一种自体成型弹性杆空间曲面编织结构体系制造技术

一种自体成型弹性杆空间曲面编织结构体系，包括空间曲面的骨架结构，骨架结构包括一组弹性杆件，弹性杆件通过杆体之间弯曲相互编织穿插、杆体之间各个连接点的连接形成自体成型网格状的骨架结构，连接点为铰接连接或刚接连接，弹性杆件作为该骨架结构的受力构件以及空间曲面轮廓的形成构件。弹性杆件包括主体骨架，主体骨架包括单杆、双杆套合或多杆聚合三种形式，弹性杆件还包括发光装置，结构体系还包括围护结构。本实用新型专利技术使用弹性材料，整体结构重量较小，材料运输方便，结构的建造和移动都非常简便。受力合理杆件连接简洁明确，传力清晰，形成自体成型弹性杆空间曲面编织结构体系，具有造型简洁美观的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种自体成型弹性杆空间曲面编织结构体系
本技术涉及一种空间曲面结构体系，特别是一种利用连续弹性杆件编织的复杂空间曲面。
技术介绍
现有的空间曲面结构体系和建造方法一般包括：一、空间网壳结构：以杆件为基础，按一定规律组成网格，按壳体结构布置成空间构架，通过杆件之间拉压或剪力逐点传力。二、骨架结构：加工预制形状的骨架，并在骨架上辅以连结成为空间曲面的结构。三、张拉膜结构：依靠膜自身的张拉应力与支撑杆和拉索共同构成结构体系。四、钢或混凝土壳体结构：通过空间定位信息搭建木模板，再根据木模板的形状进行钢板的切割和拼装或者进行混凝土的浇筑。这些曲面结构体系和建造方法在施工复杂空间曲面结构体系的过程中均存在以下问题：一、张拉膜结构由于本身材料的性质限制，不能应用于复杂空间曲面的建造，可构建的曲面种类有限，且对材料的力学性能要求较高，同时空间精确定位作业困难，且往往需要高空作业，施工过程复杂。二、空间网壳结构和骨架结构在建造复杂曲面的过程中，都需要精确和繁琐的三维空间定位，根据曲面形态预先进行数控节点制作，建造过程工序复杂，在现场组装时对施工精度要求很高，还需要设计繁琐的支撑结构，占用了大量的使用空间影响了建筑的美观。材料成本和人工成本高。三、钢或混凝土壳体结构在建造复杂曲面的过程中，需根据曲面形态预制复杂的曲面模板以及通过三维定位搭建脚手架来建造空间曲面，然后再根据木模板的形状进行钢板的切割和拼装或者进行混凝土的浇灌，施工耗时，可重复性低，材料浪费大。特别是对于扭转程度较大的曲面，由于材料的限制，难以用混凝土结构等方式实现。四、若采用预制构件则由于结构的复杂性，会出现许多构件尺寸不同，需要每一块单独预制，不能标准化生产，生产周期长、效率低、成本高，施工质量难以保障，同时施工现场条件复杂，施工环境不佳，容易造成安装偏差以及构件损坏。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种自体成型弹性杆空间曲面编织结构体系及其施工方法，要解决现有施工复杂空间曲面结构体系材料加工困难，曲面形态实现程度低的技术问题；并解决在进行复杂曲面形态施工时，需根据空间定位信息确定构件的拼装和接驳方式，空间精确定位作业困难，高空作业，施工过程复杂的技术问题。为实现上述目的，本技术采用如下技术方案：一种自体成型弹性杆空间曲面编织结构体系，包括空间曲面的骨架结构，所述骨架结构包括一组连续、可弯曲的弹性杆件，所述弹性杆件的横截面外轮廓为圆形或者弧形，所述弹性杆件通过杆体之间弯曲相互编织穿插、杆体之间各个连接点的连接形成自体成型网格状的骨架结构，所述连接点为铰接连接或刚接连接，所述弹性杆件作为该骨架结构的受力构件以及空间曲面轮廓的形成构件。