一种十四面体堆积组合的空间曲面网壳结构及构成方法技术

本发明专利技术涉及十四面体堆积组合的空间曲面网壳结构，包括单向曲面网壳结构、正曲率双向曲面网壳结构和负曲率双向曲面网壳结构；阵列组合旋转体由正交阵列组合体绕空间旋转轴旋转一定角度生成；边界切割结构由跨度向平面边界或跨度向曲面边界切割阵列组合旋转体生成；平面边界切割结构分别通过单向弯曲起拱、正曲率双向弯曲起拱和负曲率双向弯曲起拱分别生成单向曲面网壳结构、正曲率双向曲面网壳结构和负曲率双向曲面网壳结构。本发明专利技术的有益效果是：本发明专利技术是一种新型空间结构形式，相比传统的空间网架结构、网壳结构，本发明专利技术具有重复阵列效果，节点连接杆件少、杆件规格少、抗震延性大且造型美观等优点。大且造型美观等优点。大且造型美观等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种十四面体堆积组合的空间曲面网壳结构及构成方法


[0001]本专利技术属于结构工程
，涉及一种十四面体堆积组合的空间曲面网壳结构及构成方法。

技术介绍

[0002]堆积组合体的构想来源于物理学中的气泡理论，kelvin十四面体堆积组合属于其中一种典型的堆积体，经三维扩展后可以无间隙地填充所有空间。十四面体是由8个正六边形和6个正四边形组成，且仅有1种棱边长度和1种交叉节点类型，各节点的连接杆件数均为3根，节点连接杆件少，构造简单。
[0003]十四面体的基本单元在俯视图、后视图、左视图的三个坐标轴线方向上具有可重复性，可以将其沿着三个正交方向进行阵列复制生成正交阵列组合体，从而填充整个三维空间，这类多面体即为空间填充多面体。空间多面体经过建筑边界切割可获得满足建筑造型和结构刚度的平面刚架结构或曲面网壳结构。
[0004]平面刚架结构的跨度容易受到较大竖向变形挠度的限制，从而引起平面刚架的较大厚度。为提高承载性能、增大结构刚度、加大空间跨度，实际工程中往往采用曲面网壳结构以充分利用曲面结构的弧线轴压受力模式，这是一种有效的解决方案。曲面网壳的形式主要有柱面网壳、球面网壳、穹顶网壳和双曲面网壳等。
[0005]十四面体在建筑切割面上切出的边线分别形成了屋盖结构的上、下弦杆，而切割面内部所保留的原有各十四面体的棱边则构成了结构内部的腹杆。曲面网壳结构的形成有两种有效的解决方案：一种是对空间填充多面体直接进行曲面切割，形成曲面网壳结构；另一种是先通过平面切割生成平面刚架结构，再进行单向或双向弯曲起拱，形成曲面网壳结构。前者节点相连杆件的数量、长度和夹角均未变，但切割后可能造成网格的凌乱，对切割位置、切割曲面均有一定的限制；后者节点相连杆件的长度和夹角均产生变化，但网格相对规整；两者各有一定的适用范围。
[0006]相比传统的空间网架结构、网壳结构，十四面体堆积组合的曲面网壳结构具有节点相连杆件数量少、长度规格少、节点形式简单、承载刚度较好等等优点，在大跨空间结构屋盖、墙面等建筑结构领域具有广阔的应用前景。
[0007]综上所述，研究一种十四面体堆积组合的空间曲面网壳结构的形式及设计方法，以适用于要求节点构造简单、杆件规格少、抗震延性大且造型美观的大跨空间曲面建筑造型屋盖和墙面结构体系设计及承载是十分必要的。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是克服现有技术中的不足，提供一种十四面体堆积组合的空间曲面网壳结构及构成方法，可以实现重复阵列效果、节点构造简单、抗震延性大且造型美观的大跨空间曲面建筑造型屋盖和墙面结构体系设计及承载。
[0009]这种十四面体堆积组合的空间曲面网壳结构，包括单向曲面网壳结构、正曲率双
向曲面网壳结构和负曲率双向曲面网壳结构；十四面体是由八个正六边形和六个正四边形组成的多面体；十四面体基本单元由两个十四面体沿平面45
°
