一种外环内六角形空间网格结构装配式节点技术领域
本发明涉及建筑业空间结构设计技术领域，具体涉及一种外环内六角形空间网格
结构装配式节点。
背景技术
随着经济社会快速的发展，建筑设计理论不段提高，建筑形式灵活多样的单层空
间网格结构被广泛运用在各类地标性钢结构建筑当中。其中装配式空间网格结构以其建造
周期短、施工方便、施工污染少在空间网格结构中所占的比例也越来越大。随着结构设计和
施工技艺的不断提升，人们越来越追求质量轻盈结构线条优美的建筑形式。而装配式节点
作为装配式空间网格结构的重要组成部分自然也受到了人们的广泛关注，但是现有技术的
球面螺栓球等装配式节点主要用于规则形曲面而且其重量较大，而以高精度加工而成的装
配式节点体系往往又造价太高。因此，开发出一种质量小、装配性能好、造价适中同时又满
足力学性能要求的装配式节点是非常必要的。
基于此本发明公开了一种外环内六角形空间网格结构装配式节点，该种节点质量
轻盈，具有良好的装配性能，富有卓越的建筑美感，达到力学和美学的统一，深受建筑师和
结构师喜爱，在单层空间网格结构领域有着良好的应用前景。
发明内容
本发明的目的是针对现有装配式节点存在的问题，提供一种节点质量轻盈、可快
速现场装配且力学性能优良的单层空间三角形网络结构装配式节点。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种外环内六角形空间网格结构装配式节点，包括内环(1)、外环(2)、中心环(3)、
螺栓(5)、封板(6)和连接杆件(7)，所述内环(1)和外环(2)均为圆柱，且所述内环(1)沿中心
轴开设有圆形孔洞一(16)，所述外环(2)沿中心轴开设有圆形孔洞二(17)；
所述中心环(3)为六角星形柱体，所述中心环(3)包括外凸六角(14)，所述外凸六
角(14)均处于同一个圆形面一上，所述中心环(3)沿中心轴开设有六角星形孔洞(18)，所述
六角星形孔洞(18)包括内凸六角(15)，所述内凸六角(15)均处于同一个圆形面二上，所述
外凸六角(14)的对称面和内凸六角(15)的对称面为同一个平面；所述中心环(3)安装于外
环(2)的圆形孔洞二(17)中，所述圆形面一的直径等于圆形孔洞二(17)的直径，所述中心环
(3)与外环(2)的中心轴在同一条直线上；所述内环(1)安装于中心环(3)的六角星形孔洞
(18)中，所述中心环(3)的中心轴和内环(1)的中心轴在同一条直线上，且所述圆形孔洞一
(16)的直径等于圆形面二的直径；
所述外环(2)的外圆周壁上均匀开设有第二螺栓孔(9)，所述封板(6)上均匀开设
有第三螺栓孔(11)，所述螺栓(5)依次穿过第三螺栓孔(11)和第二螺栓孔(9)将封板(6)与
外环(2)连接，且所述封板(6)和连接杆件(7)固定连接。
进一步的，所述内环(1)、外环(2)、中心环(3)的整体结构是基于商用软件
HYPERWORKS平台，利用拓扑优化原理，以节点应变能最小为目标函数，以连续体结构变密度
法为优化算法，采用SIMP材料差值模型，以单元“单元密度”作为设计变量经过迭代优化而
来；
应变能公式可表述为![]()
其中C为应变能，P＝KU，P为结构所受外荷载向量
矩阵，T为矩阵转置符号，U为单元位移向量矩阵，K为刚度矩阵；
所述六角星形孔洞(18)、圆形孔洞二(17)、外凸六角(14)和内凸六角(15)主要通
过所述“单元密度”与节点的材料弹性模量之间的函数关系优化得出，且所述函数关系为：
E(xe)＝(xe)pE0
0＜(xe)min≤xe≤1
其中，E为单元优化后弹性模量，E0为初始弹性模量，p为惩罚系数，(xe)min为材料为
空时的单元密度；xe为单元材料密度，且xe在0～1之间连续取值，程序优化后单元材料密度
xe为[0.6，1]时保留该单元处材料，单元材料密度xe为[0，0.6)时删除该单元处材料。
进一步的，所述中心环(3)的外侧边缘包括曲边一(21)和弧边一(23)，所述六角星
形孔洞(18)包括曲边二(22)和弧边二(24)，所述曲边一(21)符合
