面内等分地设置次肋杆。具体包括如下步骤：
100.以立柱的顶端为中心，均匀地、呈放射状地向外延伸出6根主肋杆，形成伞壳结构的主体骨架；在相邻主肋杆形成的壳面内等分的设置次肋杆，以改善结构受力，共计有6根次肋杆。主肋杆与次肋杆依次间隔设置，6根主肋杆及6根次肋杆将伞壳结构的水平投影圆面12等分。
101.步骤22：在相邻的主肋杆与次肋杆间设置支杆。具体包括如下步骤：
102.在相邻主肋杆与次肋杆间设置三组支杆(按照距离立柱顶端的远近依次命名为第一环支杆、第二环支杆及第三环支杆)以形成伞壳结构壳面，其中第一环支杆(共12根)呈单斜布置，第二环支杆(共24根) 及第三环支杆(共24根)呈双杆交叉布置。
103.步骤23：将外环杆的两端分别与相邻的述主肋杆和次肋杆连接形成闭环，构成伞壳单元，得到自平衡伞壳结构。具体包括如下步骤：
104.在伞壳结构的最外圈以闭环形式设置12根较粗壮的外环杆以平衡竖向荷载作用下主、次肋杆端部的外推力，形成自平衡体系。
105.其中，主肋杆1、次肋杆2、第一环支杆3、第二环支杆4、第三环支杆5、外环杆6、立柱7各部分杆件截面规格，应参照现行相关规范、规程gb 50017及jgj 7相关规定，分别根据外荷载条件从承载力及刚度两个角度进行计算确定，各类杆件的截面形式可根据设计外观需求采用矩形管、圆管、椭圆管、箱型管等。
106.具体地，本实施例中主肋杆1为矩形管(横截面为矩形)，次肋杆、外环杆、第一环支
杆、第二环支杆和第三环支杆均为椭圆管(横截面为椭圆形)。矩形管的尺寸长
×
宽
×
壁厚为300mm
×
200mm
×
8mm。次肋杆的尺寸长轴
×
短轴
×
壁厚为220mm
×
150mm
×
8mm。外环杆的尺寸长轴
×
短轴
×
壁厚为230mm
×
150mm
×
12mm。第一环支杆、第二环支杆和第三环支杆的尺寸长轴
×
短轴
×
壁厚为180mm
×
100mm
×
4mm。
107.另外，主肋杆1、次肋杆2、第一环支杆3、第二环支杆4、第三环支杆5及外环杆6可采用相贯节点的形式进行连接，节点强度应满足现行相关规范、规程gb 50017的要求，若存在强度不足的情况可采取加设肋板、局部加强杆件等措施进行节点域加强。
108.此外，由主肋杆1、次肋杆2、第一环支杆3、第二环支杆4、第三环支杆5、外环杆6组成的伞壳与立柱7的连接可根据设计外观需求采用球节点、鼓式节点等，节点强度应满足现行相关规范、规程gb 50017的要求。
109.步骤3：将步骤2得到的多个伞壳结构通过连接网格连接，得到自平衡伞壳体系。具体包括如下步骤：
110.如图11所示，当将两个自平衡伞壳结构组合时，通过两个第一连接网格将两个自平衡伞壳结构连接。
111.如图15所示，当将三个自平衡伞壳结构以中心对称的方式时，采用三个第二连接网格和一个第二连接网格将三个自平衡伞壳结构连接在一起。
112.如图17所示，当将三个自平衡伞壳结构以轴对称的方式时，采用两个第一连接网格将相邻的两个自平衡伞壳结构分别连接，并且采用一个第三连接网格将三个自平衡伞壳结构连接。
113.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。