一种具有六块刚性板折叠单元的可展开柱面网壳结构技术领域
本发明涉及一种具有刚性屋面板的折叠柱面网壳结构，特别是一种具有六块刚性
板折叠单元的可展开柱面网壳结构。
背景技术
折叠结构顶符合当代建筑理念，是大跨空间结构的一个主要发展趋势，它越来越
受到人们的青睐。折叠结构因其具有工期短、易搬迁和可重复利用等优点，已引起了现代建
筑师的极大兴趣。但其在大跨结构中使用较少，主要原因有：（1）折叠网格结构的节点设计
一般比较复杂，目前尚缺乏构造简单且实用、造价低廉的适合工程应用的节点设计；（2）折
叠网格结构的构件除受轴力外，还受一定弯矩，受力性能不佳，造价较高；（3）折叠网格结构
的刚度很差，位移较难满足使用要求。
只有可折叠柱面网壳而则会结构刚度不足，若在柱面网壳上连接具有六块刚性板
折叠单元的刚性屋面则可以很好地提供刚度。此外，上层刚性屋面在展开过程中可形成具
有一定曲率的圆弧面，提供了较大的使用空间，使得此种模型可用于建造展览馆、帐篷等可
供人们使用的场所，其优越性在于该模型展开到某种状态时，会形成具有一定跨度和矢高
的板壳体系。
发明内容
本发明所要解决得技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种结构简
单、施工方便、成本低且受力性好的可折叠柱面结构，能较好地满足临时性建筑方便搭建和
移动及大跨度建筑对折叠功能的要求，更加可以满足结构的刚度和使用舒适需求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有六块刚性板折叠单元的可展开柱面网壳结构，由多榀折叠拱单元在长度方向
连接构成，每榀折叠拱单元上设有刚性屋面板单元系统，其特征在于：所述每榀折叠拱单元
由n个四棱锥基本单元沿着结构跨度方向相连组成，n为≥2的自然数，所述四棱锥基本单元
由四个正向折杆剪式单元组成，所述正向折杆剪式单元由两根折杆组成，所述正向折杆剪
式单元的两根折杆之间上端的夹角大于下端的夹角，四个正向折杆剪式单元依次首尾通过
端部节点连接成环状，四个折杆剪式单元的中间节点位于同一平面内，相邻两榀折叠拱单
元之间采用反向折叠剪式单元连接，所述反向折杆剪式单元也由两根折杆组成，所述反向
折杆剪式单元的两根折杆之间上端的夹角小于下端的夹角，反向折叠剪式单元的端部节点
连接在所述每榀折叠拱单元沿结构长度方向上的正向折叠剪式单元的端部节点上。
所述的四棱锥基本单元上设有刚性屋面板单元。每个刚性屋面板单元由六个三角
形板组成且展开后为矩形，所述六个三角形板两两共线并相交于一顶点，按照逆时针分别
为第一三角形板、第二三角形板、第三三角形板、第四三角形板、第五三角形板和第六三角
形板，他们之间的公共边分别为第一公共边、第二公共边、第三公共边、第四公共边、第五公
共边和第六公共边；在运动过程中，第一三角形板、第六三角形板、第五三角形板和第二三
角形板、第三三角形板、第四三角形板是关于第一公共边和第四公共边形成的平面对称的。
两个相邻四棱锥基本单元的两个上层公共节点与第三三角形板、第六三角形板长边两个中
点铰接。
所述的第二公共边、第三公共边、第五公共边和第六公共边为峰线，第一公共边和
第四公共边为谷线，相邻的三角形板沿着峰线向外折叠，沿着谷线向内折叠，所述向外折叠
是指相邻的三角形板的外法线之间的夹角变大，向内折叠是指相邻的三角形板的内法线之
间的夹角变大。所述的第一三角形板在第一公共边两侧的边线与第一公共边的夹角分别为
第一夹角和第二夹角；在第四公共边两侧的边线与第四公共边的夹角分别为第三夹角和第