斜交方向对接而成；正交阵列组合体由十四面体基本单元沿着三个正交方向阵列复制生成，从而填充整个三维空间，即为空间填充多面体；阵列组合旋转体由正交阵列组合体绕空间旋转轴旋转一定角度生成；边界切割结构由跨度向平面边界或跨度向曲面边界切割阵列组合旋转体生成，包括平面边界切割结构和曲面边界切割结构(对阵列组合旋转体采用跨度向曲面边界切割生成的曲面网壳结构，属于切割曲面化，生成的曲面网壳结构即为曲面边界切割结构)；曲面网壳结构由平面边界切割结构的起拱曲面化生成，平面边界切割结构分别通过单向弯曲起拱、正曲率双向弯曲起拱和负曲率双向弯曲起拱分别生成单向曲面网壳结构、正曲率双向曲面网壳结构和负曲率双向曲面网壳结构。
[0010]进一步地，所述曲面网壳结构由切割表面的结构边线、原有十四面体的表面棱边和原有十四面体的内部棱边组成，为刚接连接的空间梁系结构。
[0011]进一步地，所述十四面体仅有一种棱边长度、一种交叉节点类型，各节点的连接杆件数均为三根，节点连接杆件少，构造简单；所述十四面体基本单元由两个十四面体组成，沿与平面正交基准轴成45
°
的平面斜交方向对接而成。
[0012]进一步地，所述十四面体基本单元在俯视图、后视图、左视图的三个正交坐标轴线方向上具有可重复性。
[0013]进一步地，所述正交阵列组合体可以绕空间任意轴旋转，生成阵列组合旋转体；为使得旋转后的阵列组合旋转体在切割时具有良好的规整性，一般绕X轴、Y轴、Z轴或空间对角轴为空间旋转轴进行旋转。
[0014]进一步地，所述阵列组合旋转体为填充密实的空间多面体堆积体，经过建筑边界切割可获得满足建筑造型和结构刚度的板壳形状结构，作为大跨空间的建筑屋盖或建筑墙面。
[0015]进一步地，所述边界切割结构由建筑边界切割阵列组合旋转体而成，为适应大跨空间、用钢合理需要，一般切割成较薄的二维板壳结构形式；根据切割边界形式包括跨度向平面边界、跨度向曲面边界，对应生成平面边界切割结构、曲面边界切割结构；板壳结构厚度方向的切割边界一般也为平面切割边界，即厚度向平面边界。
[0016]进一步地，阵列组合旋转体通过跨度向平面边界切割生成平面边界切割结构，即为平面刚架结构；空间跨度不大于50米时，平面刚架结构可直接应用于大跨空间的屋盖结构。
[0017]进一步地，阵列组合旋转体通过跨度向曲面边界切割生成曲面边界切割结构，即为曲面网壳结构；跨度向曲面边界的曲面形状根据建筑边界造型确定，一般有柱面形状、球面形状、双曲面形状；单向曲面网壳结构为柱面网壳结构，柱面形状为单向弯曲的零高斯曲率曲面形状，主要适用于单向大跨空间屋盖结构；正曲率双向曲面网壳结构为球面网壳结构，球面形状为双向弯曲的正高斯曲率曲面形状，主要适用于双向大跨空间屋盖结构；负曲率双向曲面网壳结构为双曲面网壳结构，双曲面形状为双向弯曲的负高斯曲率曲面形状，相比柱面形状、球面形状，其稳定性要好，但制作复杂，主要适用于具有负曲率曲面形状的复杂建筑造型屋盖结构。
[0018]进一步地，所述曲面网壳结构充分利用了曲面结构的弧线轴压受力模式，相对平
面刚架结构，有效提高承载性能、增大结构刚度、加大空间跨度。
[0019]进一步地，切割曲面化时，对阵列组合旋转体采用曲面建筑边界形状的布尔运算差集切割直接生成曲面网壳结构，也即曲面边界切割结构。
[0020]进一步地，起拱曲面化时，对平面边界切割结构采用弯曲起拱方式生成曲面网壳结构，包括单向弯曲起拱、正曲率双向弯曲起拱、负曲率双向弯曲起拱，分别通过单向弯曲起拱的曲面控制线、正曲率双向弯曲起拱的曲面控制线、负曲率双向弯曲起拱的曲面控制线进行曲面弯曲定位，分别生成单向曲面网壳结构、正曲率双向曲面网壳结构、负曲率双向曲面网壳结构。
[0021]进一步地，根据弯曲起拱曲面形式的控制，可实现对应的曲面建筑造型，包括柱面形状、球面形状、双曲面形状；柱面形状为单向弯曲起拱，球面形状为正曲率双向弯曲起拱，双曲面形状为负曲率双向弯曲起拱；实际工程中，柱面形状、球面形状的弯曲起拱易于实现。
