十四面体堆积组合的空间双曲面网壳结构

1.本实用新型属于结构工程技术领域，涉及一种十四面体堆积组合的空间双曲面网壳结构。


背景技术：

2.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。
3.十四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。
4.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。
5.十四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。
6.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。
7.综上所述，研究一种十四面体堆积组合的空间双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。


技术实现要素：

8.本实用新型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双曲面网壳结构，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。
9.这种十四面体堆积组合的空间双曲面网壳结构，包括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，平面边界切割结构通过负曲率双向弯曲起拱生成负曲率双向曲面网壳结构。
10.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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.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，可以为双曲面形状；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，其稳定性好，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。
18.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。
19.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。
20.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，采用负曲率双向弯曲起拱，通过负曲率双向弯曲起拱的曲面控制线进行曲面弯曲定位，生成负曲率双向曲面网壳结构。
21.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，采用双曲面形状，双曲面形状为负曲率双向弯曲起拱。
22.进一步地，所述曲面网壳结构包括表面弦杆、内部腹杆这两类构件形式，均为受弯梁单元；表面弦杆位于曲面网壳结构的表面，包括切割表面的结构边线、原有十四面体的表面棱边；切割表面的结构边线是由切割面经过十四面体的表面而新生成的结构边线，原有十四面体的表面棱边是当切割面经过十四面体的棱边时原有的结构边线；内部腹杆位于曲面网壳结构的内部，仅由原有十四面体的内部棱边组成；表面弦杆一般为箱型截面钢构件，内部腹杆一般为圆管截面钢构件。
23.进一步地，所述曲面网壳结构包括内部腹杆之间连接的内部节点、表面弦杆之间连接的表面节点这两类节点形式，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。
24.对于十四面体堆积组合的空间曲面网壳结构的形成，需要经过多面体单元的组合、阵列、旋转、切割和弯曲等过程；因此，十四面体尺寸、空间旋转轴、旋转角度、切割位置、切割边界形状、弯曲矢跨比等都是影响整体结构几何构成的重要参数，且都可以根据实际需求适当变化，并实现不同的建筑外观效果和结构优化设计。
25.本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种十四面体堆积组合的空间双曲面网壳结构，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，本实用新型具有重复阵列效果，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，可应用于展览馆、体育馆等大跨空间曲面建筑造型屋盖和墙面钢结构，前景广阔。
附图说明
26.图1是本实用新型一种十四面体堆积组合的空间双曲面网壳结构实施例的结构示意图；
27.图2是本实用新型空间双曲面网壳结构实施例的俯视平面图，即图1中a-a剖切示意图；
28.图3是本实用新型空间双曲面网壳结构实施例的剖切正视图，即图1中b-b剖切示意图；
29.图4是本实用新型空间双曲面网壳结构实施例的剖切右视图，即图1中c-c剖切示意图；
30.图5a-图5d分别是十四面体示意图、十四面体基本单元示意图、正交阵列组合体示意图、阵列组合旋转体示意图；
31.图6是正交阵列组合体的空间对角轴作为空间旋转轴的定位示意图；
32.图7a-图7d是边界切割生成曲面网壳结构的构造示意图(图7a-图7d分别为平面边界切割布置示意图、曲面边界切割布置示意图、平面边界切割结构示意图、曲面边界切割结构示意图)；
33.图8a-图8b是弯曲起拱生成曲面网壳结构的构造示意图(图8a-图8b分别是负曲率双向弯曲起拱布置示意图、负曲率双向曲面网壳结构示意图)。
34.附图标记说明：1-十四面体；2-十四面体基本单元；3-平面正交基准轴；4-平面斜交方向；5-正交阵列组合体；6-阵列组合旋转体；7-空间旋转轴；8-跨度向平面边界；9-跨度
向曲面边界；10-厚度向平面边界；11-平面边界切割结构；12-曲面边界切割结构；13-切割表面的结构边线；14-原有十四面体的表面棱边；17-负曲率双向弯曲起拱的曲面控制线；20
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负曲率双向曲面网壳结构；21-表面弦杆；22-内部腹杆；23-原有十四面体的内部棱边；24
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内部节点；25-表面节点。
具体实施方式
35.下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。
36.实施例一
