类立方八面体张拉整体结构.pdf

本发明的目的在于提供类立方八面体张拉整体结构，其形状是在正方体的基础上，将相邻两边中点相连，截去八个角后得到的单元。该立方八面体张拉整体结构由12个节点、24根拉索和12根压杆组成，12个节点分别位于立方八面体的顶点，并分布在一个球面上，即立方八面体的外接球，该外接球半径为等于索长，也就是边长；24根拉索分布在立方八面体的棱边上，12根压杆位于立方八面体的内部，构成4个等边三角形，且四个等边三角形相互嵌套。本发明具有正四面体与正六面体的特性，结构对称美观。与一阶张拉整体结构相比，该二阶张拉整体结构杆与杆相接触，所以刚性更大，可以满足更大的刚性要求，与一阶张拉整体相比承载能力也就更大。

1.  类立方八面体张拉整体结构，其特征是：包括由第一-第十二节点以及 第一-第二十四根拉索组成的立方八面体，第一-第十二节点分别为立方八面体 的12个顶点，第一-第二十四根拉索分别为立方八面体的24条棱边，将立方八 面体表面的6个正边形其中之一水平放置，12个顶点自下而上分成三层，成逆 时针排列的第一-第四节点位于第一层，成逆时针排列的第五-第八节点位于第 二层，成逆时针排列的第九-第十二节点位于第三层，第一节点和第二节点之间 连接第一根拉索，第二节点和第三节点之间连接第二根拉索，第三节点和第四 节点之间连接第三根拉索，第四节点和第一节点之间连接第四根拉索，第五节 点分别通过第五根拉索和第六根拉索与第一节点和第二节点相连，第六节点分 别通过第七根拉索和第八根拉索与第二节点和第三节点相连，第七节点分别通 过第九根拉索和第十根拉索与第三节点和第四节点相连，第八节点分别通过第 十一跟拉索和第十二根拉索与第四节点和第一节点相连，第九节点分别通过第 十三根拉索和第十四根拉索与第五节点和第八节点相连，第十节点分别通过第 十五根拉索和第十六根拉索与第五节点和第六节点相连，第十一节点分别通过 第十七根拉索和第十八根拉索与第六节点和第七节点相连，第十二节点分别通 过第十九跟拉索和第二十根拉索与第七节点和第八节点相连，第一节点和第十 节点之间连接第一压杆，第一节点和第七节点之间连接第二压杆，第二节点和 第十一节点之间连接第三压杆，第二节点和第八节点之间连接第四压杆，第三 节点和第十二节点之间连接第五压杆，第三节点和第五节点之间连接第六压杆， 第四节点和第九节点之间连接第七压杆，第四节点和第六节点之间连接第八压 杆，第五节点和第十二节点之间连接第九压杆，第六节点和第九节点之间连接 第十压杆，第七节点和第十节点之间连接第十一压杆，第八节点和第十一节点 之间连接第十二压杆。

