[发明专利]一种空间结构及其构建方法

说明书

技术领域

本发明公开一种空间结构的构建方法，适用于土木、水利工程、园林、环保工程等领域。

背景技术

随着工业文明的高速繁荣，城市化进程的飞速推进，为满足人类生活和居住环境的需要，人们需要对各种不同类型的覆盖空间，进行结构性支撑。凡是形成三维空间状并具有三维受力特性、呈立体工作状态的结构都称为空间结构。如网架结构、网壳结构，悬索结构、膜结构、张拉整体结构等等。由它们组合而形成的杂交空间结构更是花样繁多。但这种将不同类型的结构进行组合而得到一种新的结构体系，不是两个或多个单一类型空间结构的简单拼凑，而是充分利用一种类型结构的长处，来抵消另一种与之组合的结构的短处，使得每一种单一类型的空间结构形式及其材料均能发挥最大的潜力，从而改善整个空间结构体系的受力性能，可以更经济、更合理地对更大的空间进行结构性支撑。

根据结构的刚性差异和结构的组合方式，空间结构又可分成三类，即刚性空间结构、柔性空间结构和杂交空间结构。杂交空间结构可以是刚性结构体系之间的组合，如拱与空间网格结构组合形成的拱支网架；柔性结构体系之间的组合，如悬索与薄膜组合而成的结构、拱支网壳结构等，以及柔性结构体系与刚性结构体系之间的组合，如索与空间网格结构、索膜结构等组合形成的斜拉空间网格结构、拉索预应力空间网格结构及索与桁架结构组合而成的横向加劲单曲悬索结构等等；尽管各种新型的空间结构不断涌现，但各种空间结构的构建，不仅仅依赖材料的性能，更需要的是依赖自己合理的型体，充分利用不同材料的特性，以适应不同建筑造型和功能的需要。如悬索结构中，将外荷载转化为钢索的拉力，充分发挥了钢索拉力强的材性，从而大大减轻了结构自重。所以充分发挥各种不同建筑材料的强度优势，以达到增加结构刚度、节省材料用量的目的。已成为空间结构发展的主要趋势。

特别是随着计算机技术的广泛应用，解脱了长期以来空间结构的型体研究和结构优化在计算方法上的束缚，使得寻求型体与受力的完美组合成为可能，使得空间结构近十几年来以其异乎寻常的速度发展起来。

例如，根据谈若明等所介绍的“空间网格结构的多参数优化设计”方法(谈若明，肖建春，韩志刚.空间网格结构的多参数优化设计.空间结构，2009，15(2)：58-61)：利用遗传算法收敛快、得到全局解概率大的优点，将其应用于空间网格结构的多参数优化设计中，可对包括形状和截面尺寸的优化在内的，多个量级或量纲不同的相关参数，如结构的高度、网架层数、网格数、构件截面尺寸(包括由相同或不同材料构成的不同结构类型的杆件、节点，形成的不同的空间结构类型)等参数。通过确立多个约束条件g_j(x)，j＝1，2，…，m，(包括挠度、杆件结构类型、各受力构件强度、压杆的稳定性、整体稳定系数等等)，以工程造价作为目标函数f(x)(其中x为设计变量)。建立相应的数学模型。其数学表达式为：

Minf(x)s.t.g_j(x)≤0  j＝1，2，3，…，m  x∈D    (1)

可以转化为求下列无约束函数

ψ(x,a)=f(x)+apln{1+Σj=1mexp(pgj(x))}---(2)]]>