多面体空间刚架.pdf

本发明涉及一种多面体空间刚架，属于结构工程技术领域。其特征是所述多面体空间刚架由能够填充三维空间的基本单元3，由十二面体1，十四面体2组成的类WP多面体组成，将类WP多面体沿三个相互正交的方向阵列形成阵列体4，阵列体4旋转形成旋转体5，然后在此空间内按照建筑边界7切割出建筑空间，切割形成的边线以及原有多面体的边形成的杆件体系最终构成建筑结构6，杆件之间的连接点即为结构的节点。本发明涉及的多面体空间刚架结构内部只有四种不同长度的杆件、节点种类少，一个节点上只有四根杆件汇交，抗震性能好，延性高，可用于大跨屋盖(楼盖)和墙体结构。

1.  一种多面体空间刚架，其特征在于：它主要含有，十二面体(1)，十四面体(2)，基本单元(3)，基本单元阵列体(4)，基本单元旋转体(5)，多面体空间刚架(6)，建筑边界棱线(7)，内部节点(8)，表面节点(9)，杆件(10)，支座(11)；所述多面体空间刚架(6)是由基本单元(3)，经过阵列形成基本单元阵列体(4)，基本单元阵列体(4)经旋转形成基本单元旋转体(5)，再按照建筑边界棱线(7)切割，最终形成的边线与原有多面体的边共同形成的杆件空间结构体系。

2.  根据权利要求1所述的多面体空间刚架，其特征在于：所述基本单元(3)是由十二面体(1)，十四面体(2)，沿三个相互正交的方向阵列形成类WP多面体，由类WP多面体填充的空间，切割出建筑空间。

3.  根据权利要求1所述的多面体空间刚架，其特征在于：所述在多面体空间刚架(6)中，其内部节点(8)的形式为焊接空心球节点或相贯节点，所述表面节点(9)的形式为焊接空心球节点、相贯节点、鼓节点或半球半鼓节点。

