本發(fā)明涉及一種具有基于剛性屋面板的折疊柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，特別是一種具有四塊剛性板折疊單元的可展開柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

折疊結(jié)構(gòu)頂符合當(dāng)代建筑理念，是大跨空間結(jié)構(gòu)的一個主要發(fā)展趨勢，它越來越受到人們的青睞。折疊結(jié)構(gòu)因其具有工期短、易搬遷和可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，已引起了現(xiàn)代建筑師的極大興趣。但其在大跨結(jié)構(gòu)中使用較少，主要原因有：（1）折疊網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計一般比較復(fù)雜，目前尚缺乏構(gòu)造簡單且實(shí)用、造價低廉的適合工程應(yīng)用的節(jié)點(diǎn)設(shè)計；（2）折疊網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的構(gòu)件除受軸力外，還受一定彎矩，受力性能不佳，造價較高；（3）折疊網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的剛度很差，位移較難滿足使用要求。

只有可折疊柱面網(wǎng)殼而則會結(jié)構(gòu)剛度不足，若在柱面網(wǎng)殼上連接基本單元為四塊剛性板折疊單元的剛性屋面板則可以很好地提供剛度，即用折疊剛性板形成的板殼結(jié)構(gòu)作為下部折疊網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的屋面板。此外，相連的折疊剛性板在展開過程中可形成具有一定曲率的圓弧面，提供了較大的使用空間，使得此種模型可用于建造展覽館、帳篷等可供人們使用的場所，其優(yōu)越性在于該模型展開到某種狀態(tài)時，會形成具有一定跨度和矢高的體系。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決得技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、成本低且受力性好的可折疊柱面結(jié)構(gòu)，能較好地滿足臨時性建筑方便搭建和移動及大跨度建筑對折疊功能的要求，更加可以滿足結(jié)構(gòu)的剛度和使用舒適需求。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種具有四塊剛性板折疊單元的可展開柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，由上設(shè)有基于折紙的剛性屋面板的多榀折疊拱單元在長度方向連接構(gòu)成，其特征在于：所述每榀折疊拱單元由n個四棱錐基本單元沿著結(jié)構(gòu)跨度方向相連組成，n為≥2的自然數(shù)，所述四棱錐基本單元由四個正向折桿剪式單元組成，所述正向折桿剪式單元由兩根折桿組成，所述正向折桿剪式單元的兩根折桿之間上端的夾角大于下端的夾角，四個正向折桿剪式單元依次首尾通過端部節(jié)點(diǎn)連接成環(huán)狀，四個折桿剪式單元的中間節(jié)點(diǎn)位于同一平面內(nèi)，相鄰兩榀折疊拱單元之間采用反向折疊剪式單元連接，所述反向折桿剪式單元也由兩根折桿組成，所述反向折桿剪式單元的兩根折桿之間上端的夾角小于下端的夾角，反向折疊剪式單元的端部節(jié)點(diǎn)連接在所述每榀折疊拱單元沿結(jié)構(gòu)長度方向上的正向折疊剪式單元的端部節(jié)點(diǎn)上。所述的四棱錐基本單元上設(shè)有剛性屋面板單元，每個剛性屋面單元由4個四邊形板組成，所述四個平行四邊形板兩兩共線并相交于一頂點(diǎn)，按照逆時針分別為第一四邊形板、第二四邊形板、第三四邊形板和第四四邊形板，他們之間的公共邊分別為第一公共邊、第二公共邊、第三公共邊和第四公共邊；在運(yùn)動過程中，第一四邊形板、第二四邊形板和第三四邊形板、第四四邊形板是關(guān)于第二公共邊和第四公共邊形成的平面對稱的。

所述的第二公共邊、第三公共邊和第四公共邊為峰線，第一公共邊為谷線，相鄰的四邊形板沿著峰線向外折疊，沿著谷線向內(nèi)折疊，所述向外折疊是指相鄰的平行四邊形板的外法線之間的夾角變大，向內(nèi)折疊是指相鄰的平行四邊形板的內(nèi)法線之間的夾角變大。所述第一四邊形板在第一公共邊兩側(cè)的邊線與第一公共邊的夾角分別為第一夾角和第二夾角；所述第三四邊形板在第三公共邊兩側(cè)的邊線與第一公共邊的夾角分別為第三夾角和第四夾角；第一夾角和第四夾角互為補(bǔ)角，第二夾角與第三夾角互為補(bǔ)角；且第二夾角和第四夾角不相等。