![]()
所述曲边二(22)符合f(x)＝-1.57x2+6.78。
进一步的，所述外环(2)的外圆周面切割成十二边形，所述十二边形包括长边(19)
和短边(20)，所述长边(19)和短边(20)交错设置，所述长边(19)长度均相等，所述短边(20)
长度均相等；所述长边的中垂线(12)与外凸六角(14)的中心轴在同一条直线上，所述短边
的中垂线(13)与内凸六角(15)的中心轴在同一条直线上。
进一步的，所述圆形孔洞二(17)的内圆周壁上安装有内垫片(4)，所述内垫片(4)
开设有第一螺栓孔(10)，且所述第一螺栓孔(10)、第二螺栓孔(9)和第三螺栓孔(11)的尺寸
均相同。
进一步的，所述内垫片(4)一侧为矩形平面，另一侧为曲面，所述内垫片(4)的曲面
紧贴圆形孔洞二(17)的内圆周壁，所述第一螺栓孔(10)连通第二螺栓孔(9)。
进一步的，所述螺栓(5)伸入外环(2)内的一端上具有螺纹，所述螺栓(5)依次穿过
第三螺栓孔(11)、第二螺栓孔(9)和第一螺栓孔(10)后运用螺帽(8)套在螺纹上稳定连接。
本发明的有益效果为：
本发明空间网格结构装配式节点形式独特，既增加了空间结构的建筑美感又不失
其优越的力学性能，达到了建筑与结构的完美统一；
本发明装配式节点，其焊接作业全部在工厂完成，各部件生产可实现工厂化加工，
机械化程度高；
现场安装简单，由于现场没有焊接作业，有效减少了施工难度，降低施工工期，同
时保证了施工质量而且最大程度的减少了施工过程对环境的影响。
由于每个杆件由上下左右共四个高强螺栓与节点相连接，从而增加了装配式节点
在平面内外的抗弯能力，提高了力学性能。
附图说明
图1是本发明装配式节点组装示意图；
图2是本发明装配式节点分解示意图；
图3是本发明装配式节点组装俯视示意图；
图4是本发明装配式节点的内垫片示意图；
图5是本发明装配式节点的封板示意图；
图6是本发明装配式节点的中心环结构示意图。
附图标记说明
1-内环、2-外环、3-中心环、4-内垫片、5-螺栓、6-封板、7-连接杆件、8-螺帽、9-第
二螺栓孔、10-第一螺栓孔、11-第三螺栓孔、12-长边的中垂线、13-短边的中垂线、14-外凸
六角、15-内凸六角、16-圆形孔洞一、17-圆形孔洞二、18-六角星形孔洞、19-长边、20-短边、
21-曲边一、22-曲边二、23-弧边一，24-弧边二。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限
定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
如图1至图3所示，一种外环内六角形空间网格结构装配式节点，包括内环1、外环
2、中心环3、螺栓5、封板6和连接杆件7。封板6为矩形钢板，且封板6上均匀开设有四个第三
螺栓孔11，连接杆件7为矩形钢管，封板6与连接杆件7焊接。
内环1和外环2均为圆柱，且内环1沿中心轴开设有圆形孔洞一16，外环2沿中心轴
开设有圆形孔洞二17。
中心环3为六角星形柱体，且中心环3各边均有一定的弧度。中心环3包括六个外凸
六角14，六个外凸六角14均处于同一个圆形面一上。中心环3沿中心轴开设有六角星形孔洞
18，六角星形孔洞18包括六个内凸六角15，六个内凸六角15均处于同一个圆形面二上，外凸
六角14的对称面和内凸六角15的对称面为同一个平面。中心环3安装于外环2的圆形孔洞二
17中，圆形面一的直径等于圆形孔洞二17的直径，中心环3与圆形孔洞二17焊接，且中心环3
与外环2的中心轴在同一条直线上。内环1安装于中心环3的六角星形孔洞18中，圆形孔洞一
16的直径等于圆形面二的直径，内环1与六角星形孔洞18焊接，且中心环3的中心轴和内环1
的中心轴在同一条直线上。
内环1、外环2、中心环3的整体结构是基于商用软件HYPERWORKS平台，利用拓扑优
化原理，以节点应变能最小为目标函数，以连续体结构变密度法为优化算法，采用SIMP材料
差值模型，以单元“单元密度”作为设计变量经过迭代优化而来；