2.  根据权利要求1所述的类立方八面体张拉整体结构，其特征是：所有拉 索的长度相等，所有压杆的长度相等，压杆的长度是拉索长度的1.732倍。

类立方八面体张拉整体结构
技术领域
本发明涉及的是一种张拉整体结构。
背景技术
“张拉整体”概念是美国著名建筑师富勒(R.B.Fuller)的发明，这指“张 拉”(tensile)和“整体”(integrity)的缩合。富勒认为宇宙的运行是按照张拉 一只析原理进行的，即万有引力是一个平衡的张力网，而各个星球是这个网中 的一个个孤立点。由于张拉整体结构固有的符合自然规律的特点，最大限度地 利用了材料和截面的特性，可以用尽量少的钢材建造超大跨度建筑。
张拉整体结构是一种由拉索与压杆组成的预应力自平衡体系，该类结构的 刚度由预应力提供，且构件内力自我相互平衡，一旦失去预应力，结构将不再 成立。张拉整体结构具有质量轻、跨度大、造型优美等优点，受到了学术及工 程界的广泛关注。由于张拉整体结构是一种预应力自平衡体系，其节点位置与 构件的连接关系必须满足预应力自平衡条件，不能像其他结构体系那样任意地 构造几何形态。因此，现有的张拉整体结构一般为非规则的几何形状。
发明内容
本发明的目的在于提供具有正四面体与正六面体特性的类立方八面体张拉 整体结构。
本发明的目的是这样实现的：
本发明类立方八面体张拉整体结构，其特征是：包括由第一-第十二节点以 及第一-第二十四根拉索组成的立方八面体，第一-第十二节点分别为立方八面 体的12个顶点，第一-第二十四根拉索分别为立方八面体的24条棱边，将立方 八面体表面的6个正边形其中之一水平放置，12个顶点自下而上分成三层，成 逆时针排列的第一-第四节点位于第一层，成逆时针排列的第五-第八节点位于 第二层，成逆时针排列的第九-第十二节点位于第三层，第一节点和第二节点之 间连接第一根拉索，第二节点和第三节点之间连接第二根拉索，第三节点和第 四节点之间连接第三根拉索，第四节点和第一节点之间连接第四根拉索，第五 节点分别通过第五根拉索和第六根拉索与第一节点和第二节点相连，第六节点 分别通过第七根拉索和第八根拉索与第二节点和第三节点相连，第七节点分别 通过第九根拉索和第十根拉索与第三节点和第四节点相连，第八节点分别通过 第十一跟拉索和第十二根拉索与第四节点和第一节点相连，第九节点分别通过 第十三根拉索和第十四根拉索与第五节点和第八节点相连，第十节点分别通过 第十五根拉索和第十六根拉索与第五节点和第六节点相连，第十一节点分别通 过第十七根拉索和第十八根拉索与第六节点和第七节点相连，第十二节点分别 通过第十九跟拉索和第二十根拉索与第七节点和第八节点相连，第一节点和第 十节点之间连接第一压杆，第一节点和第七节点之间连接第二压杆，第二节点 和第十一节点之间连接第三压杆，第二节点和第八节点之间连接第四压杆，第 三节点和第十二节点之间连接第五压杆，第三节点和第五节点之间连接第六压 杆，第四节点和第九节点之间连接第七压杆，第四节点和第六节点之间连接第 八压杆，第五节点和第十二节点之间连接第九压杆，第六节点和第九节点之间 连接第十压杆，第七节点和第十节点之间连接第十一压杆，第八节点和第十一 节点之间连接第十二压杆。
本发明还可以包括：
1、所有拉索的长度相等，所有压杆的长度相等，压杆的长度是拉索长度的 1.732倍。
本发明的优势在于：
1、本发明为二阶张拉整体结构。由于张拉整体结构固有的符合自然规律的 特点，最大限度地利用了材料和截面的特性，可以用尽量少的材料建造大跨度 结构或建筑。
2、本发明结构中的所有杆的长度相等，所有索的长度相等。使材料加工方 便，利于大批量生产。
3、该结构是由压杆和拉索构成通过改变自身的应力来改善受力状态，从而 提高承载能力。
4、本发明所具有的特性主要取决于其独特的形态及杆索材料本身的性能。 用该结构可以创造出传统建筑体系无法实现的设计方案。
附图说明
图1为本发明的立体图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明的正视图；
图4为本发明的左视图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1～4，本发明中的立方八面体张拉整体结构，其形状是在正方体的 基础上，将相邻两边中点相连，截去八个角后得到的单元。因此得到的单元结 构正方形面的数目为6，其三角形面数目为8，共有面14个。因为同样种类的 正多边形面棱不相交，故可以计算其边数乘以面的数目来得其棱的数目：3×8＝4 ×6＝24。
本发明中的立方八面体张拉整体结构由12个节点、24根拉索和12根压杆 组成，12个节点分别位于立方八面体的12个顶点，并分布在同一个球面上， 即立方八面体的外接球，该外接球半径等于索长，也就是立方八面体的棱长； 24根拉索分别分布在立方八面体的24条棱边上，12根压杆位于立方八面体的 内部。按如下分布：立方八面体表面共有6个正边形，选一个正边形与水平面 重合放置，则12个点共分三层，每层有四点，第一层为选中正边形所在平面， 选取该正边形任意一点为第一点，从上往下看逆时针另外三点依次为第二第三 点第四点。第二层在第一层上方，共有四点，其中与第一点和第二点均用索相 连的为第五点，第二层的四个点从上往下看逆时针排列依次为第五点、第六点、 第七点、第八点。第三层在第二层上方，在第三层中与第五点用索连接的点分 别第九和第十点，从上往下看第三层中四个点逆时针排列依次为第九第十第十 一第十二点。则有12根压杆分别为第一根压杆由第1点连接第10点、第二根 压杆由第1点连接第7点、第三根压杆由第2点连接第11点、第四根压杆由第 2点连接第8点、第五根压杆由第3点连接第12点、第六根压杆由第3点连接 第5点、第七根压杆由第4点连接第9点、第八根压杆由第4点连接第6点、 第九根压杆由第5点连接第12点、第十根压杆由第6点连接第9点、第十一根 压杆由第7点连接第10点、第十二根压杆由第8点连接第11点。12根杆共组 成4个等边三角形。且四个等边三角形相互嵌套，丰富了张拉整体的构型象限 空间；其中，所有拉索的长度相等，所有压杆的长度相等。杆和索在节点处连 接，每个节点连接4根拉索和2根压杆，所有拉索存在预拉力，所有压杆存在 预压力，拉索的预拉力和压杆的预压力相互平衡。
这种结构的12个节点分别为第一节点A、第二节点B、第三节点C、第四节 点D、第五节点E、第六节点F、第七节点G、第八节点H、第九节点I、第十节 点J、第十一节点K、第十二节点M。用索两端的两个节点编号来描述每根索， 24根拉索分别为第一根索AI、第二根索BI、第三根索BK、第四根索AK、第五 根索EI、第六根索FI、第七根索FJ、第八根索EJ、第九根索GM、第十根索HM、 第十一根索HK、第十二根索GK、第十三根索CJ、第十四根索CM、第十五根索 DM、第十六根索DJ、第十七根索BF、第十八根索DF、第十九根索DH、第二十根 索BH、第二十一根索AE、第二十二根索CE、第二十三根索CG、第二十四根索 AG。用杆两端的两个节点编号来描述每根杆，12根压杆分别为第一根压杆AM、 第二根压杆FM、第三根压杆AF、第四根压杆DE、第五根压杆DK、第六根压杆 EK、第七根压杆GJ、第八根压杆BG、第九根压杆BJ、第十根压杆CH、第十一根 压杆HI、第十二根压杆CI。
拉索的长度相同，均为L；所述压杆的长度相同，均为1.732L。
当受到外荷载作用时，通过改变构件的内力、调整节点的位置来抵抗外荷 载的作用，但拉索始终处于受拉状态。
在图1中用细线表示拉索，共24根拉索，在图1中用粗线表示压杆，共12 根压杆。
构件的几何长度。用L表示类截角四面体张拉整体结构中拉索长度。则有所 有的拉索长度均为L，所有压杆的长度为1.732L。
将按上述构件几何长度加工好的构件，通过铰接节点按第1条中所描述连 接关系组装在一起，最终得到的张拉整体结构将是立方八面体，且所有的拉索 受拉，整个结构处于自平衡状态。