所述折桿在中間節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的長度相等。

所述折桿為平面桿或空間結(jié)構(gòu)的桿件。

所述的四棱錐基本單元的上層4個節(jié)點(diǎn)與剛性屋面板單元最外圈的4個節(jié)點(diǎn)鉸接。

所述的第一四邊形板法線和第二四邊形板法線不應(yīng)平行，且其初始夾角應(yīng)大于等于10°。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)為單自由度體系，減小了驅(qū)動裝置的數(shù)量；另外，由于本發(fā)明構(gòu)成的構(gòu)件數(shù)遠(yuǎn)少于一般的折疊網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，因此給人們一種簡潔明快的效果，克服了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)感觀上桿件繁多凌亂的缺點(diǎn)；并通過其上剛性片使得結(jié)構(gòu)開合靈活，增加了結(jié)構(gòu)的剛度，結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單，設(shè)計和施工方便。

附圖說明

圖1為折桿剪式單示意圖；

圖2為四棱錐單元示意圖

圖3為折桿剪式單元正反相連示意圖；

圖4為剛性屋面完全展開示意圖；

圖5為一個剛性屋面板單元完全展開示意圖；

圖6為剛性屋面板單元及四棱錐單元相連示意圖：

圖7為整體示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，可折疊柱面網(wǎng)殼的基本單元是折桿剪式單元1。每個折桿剪式單元1由兩根折桿2組成，彎折處在折桿2中點(diǎn)，虛線為折桿剪式單元運(yùn)動界線。

四個折疊展開運(yùn)動方向相同的折桿剪式單元1通過環(huán)向相連組成一個可折疊展開的四棱錐單元3，如圖2所示。固定端部任意一個折桿剪式單元1，就形成了單自由度體系，可實(shí)現(xiàn)整體展開和折疊。確定結(jié)構(gòu)跨度后為避免幾何不相容折桿尺寸都通過做輔助線來確定。一個四棱錐單元3可認(rèn)為是以一個折桿剪式單元1為對象，該折桿剪式單元1折疊展開運(yùn)動中心為中心點(diǎn)環(huán)形陣列形成的。n個這樣的四棱錐單元3首尾相連，沿跨度方向環(huán)繞半個圓周組成一榀折疊拱單元4。正向折桿剪式單元11和一個反向折桿剪式單元12相連示意如圖3所示，沿結(jié)構(gòu)長度方向，相鄰折桿剪式單元運(yùn)動方向相反。每榀折疊拱單元間通過（n+1）個與折疊拱內(nèi)基本折桿剪式單元運(yùn)動方向相反的折桿剪式單元相連，就形成了可折疊柱面網(wǎng)殼5。

剛性屋面6開成平面如圖4所示。每個剛性屋面板單元7由四個四邊形板組成，所述四個平行四邊形7板兩兩共線并相交于一頂點(diǎn)，按照逆時針分別為第一四邊形板71、第二四邊形板72、第三四邊形板73和第四四邊形板74，它們之間的公共邊分別為第一公共邊75、第二公共邊76、第三公共邊77和第四公共邊78；在運(yùn)動過程中，第一四邊形板71、第二四邊形板72和第三四邊形板73、第四四邊形板74是關(guān)于第二公共邊76和第四公共邊78形成的平面對稱的。所述的第二公共邊76、第三公共邊77和第四公共邊78為峰線，第一公共邊75為谷線，相鄰的四邊形板7沿著峰線向外折疊，沿著谷線向內(nèi)折疊，所述向外折疊是指相鄰的平行四邊形板7的外法線之間的夾角變大，向內(nèi)折疊是指相鄰的平行四邊形板7的外法線之間的夾角變小。所述第一四邊形板71在第一公共邊75兩側(cè)的邊線與第一公共邊75的夾角分別為第一夾角79和第二夾角710；所述第三四邊形板73在第三公共邊77兩側(cè)的邊線與第一公共邊75的夾角分別為第三夾角711和第四夾角712；第一夾角79和第四夾角712互為補(bǔ)角，第二夾角710與第三夾角711互為補(bǔ)角；且第二夾角710和第四夾角712不相等。

折疊起來之后，跨度方向不同列剛性屋面板單元7之間按照一定的角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)排列，從而形成了具有一定曲率的圓弧面。而柱面網(wǎng)殼5長度方向上，剛性屋面板單元7每一行是平行的。所以體系在運(yùn)動過程中將形成柱面殼的構(gòu)形。將折起來的剛性屋面6與下部可折疊柱面網(wǎng)殼5相連，即每個四棱錐單元2上對應(yīng)一個剛性屋面板單元（與剛性屋面板單元最外圈的4個節(jié)點(diǎn)鉸接，如圖6所示），將每個子棱錐單元3上端的4個節(jié)點(diǎn)（31、32、33和34），參見圖2，分別與剛性屋面板單元最外圈的4個節(jié)點(diǎn)（713、714、715、和716）鉸接，如圖5。

整體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖7所示。從折疊到展開過程中模型的幾何形態(tài)有較大差別。