四夹角；第一夹角和第四夹角相等且均为90°，第二夹角与第三夹角相等。
所述折杆在中间节点两侧的长度相等。
所述折杆为平面杆或空间结构的杆件。
所述在完全展开状态第一三角形板和二三角形板内法线之间夹角应大于等于
10°。
本发明的机构为单自由度体系，减小了驱动装置的数量；另外，由于本发明构成的
构件数远少于一般的折叠网格结构，因此给人们一种简洁明快的效果，克服了网格结构感
观上杆件繁多凌乱的缺点；并通过其上刚性片使得结构开合灵活，增加了结构的刚度，结构
构造简单，设计和施工方便，特别适合中小跨度的建筑。
附图说明
图1为折杆剪式单示意图；
图2为四棱锥单元示意图；
图3为刚性屋面板单元完全展开示意图
图4为刚性屋面板单元与单个四棱锥单元相连示意图；
图5为刚性屋面板单元与折叠拱单元相连示意图；
图6整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明的基本单元是折杆剪式单元1。每个折杆剪式单元1由两根折杆
2组成，弯折处在折杆2中点，折杆剪式单元1的两根折杆2在弯折处销接连接，虚线是折叠展
开过程中折杆剪式单元的运动轨迹。
四个折叠展开运动方向相同的折杆剪式单元1通过环向相连组成一个可折叠展开
的四棱锥单元3，如图2所示。固定端部任意一个折杆剪式单元1，就形成了单自由度体系，可
实现整体展开和折叠。确定结构跨度后为避免几何不相容折杆尺寸都通过做辅助线来确
定。一个四棱锥单元3可认为是以一个折杆剪式单元1为对象，该折杆剪式单元1折叠展开运
动中心为中心点环形阵列形成的。n个这样的四棱锥单元3首尾相连，沿跨度方向环绕半个
圆周组成一榀折叠拱单元4，如图5所示。沿结构长度方向，相邻折杆剪式单元运动方向相
反。每榀折叠拱单元间通过（n+1）个与折叠拱内基本折杆剪式单元运动方向相反的折杆剪
式单元相连，就形成了可折叠柱面网壳5。
可折叠柱面网壳5上设有刚性屋面6。四棱锥基本单元3上设有刚性屋面板单元，每
个刚性屋面板单元由六个三角形板7组成且展开后为矩形，所述六个三角形板两两共线并
相交于一顶点，按照逆时针分别为第一三角形板71、第二三角形板72、第三三角形板73、第
四三角形板74、第五三角形板75和第六三角形板76，他们之间的公共边分别为第一公共边
77、第二公共边78、第三公共边79、第四公共边710、第五公共边711和第六公共边712；在运
动过程中，第一三角形板71、第六三角形板76、第五三角形板75和第二三角形板72、第三三
角形板73、第四三角形板74是关于第一公共边77和第四公共边710形成的平面对称的。所述
的第二公共边78、第三公共边79、第五公共边711和第六公共边712为峰线，第一公共边77和
第四公共边710为谷线，相邻的三角形板沿着峰线向外折叠，沿着谷线向内折叠，所述向外
折叠是指相邻的三角形板的外法线之间的夹角变大，向内折叠是指相邻的三角形板的内法
线之间的夹角变大。所述的第一三角形板71在第一公共边77两侧的边线与第一公共边77的
夹角分别为第一夹角713和第二夹角714；在第四公共边710两侧的边线与第四公共边710的
夹角分别为第三夹角715和第四夹角716；第一夹角713和第四夹角716相等且均为90°，第二
夹角714与第三夹角715相等。
折叠起来之后，刚性屋面板单元之间按照一定的角度进行旋转排列，从而形成了
具有一定曲率的圆弧面，体系在运动过程中将形成柱面壳的构形。将折起来的刚性屋面与
下部可折叠柱面网壳5相连，即把两个相邻四棱锥基本单元的两个上层公共节点与第三三
角形板、第六三角形板长边两个中点铰接如图4所示。整体结构结构如图6所示。