所述弹性杆件包括主体骨架，所述主体骨架包括单杆、双杆套合或多杆聚合三种形式，所述单杆包括第一骨架杆，所述第一骨架杆是管状杆或片状杆；所述双杆套合为内外双层嵌套的双层杆，双杆套合包括内层的第二骨架杆和外层的包覆管，所述第二骨架杆是管状杆或实心杆；所述多杆聚合为一组小截面杆通过捆扎协同受力连接组成大截面杆，多杆聚合包括外层的包覆管和一组第三骨架杆，所述第三骨架杆是管状杆或实心杆；所述主体骨架均允许光线通过，所述第一骨架杆、第二骨架杆、包覆管和第三骨架杆由FRP、PC、PE、PPR、碳纤维、玻璃纤维或竹材制成。所述弹性杆件还包括与主体骨架连接为一体的发光装置，所述发光装置包括电路控制器和发光带，所述发光带贴合主体骨架设置，所述发光带设置在至少一根弹性杆件上；所述发光带为LED灯带、光纤或EL冷光线中的一种或几种。所述主体骨架为单杆：所述发光带穿入第一骨架杆内；所述主体骨架为双杆套合：第二骨架杆是管状杆，所述发光带穿入第二骨架杆内，第二骨架杆是实心杆，所述发光带贴合固定在第二骨架杆的侧部，所述主体骨架为多杆聚合：所述第三骨架杆为实心杆，所述发光带穿入包覆管内。所述连接点的连接方式为采用绑扎带绑扎连接、栓钉连接或3D打印连接节点连接，所述绑扎带为棉绳、尼龙带或金属带，所述3D整体打印的节点连接为塑料节点或金属节点。所述可弯曲杆件空间曲面编织结构体系还包括连接在骨架结构上的围护结构，所述围护结构设置在至少一个骨架结构的网格处、与该网格处的曲面形态一致，所述围护结构与骨架结构通过覆膜、编织和镶嵌固定连接。所述围护结构为单层膜或者复合膜，所述单层膜为单层充气膜，所述复合膜包括单层膜以及在单层膜的表面附合的一层由FRP制成的壳体。与现有技术相比本技术具有以下特点和有益效果：本技术创新的采用了力学性能优越的材料，将应用到拓扑关系复杂、形态变化多样的复杂空间曲面结构，解决了现有施工复杂空间曲面结构体系材料加工困难，曲面形态实现程度低的技术问题，具体如下：一、结构轻盈；本技术的结构体系选取了力学性能优越的材料制成弹性杆件作为骨架结构，并对骨架结构进行截面优化，同时简化连接点设计。本技术使用弹性材料，整体结构重量较小，材料运输方便，结构的建造和移动都非常简便。二、受力合理；本技术的结构体系在进行结构方案设计的时候，避免结构局部受力过大，根据算法程序得出一个网格分布较为均匀的结构方案，同时由于弹性杆件的受力与其变形具有一致性，根据设计方案建成曲面骨架结构后，杆件之间将根据受力情况进行微小变形，变形后整体形态变化不大，同时由于杆件在结构中相互平衡，整体受力更均匀合理，杆件连接简洁明确，传力清晰，形成自体成型弹性杆空间曲面编织结构体系。同时采用弹性杆件进行建造，由于杆件的材质沿轴向是均匀的，因此在形成复杂空间曲面形态时，基本不存在扭转等问题。因此在通过弯曲杆件建造曲面形态时，不需对材料进行额外加工，只需根据节点信息把杆件进行两两连接即可，为以后施工简便打下基础。三、造型美观，可具备互动性；本技术的骨架结构在设计方案生成时，即具备其“编织”特征；同时骨架结构采用具有透明或半透明的特征的弹性材料，具有造型简洁美观的特点。同时还可以在骨架结构中加入发光装置，结构杆件与发光装置相结合，调节表皮透明度和位置，灯光效果可根据使用者的控制而产生变化，改变整体的空间围合效果灯光视觉效果强烈，具有良好的互动性，四、应用范围广；本技术不仅可应用于艺术装置的设计和建造，同时可应用于大型围护结构的设计与施工、小型灯具的设计与制作等。