[0022本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种十四面体堆积组合的空间曲面网壳结构，其特征在于：包括单向曲面网壳结构(18)、正曲率双向曲面网壳结构(19)和负曲率双向曲面网壳结构(20)；十四面体(1)是由八个正六边形和六个正四边形组成的多面体；十四面体基本单元(2)由两个十四面体沿平面45
°
斜交方向对接而成；正交阵列组合体(5)由十四面体基本单元(2)沿着三个正交方向阵列复制生成；阵列组合旋转体(6)由正交阵列组合体(5)绕空间旋转轴(7)旋转一定角度生成；边界切割结构由跨度向平面边界(8)或跨度向曲面边界(9)切割阵列组合旋转体(6)生成，包括平面边界切割结构(11)和曲面边界切割结构(12)；曲面网壳结构由平面边界切割结构(11)的起拱曲面化生成，平面边界切割结构(11)分别通过单向弯曲起拱、正曲率双向弯曲起拱和负曲率双向弯曲起拱分别生成单向曲面网壳结构(18)、正曲率双向曲面网壳结构(19)和负曲率双向曲面网壳结构(20)。2.根据权利要求1所述的十四面体堆积组合的空间曲面网壳结构，其特征在于：所述十四面体含有一种棱边长度和一种交叉节点类型，各节点的连接杆件数均为三根；所述阵列组合旋转体(6)通过跨度向平面边界(8)切割生成平面边界切割结构(11)；阵列组合旋转体(6)通过跨度向曲面边界(9)切割生成曲面边界切割结构(12)。3.根据权利要求1所述的十四面体堆积组合的空间曲面网壳结构，其特征在于：所述平面边界切割结构(11)分别通过单向弯曲起拱的曲面控制线(15)、正曲率双向弯曲起拱的曲面控制线(16)和负曲率双向弯曲起拱的曲面控制线(17)分别生成单向曲面网壳结构(18)、正曲率双向曲面网壳结构(19)和负曲率双向曲面网壳结构(20)；所述单向曲面网壳结构(18)为柱面网壳结构，其为单向弯曲的零高斯曲率曲面形状；正曲率双向曲面网壳结构(19)为球面网壳结构，其为双向弯曲的正高斯曲率曲面形状；负曲率双向曲面网壳结构(20)为双曲面网壳结构，其为双向弯曲的负高斯曲率曲面形状。4.根据权利要求1所述的十四面体堆积组合的空间曲面网壳结构，其特征在于：所述曲面网壳结构包括表面弦杆(21)和内部腹杆(22)；表面弦杆(21)位于曲面网壳结构的表面，表面弦杆(21)包括切割表面的结构边线(13)和原有十四面体的表面棱边(14)；内部腹杆(22)位于曲面网壳结构的内部，内部腹杆(22)由原有十四面体的内部棱边(23)组成；表面弦杆为箱型截面钢构件，内部腹杆为圆管截面钢构件。5.根据权利要求1所述的十四面体堆积组合的空间曲面网壳结构，其特征在于：所述曲面网壳结构包括内部腹杆(22)之间连接的内部节点(24)以及表面弦杆(21)之间连接的表面节点(25)，均为刚接节点；内部节点位于曲面网壳结构的内部，为焊接空心球节点；表面节点位于曲面网壳结构的表面，为焊接空心球节点或鼓节点。6.一种如权利要求1所述的十四面体堆积组合的空间曲面网壳结构的构成方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、两个十四面体(1)沿与平面正交基准轴(3)成45
°
的平面斜交方向(4)对接组成十四面体基本单元(2)；S2、十四面体基本单元(2)沿着三个正交方向阵列复制生成正交阵列组合体(5)；S3、正交阵列组合体(5)绕空间旋转轴(7)旋转一定角度，生成阵列组合旋转体(6)；S4、根据建筑边界切割形式，设置跨度向平面边界(8)、跨度向曲面边界(9)以及厚度向平面边界(10)；S5、通过跨度向平面边界(8)和跨度向曲面...

【专利技术属性】
技术研发人员：王震，庞崇安，赵阳，丁智，汪儒灏，瞿浩川，
申请(专利权)人：浙江同济科技职业学院，
类型：发明
国别省市：