[发明专利]一种十四面体堆积组合的空间曲面网壳结构及构成方法

说明书

本发明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。本发明的有益效果是：本发明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。

技术领域

本发明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曲面网壳结构及构成方法。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

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。