可以在骨架结构的外侧包覆围护结构形成建筑的围护结构。本技术可以通过使用不同的杆件材料，既可以用在更小规模上用于灯具设计，也可以在更大规模上用于建筑实际工程。五、施工简便；本技术按照设计的拓扑关系编织、连结杆件，利用杆件自身的弹性和互相约束，结构就能够自己成形，结构形态自然合理，作为一种新型结构体系，在未来不同尺度复杂曲面形体的构建、成形等应用上有广阔前景。同时而且通过数字化的几何生形和力学模拟，该结构体系的施工方法能够建造出更加复杂和多样的曲面形态，为设计提供了更大的自由度。附图说明下面结合附图对本技术做进一步详细的说明。图1是本技术半球形骨架结构示意图。图2是本技术实施例为单杆的横截面结构示意图。图3是本技术实施例为双杆套合的一种横截面结构示意图。图4是本技术实施例为双杆套合的另一种横截面结构示意图。图5是本技术实施例为多杆聚合的横截面结构示意图。图6是本技术图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自体成型弹性杆空间曲面编织结构体系，其特征在于：包括空间曲面的骨架结构，所述骨架结构包括一组连续、可弯曲的弹性杆件（1），所述弹性杆件的横截面外轮廓为圆形或者弧形，所述弹性杆件（1）通过杆体之间弯曲相互编织穿插、杆体之间各个连接点的连接形成自体成型网格状的骨架结构，所述连接点为铰接连接或刚接连接，所述弹性杆件作为该骨架结构的受力构件以及空间曲面轮廓的形成构件。

【技术特征摘要】
1.一种自体成型弹性杆空间曲面编织结构体系，其特征在于：包括空间曲面的骨架结构，所述骨架结构包括一组连续、可弯曲的弹性杆件（1），所述弹性杆件的横截面外轮廓为圆形或者弧形，所述弹性杆件（1）通过杆体之间弯曲相互编织穿插、杆体之间各个连接点的连接形成自体成型网格状的骨架结构，所述连接点为铰接连接或刚接连接，所述弹性杆件作为该骨架结构的受力构件以及空间曲面轮廓的形成构件。2.根据权利要求1所述的自体成型弹性杆空间曲面编织结构体系，其特征在于：所述弹性杆件包括主体骨架，所述主体骨架包括单杆（2）、双杆套合（3）或多杆聚合（4）三种形式；所述单杆（2）包括第一骨架杆（5），所述第一骨架杆（5）是管状杆或片状杆；所述双杆套合（3）为内外双层嵌套的双层杆，双杆套合包括内层的第二骨架杆（6）和外层的包覆管（7），所述第二骨架杆（6）是管状杆或实心杆；所述多杆聚合（4）为一组小截面杆通过捆扎协同受力连接组成大截面杆，多杆聚合包括外层的包覆管（7）和一组第三骨架杆（8），所述第三骨架杆（8）是管状杆或实心杆；所述第一骨架杆（5）、第二骨架杆（6）、包覆管（7）和第三骨架杆（8）由FRP、PC、PE、PPR、碳纤维、玻璃纤维或竹材制成。3.根据权利要求2所述的自体成型弹性杆空间曲面编织结构体系，其特征在于：所述主体骨架均允许光线通过，所述弹性杆件（1）还包括与主体骨架连接为一体的发光装置，所述发光装置包括电路控制器和发光带（9），所述发光带（9）...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄蔚欣，吴承霖，黄建坤，陈致佳，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：新型
国别省市：北京,11