37.本技术实施例一提供一种十四面体堆积组合的空间双曲面网壳结构，如图1、5a-图5d、图7c-图7d所示。十四面体(图5a)是由8个正六边形和6个正四边形组成的多面体；十四面体基本单元(图5b)由2个十四面体沿平面45
°
斜交方向对接而成；正交阵列组合体(图 5c)由十四面体基本单元沿着三个正交方向阵列复制生成；阵列组合旋转体(图5d)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(图7c-图7d)由建筑边界切割阵列组合旋转体生成，包括平面边界切割结构、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(图1)由平面边界切割结构的起拱曲面化生成；切割曲面化是对阵列组合旋转体采用曲面建筑边界切割生成的曲面网壳结构，也即曲面边界切割结构；起拱曲面化是对平面边界切割结构采用负曲率双向弯曲起拱生成的曲面网壳结构。
38.如图1、图2、图3、图4所示，所述曲面网壳结构由切割表面的结构边线13、原有十四面体的表面棱边14、原有十四面体的内部棱边23组成，为刚接连接的空间梁系结构。
39.如图1、图5a-图5d所示，所述十四面体1是由8个正六边形和6个正四边形组成，仅有1种棱边长度、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；所述十四面体基本单元2由2个十四面体1组成，沿与平面正交基准轴3成45
°
的平面斜交方向4对接而成。
40.如图1、图5a-图5d所示，所述十四面体基本单元2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。
41.如图5a-图5d所示，所述正交阵列组合体5由十四面体基本单元2沿着三个正交方向进行阵列复制生成，从而填充整个三维空间，即为空间填充多面体。
42.如图5a-图5d、图6所示，所述正交阵列组合体5可以绕空间任意轴旋转，生成阵列组合旋转体6；为使得旋转后的阵列组合旋转体6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7进行旋转。本实施例中，空间旋转轴7为空间对角轴，绕空间对角轴将正交阵列组合体5旋转60
°
生成阵列组合旋转体6。
43.如图1、图7a-图7d所示，所述阵列组合旋转体6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。
44.如图7a-图7d所示，所述边界切割结构由建筑边界切割阵列组合旋转体6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；切割边界形式包括跨度向平面边界8、跨度向曲面边界9，对应生成平面边界切割结构11、曲面边界切割结构12；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10。
45.如图7a-图7d所示，跨度向平面边界8切割阵列组合旋转体6生成平面边界切割结构11，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。
46.如图7a-图7d所示，跨度向曲面边界9切割阵列组合旋转体6生成曲面边界切割结构12，即为曲面网壳结构；跨度向曲面边界9的曲面形状根据建筑边界造型确定，可以为双曲面形状。
47.如图1、图8a-图8b所示，所述曲面网壳结构由平面边界切割结构的起拱曲面化生成；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。
48.如图1、图7b、图7d所示，对阵列组合旋转体6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12，属于切割曲面化。
49.如图1、图8a-图8b所示，起拱曲面化时，对平面边界切割结构11采用弯曲起拱方式生成曲面网壳结构，采用负曲率双向弯曲起拱，通过负曲率双向弯曲起拱的曲面控制线17进行曲面弯曲定位，生成负曲率双向曲面网壳结构20。本实施例中，负曲率双向曲面网壳结构20 为双曲面网壳结构。
50.如图8a-图8b所示，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，采用双曲面形状，双曲形状为负曲率双向弯曲起拱。
51.如图1、图2、图3、图4所示，所述曲面网壳结构包括表面弦杆21、内部腹杆22这两类构件形式，均为受弯梁单元；表面弦杆21位于曲面网壳结构的表面，包括切割表面的结构边线13、原有十四面体的表面棱边14；切割表面的结构边线13是由切割面经过十四面体1 的表面而新生成的结构边线，原有十四面体的表面棱边14是当切割面经过十四面体1的棱边时原有的结构边线；内部腹杆22位于曲面网壳结构的内部，仅由原有十四面体的内部棱边 23组成；表面弦杆21一般为箱型截面钢构件，内部腹杆22一般为圆管截面钢构件。
52.如图1、图3所示，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、表面弦杆21之间连接的表面节点25这两类节点形式，均为刚接连接节点；内部节点24位于曲面网壳结构的内部，为焊接空心球节点；表面节点25位于曲面网壳结构的表面，为焊接空心球节点或鼓节点。
53.对于十四面体堆积组合的空间曲面网壳结构的形成，需要经过多面体单元的组合、阵列、旋转、切割和弯曲等过程；因此，十四面体尺寸、空间旋转轴、旋转角度、切割位置、切割边界形状、弯曲矢跨比等都是影响整体结构几何构成的重要参数，且都可以根据实际需求适当变化，并实现不同的建筑外观效果和结构优化设计。
54.实施例二
55.本技术实施例二的目标为形成一个跨度40m
×
40m、厚度为3.0m，负曲率双向矢跨比为 1/6的双曲面网壳结构，如图1所示。采用4m大小的单元(十四面体两个表面间的距离为单元大小)，由2个十四面体1斜交连接生成十四面体基本单元2，再沿三个坐标轴正交方向阵列复制生成正交阵列组合体5，再绕空间对角轴(0，0，0)
→
(1，1，1)这一矢量轴旋转 60
度形成阵列组合旋转体6，再按照40m
×
40m
×
3m的建筑边界切割出建筑空间获得平面边界切割结构11，最后按照1/6的负曲率双向矢跨比弯曲起拱生成本实用新型所述的双曲面网壳结构，属于负曲率双向曲面网壳结构20。
56.相比于现有技术的不足，本实用新型提供的一种十四面体堆积组合的空间双曲面网壳结构，是一种新型空间结构形式，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，可应用于展览馆、体育馆等大跨空间曲面建筑造型屋盖和墙面钢结构，前景广阔。