本发明公开了一种环向开合屋盖结构,由多榀球面四连板机构组成,所述的球面四连板机构由第一平板、第二平板、第三平板及第四平板组成,所述的第一平板和第四平板为锥形板,所述的第二平板和第三平板为锥台形板,所述的第二平板设置在第一平板的锥形底面上且通过中部柱铰连接,所述的第三平板设置在第四平板的锥形底面上且通过另一中部柱铰连接,第二平板和第三平板通过其公共边滚动铰连接,第四平板和第一平板通过公共边滚动铰连接;一个球面四连板机构的第一平板和相邻球面四连板机构的第四平板滚动铰连接,且其第二平板和相邻球面四连板机构的第三平板也是滚动铰连接。
1.一种环向开合屋盖结构,其特征在于:由多榀球面四连板机构组成,所述的球面四连板机构由第一平板(1)、第二平板(2)、第三平板(3)及第四平板(4)组成,所述的第一平板(1)和第四平板(4)为锥形板,所述的第二平板(2)和第三平板(3)为锥台形板,所述的第二平板(2)设置在第一平板(1)的锥形底面上且通过中部柱铰连接,所述的第三平板(3)设置在第四平板(4)的锥形底面上且通过另一中部柱铰连接,第二平板(2)和第三平板(3)通过其公共边滚动铰连接,第四平板(4)和第一平板(1)通过公共边滚动铰连接;一个球面四连板机构的第一平板(1)和相邻球面四连板机构的第四平板(4)滚动铰连接,且其第二平板(2)和相邻球面四连板机构的第三平板(3)也是滚动铰连接;位于端部的一榀球面四连板机构的第一平板(1)和第四平板(4)的交线的两个端点与屋盖支撑结构铰接,其余各榀球面四连板机构第一平板(1)和第四平板(4)的交线的两个端点中的内侧端点与屋盖支撑结构铰接,外侧端点与屋盖支撑结构滑动连接;一个球面四连板机构的第一平板(1)和相邻球面四连板机构的第四平板(4)两平板的连接面为圆弧形面,且其第二平板(2)和相邻球面四连板机构的第三平板(3)两平板的连接面也为圆弧形面;所述的滚动铰包括两个固定端和中间的柔性连接段,两个固定端分别连接在第一平板(1)和第四平板(4)上或第二平板(2)和第三平板(3)上。技术领域
本发明涉及一种开合屋盖结构,特别是一种环向开合屋盖结构。
背景技术
如果将机构学的发展过程看作是由相对简单的平面机构到较为复杂的球面机构,再由球面机构发展到更为复杂的空间机构,则球面机构就是架在平面机构和空间机构之间的桥梁。球面四杆机构是最基本的、最常用的球面机构,典型的球面四杆机构如图1所示。图中所示,A、B、C和D轴线为球面四杆机构的四个柱铰的轴线,均指向圆心O点。事实上真正的球面机构并不要求各个杆的形状成圆弧状,只要各杆都做球面运动即可。当机构运动时,其构件上所有点在一个与固定点保持不变距离的球面上运动。开合屋盖是在建筑理念中引入机构学思想的结果,是现代体育建筑的一个主要发展趋势,它越来越受到人们的青睐。我国在最近十几年兴起了建造开合结构的热潮,小规模的开合式屋顶建筑已经有数十座,目前运行状况良好,大型开合结构的建造也有了一定的成就。但国内外现已建成的数百座开合屋盖建筑结构形式和开合机理较为简单,而且开合屋盖的研究滞后于工程实践状态。如何将机构学理论和开合屋盖结合起来更是急需解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种环向开合屋盖结构,xa0该开合屋盖不仅能满足建筑对屋盖开合的各项功能要求,还具有设计和施工方便等优点,能较好地满足中小跨度建筑对屋盖开合功能的要求。