应变能公式可表述为![]()
其中C为应变能，P＝KU，P为结构所受外荷载向
量矩阵，T为矩阵转置符号，U为单元位移向量矩阵，K为刚度矩阵；
六角星形孔洞18、圆形孔洞二17、外凸六角14和内凸六角15主要通过“单元密度”
与节点的材料弹性模量之间的函数关系优化得出，且函数关系为：
E(xe)＝(xe)pE0
0＜(xe)min≤xe≤1
其中，E为单元优化后弹性模量，E0为初始弹性模量，p为惩罚系数，(xe)min为材料
为空时的单元密度；xe为单元材料密度，且xe在0～1之间连续取值，程序优化后单元材料密
度xe为[0.6，1]时，表示该单元处材料很重要，保留该单元处材料，单元材料密度xe为[0，
0.6)时，表示该单元处材料不重要，删除该单元处材料。
如图6所示，中心环3的外侧边缘包括曲边一21和弧边一23，曲边一21为中心环3外
侧面的六分之一，弧边一23为外凸六角14处的边。六角星形孔洞18包括曲边二22和弧边二
24，曲边22为中心环3内侧面的六分之一，弧边二24为内凸六角15处的边，曲边一21符合
![]()
曲边二22符合f(x)＝-1.57x2+6.78。
外环2的外圆周面切割成十二边形，十二边形包括六条长边19和六条短边20。六条
长边19长度均相等，六条短边20长度均相等，长边19和短边20交错设置。长边的中垂线12与
外凸六角14的中心轴在同一条直线上，短边的中垂线13与内凸六角15的中心轴在同一条直
线上。如图3所示，长边的中垂线12与短边的中垂线13的夹角为30°。外环2的外圆周壁上均
匀开设有第二螺栓孔9，第二螺栓孔9处于长边所在的竖直平面上，且每个长边所在的竖直
平面上共有四个第二螺栓孔9。
圆形孔洞二17的内圆周壁上安装有内垫片4，内垫片4开设有两个第一螺栓孔10，
且第一螺栓孔10、第二螺栓孔9和第三螺栓孔11的尺寸均相同。如图4所示，内垫片4一侧为
矩形平面，另一侧为曲面，曲面的弧度与外环2内圆周壁的弧度相吻合。内垫片4的曲面紧贴
圆形孔洞二17的内圆周壁，第一螺栓孔10连通第二螺栓孔9，封板6上的第三螺栓孔11也与
第二螺栓孔9相对称。
螺栓5通过第三螺栓孔11、第二螺栓孔9和第一螺栓孔10依次连接封板6、外环2以
及内垫片4。螺栓5伸入外环2内的一端上具有螺纹，螺栓5依次穿过第三螺栓孔11、第二螺栓
孔9和第一螺栓孔10后运用螺帽8套在螺纹上稳定连接。螺栓5的另一端焊接在封板6上。
根据单层空间三角形网格结构杆件的空间构成，也可将外环2的外侧面进行相应
切割以适应曲线不同角度的需要。
节点装配时，先将螺栓5穿过封板6的第三螺栓孔11，将螺栓5的端部焊接在封板6
的第三螺栓孔11外边缘上。然后封板6再与连接杆件7焊接，并且螺栓5的端部一同焊接入连
接杆件7。然后把内环1、外环2和中心环3焊接组成一个整体，整个焊接过程在工厂批量完
成，可大大提高组装效率。内垫片4可在工厂内部与外环2的内圆周面进行简单的焊接固定，
降低施工现场的高空对准定位的难度。
将焊接组合后的封板6、螺栓5和连接杆件7以及焊接组合后的内环1、外环2、中心
环3和内垫片4运输到施工现场进行现场的整体吊装。
吊装时将螺栓5依次穿过外环2上的第二螺栓孔9和内垫片4的第一螺栓孔10，稳定
整个装置，并保持规整。最后，通过螺栓5在外环2内的一端上具有的螺纹，运用螺帽8拧紧整
个连接装置从而完成组装。
本发明内环1、外环2和中心环3的焊接工作在工厂完成，层次分明，构成了新型本
发明装配式节点主体部分。由于中心环3的存在既减少了节点重量又增加了节点刚度，可谓
是一举两得，在此基础上还可适当减小内环1和外环2的厚度，进一步减轻节点重量。当整个
节点受到压力时，先由外环2承受，继而通过中心环3的过渡将力传给内环1，传力路径明确。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人
员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应
视为本发明的保护范围。