[发明专利]板锥网壳结构的节点连元成型方法

说明书

本发明属于建筑行业的空间结构成型技术，为板锥网壳结构的节点连元成型方法，首先输入板锥网壳结构的尺寸控制参数；根据板锥网壳结构的旋转对称特性，进行区域划分，分成对称的若干等份；然后剖分区域的边界，根据给定的构建密度在边界上布置节点，再生成内部节点，作为区域的节点坐标；根据网壳结构的区域划分形式，连接相应的节点生成单元，先生成整个下弦节点，然后通过下弦节点计算出上弦节点，连接相关上、下弦节点得到弦杆和腹板；利用网壳结构的旋转对称特性，生成整个网壳结构的节点坐标和单元。本发明减少了设计者们在结构数学模型的建立和数据准备方面的工作量，易于检查和修改模型，为板锥网壳结构的分析计算和设计施工提供依据。

技术领域

本发明属于建筑行业的空间结构成型技术，具体为板锥网壳结构的节点连元成型方法。

背景技术

1954年，D.Richter利用Fuller的短程线分割，得出一种与基本的Fuller穹顶显然不同的体系——Kaiser铝质应力蒙皮穹顶，这种穹顶将骨架与蒙皮合成一个统一的三角锥结构单元，获得了利用蒙皮结构强度的优点。整个设想很大程度上是建立在飞机机翼设计原理的基础上的。Kaiser铝公司曾采用这种形式建造了大量的穹顶用于覆盖学校、银行、会议厅等建筑。但该结构中金属板片强度储备过大，造价过高，不适合中国国情。在这种Kaiser铝质应力蒙皮穹顶的基础上，本申请发明人通过创新发展而首次提出了板锥网壳结构；板锥网壳结构如今是建筑行业内常见的一种空间形式。板锥网壳结构是将三角形板片组成锥体单元，按空间网壳结构的曲面形状将锥体单元通过底边拼接成整体，各锥顶再用杆件有规律地相互连接而成，如图1所示，包括上弦杆1、下弦杆2及腹板3。板锥网壳结构将常规双层网壳结构的腹杆及下弦杆以板锥单元取代，是一种半连续化、半格构化的新型空间结构，同时也是一种特殊形式的应力蒙皮结构和板片空间结构。常见的板锥网壳结构有凯威特型板锥球面网壳结构、四角锥型板锥柱面网壳结构等。

板锥网壳结构形式多样，可采用各种形式的双层网壳(架)结构的曲面形状和网格划分，锥体单元可以是三角锥单元,也可以是四角锥单元或者六角锥单元；在将锥体单元组合成整体结构时，锥体单元可以正放，也可以倒放。锥体单元正放时，板材经过防水处理，可以形成结构暴露的屋盖，锥体单元倒放时，锥底要铺上屋面板以形成屋面。只有三角形、正方形、矩形及正六边形锥底的锥体单元，才能通过其底边没有间隙地连接起来，作为屋面覆盖一个给定的平面。锥体单元的板片可采用铝合金板、压型钢板，也可采用钢纤维增强复合板、迭层竹胶复合板、钢丝网水泥板、GFRP板、GFRC板等各种轻质板材和复合材料板材。板锥网壳结构将常规双层网壳结构的腹杆及下弦杆以锥体单元取代，是一种半连续化、半格构化的新型空间结构，同时也是一种特殊形式的应力蒙皮结构和板片空间结构。

板锥网壳结构不仅具有网格结构生产系列化、工业化的优点，而且扩大了一些能工业化生产的新型材料在结构中的应用范围。板锥网壳结构受力性能合理，可以充分利用板材的强度和刚度，发挥材料的最大效用，其承载能力和整体刚度均明显优于双层网格结构。经过分析，板锥网壳结构用钢量指标比双层网壳结构节省30％以上，如果采用非金属板材则用钢量下降的比例更大。板锥网壳结构同时集承重、围护、装饰为一体，具有“轻质、高强”的优点，降低了材料消耗和结构的综合造价，具有良好的技术经济效益。由于板锥网壳结构同时应用了“合理的结构布置”和“高值比强度结构材料”原则，故其结构性能和技术经济指标要比组合网壳和双层网壳更为优越。经初步分析，板锥网壳结构比双层网壳结构降低造价约25％以上。另外，板锥网壳结构巧妙地融建筑与结构为一体，形体新颖特别，并可做到结构暴露，具有鲜明的建筑视觉效果。由于板锥网壳结构具有以上的诸多优点，可广泛应用于展览大厅、会议厅以及体育场馆等各种大跨度建筑中，是一种适合中国国情的新型空间结构，但在国内外其理论研究还很不充分，试验研究及实际应用在国内均为空白，系统研究、工程试点和推广应用这种新型结构具有重要的理论和现实意义。