4.  根据权利要求1所述的多面体空间刚架，其特征在于：所述在多面体空间刚架(6)中，其杆件(10)截面是等截面或变截面。

5.  根据权利要求1所述的多面体空间刚架，其特征在于：所述在多面体空间刚架(6)中，其支座(11)形式为铰接、半刚性连接或固接。

多面体空间刚架
技术领域
本发明涉及一种新型多面体空间刚架，属于结构工程技术领域。
背景技术
1993年，爱尔兰教授Denis Weaire和Robert Phelan提出一种新的气泡形式——Weaire-Phelan气泡，Weaire-Phelan气泡中包含两种多面体单元——十二面体单元1和十四面体单元2。两者共有三种表面形状，即一种六边形和两种五边形，棱边有四种边长，角点形式则有三种。6个十四面体和2个十二面体可组成基本单元组合3，基本单元组合可以沿三个互相正交的方向阵列填充三维空间4。
国家游泳中心“水立方”结构所采用的多面体具有Weaire-Phelan气泡单元的所有几何特性，只是四种边长的比例不同，我们把这种由Weaire-Phelan气泡单元衍生、改良而成的多面体命名为类Weaire-Phelan多面体，简称类WP多面体。与Weaire-Phelan单元一样，类WP多面体由十二面体和十四面体两种单元组成，6个十四面体单元和2个十二面体单元形成基本单元组合，基本单元组合沿三个相互正交的方向延伸可填充三维空间。
类WP多面体基本单元组合可以沿三个相互正交的方向进行阵列，从而形成由类WP多面体填充的大立方块。与普通网架结构不同的是，这种由多面体形成的大立方块的外边界是凸凹不平的，若要形成平整的建筑表面必须用平面对它进行切割。出于建筑表面视觉效果的需要，也可先将大立方块旋转后再进行切割5。十二面体1，十四面体2，在切割平面上切出的边线就分别构成了屋盖结构的上、下弦杆或墙体结构的内、外表面弦杆，而切割面之间所保留的原有各单元体的棱边则构成了结构内部的腹杆，最终形成的多面体刚架6。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全新的结构形式，它具有重复性高，节点种类少，节点汇交杆件少，抗震延性好等优点。
本发明提出的一种多面体空间刚架，其特征在于：它主要含有，十二面体1，十四面体2，基本单元3，基本单元阵列体4，基本单元旋转体5，多面体空间刚架6，建筑边界棱线7，内部节点8，表面节点9，杆件10，支座11；所述多面体空间刚架6是由基本单元3，经过阵列形成基本单元阵列体4，基本单元阵列体4经旋转形成基本单元旋转体5，再按照建筑边界棱线7切割，最终形成的边线与原有多面体的边共同形成的杆件空间结构体系。
在上述多面体空间刚架中，几何构成具有高度的重复性，它的内部只有四种不同长度的杆件、节点种类少，一个节点上只有四根杆件汇交；
在上述多面体空间刚架中，其基本单元类WP多面体由WP多面体改良而来，它具有与WP多面体相同的几何特性。
在上述多面体空间刚架中，通过改变多面体的形状、旋转由类WP多面体填充的空间、改变切割位置来满足不同的建筑表面效果和结构构成优化目标。
在上述多面体空间刚架中，其特征在于，其杆件铰接时几何可变，必须刚接；
在上述多面体空间刚架中，其杆单元同时承受轴力、双向弯矩，双向剪力和扭矩，但扭矩很小，可以不予考虑；
在上述多面体空间刚架中，其内部节点形式可以是焊接空心球节点或相贯节点，表面节点形式可以是焊接空心球节点、相贯节点、鼓节点或半球半鼓节点；
在上述多面体空间刚架中，其支座形式可以铰接、半刚性连接和固接；
在上述多面体空间刚架中，其杆件截面可以是等截面或变截面；
本发明提出的多面体空间刚架结构，是一种全新的空间钢结构，它将自然界中存在的气泡多面体引入到建筑结构中，达到建筑和结构的完美结构，同时由于其良好的延性，可以应用于屋盖(楼盖)和墙体结构，具有较好的工程应用前景。
附图说明
图1是本发明的构成单位十二面体的立面图。
图2是本发明的构成单位十四面体的立面图。
图3是由本发明的基本单元的立面图。
图4是由本发明的基本单元阵列而成的阵列体立面图。
图5是本发明的阵列体旋转而成的旋转体立体图。
图6是本发明的多面体空间刚架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
请见附图1～6。1-十二面体，2-十四面体，3-基本单元，4-基本单元阵列体，5-基本单元旋转体，6-多面体空间刚架，7-建筑边界棱线，8-内部节点，9-表面节点，10-杆件，11-支座。
本发明的一种新型空间刚架。所述多面体空间刚架的基本构成单位十二面体1，和十四面体2，相互结合构成基本单元3。经阵列形成阵列体4，再由阵列体4，旋转形成旋转体5，按照建筑边界7切割，最终形成本发明的这种多面体空间刚架6。
实施例一
首先，由十二面体、十四面体组成的基本单元，可以按照一等的规律阵列、旋转，然后再按预定的方式进行切割，就能形成本发明所述的空间刚架。其中，十二面体、十四面体的边长，以及切割的方式都可以改变。
多面体空间刚架的构成需要经过多面体单元的组合、阵列、旋转、切割等过程，因此基本单元、旋转轴、旋转角度、切割面的位置等都是影响整体结构几何构成的重要参数，且都可以改变。使之满足以下两方面的要求：
(1)切割形成的表面(屋面或墙面)满足建筑效果的要求。如“水立方”结构，要求屋面和墙面的多边形图案达到既具有重复性而又能保持一个随机无序的视觉效果。
(2)结构构造的要求。为了避免结构的内部节点碰到表面弦杆，切割面的位置应满足内部节点离切割面的最小距离不小于某一特定值，如“水立方”中要求不小于0.5m。
可以将本发明应用于屋盖、楼盖和墙体结构。