为了达到上述目的,本发明采用了如下技术方案:一种环向开合屋盖结构,其特征在于:由多榀球面四连板机构组成,所述的球面四连板机构由第一平板、第二平板、第三平板及第四平板组成,所述的第一平板和第四平板为锥形板,所述的第二平板和第三平板为锥台形板,所述的第二平板设置在第一平板的锥形底面上且通过中部柱铰连接,所述的第三平板设置在第四平板的锥形底面上且通过另一中部柱铰连接,第二平板和第三平板通过其公共边滚动铰连接,第四平板和第一平板通过公共边滚动铰连接;一个球面四连板机构的第一平板和相邻球面四连板机构的第四平板滚动铰连接,且其第二平板和相邻球面四连板机构的第三平板也是滚动铰连接;位于端部的一榀球面四连板机构的第一平板和第四平板的交线的两个端点与屋盖支撑结构铰接,其余各榀球面四连板机构第一平板和第四平板的交线的两个端点中的内侧端点与屋盖支撑结构铰接,外侧端点与屋盖支撑结构滑动连接。一个球面四连板机构的第一平板和相邻球面四连板机构的第四平板两平板的连接面为圆弧形面,且其第二平板和相邻球面四连板机构的第三平板两平板的连接面也为圆弧形面。所述的第一平板和第四平板之间、所述的第二平板和第三平板之间存采用滚动节点连接,该滚动节点包括两个固定端和中间的柔性连接段,两个固定端分别连接在第一平板和第四平板上或第二平板和第三平板上。本发明的有益效果是,本发明由球面四连板机构组合而成,实现了屋盖体系的环向开启和闭合;在屋盖开合过程中,各个球面四连板机构之间是运动相容的,不会产生额外的内力,其受力性能优越;而且本发明的平板式开合屋盖机构为单自由度体系,减小了屋盖驱动装置的数量;采用滚动节点连接相邻平板,可以避免运动过程中相邻构件的碰撞,增大了四连板机构的运动行程,从而提高了开合屋盖的收缩率;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;而且其构造合理、设计和施工简单,特别适合中小跨度的建筑。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明:图1是球面四连杆机构示意图图2环向开合屋盖结构俯视图。图3环向开合屋盖结构三维图。图4是球面四连板机构基本单元示意图。图5是第一平板和第二平板连接侧视图。图6是第一平板和第二平板连接俯视图。图7是典型销接节点示意图。图8是考虑拓扑干涉的四连杆设计示意图,其中(a)味侧视图,(b)为俯视图。图9是滚动铰运动示意图。图10是第一平板和第四平板制作示意图。图11是第二平板和第三平板制作示意图。图12是滚动铰制作示意图。图13是球面四连板机构基本单元完全展开状态示意图。图14是球面四连板机构基本单元部分展开状态示意图。图15是球面四连板机构基本单元完全折叠状态示意图。
具体实施方式
下面参照说明书附图,对本发明的具体实施方式作出更为详细的说明:如图2和图3所示,一种环向开合屋盖结构,由四块平板组成的球面四连板机构沿屋盖环向相互连接构成。所述的球面四连板机构,如图4所示,是由第一平板1、第二平板2、第三平板3及第四平板4组成,且第一平板1和第二平板2通过中部柱铰连接(如图5和6所示),第二平板2和第三平板3通过其公共边滚动铰连接,第三平板3和第四平板4通过中部柱铰连接,第四平板4和第一平板1通过公共边滚动铰连接。所述的球面四连板机构有多榀,图2和图3所示的结构有3榀球面四连板机构,其中位于端部的一榀的第一平板1和第四平板4的交线的两个端点与屋盖支撑结构铰接,其余各榀球面四连板机构第一平板1和第四平板4的交线的两个端点中的内侧端点与屋盖支撑结构铰接,外侧端点与屋盖支撑结构滑动连接,也即这些节点可以沿着屋盖环向滑移,一个球面四连板机构的第一平板1和相邻球面四连板机构的第四平板4滚动铰连接,且其第二平板2和相邻球面四连板机构的第三平板3也是滚动铰连接。所述球面四连板结构的第一平板1和第四平板4位于屋盖支撑结构的内侧,第二平板2和第四平板4位于屋盖支撑结构的外侧。所述的平板可以是钢结构、混凝土结构或者木结构。四连杆机构以及折叠板壳体系中最常用的销接节点如图7所示。该节点拥有一个旋转自由度,其可以连接两根杆件,也可以连接两块板。但其缺点是由于节点的尺寸问题,两个构件在折叠时,会产生碰撞,从而限制其运动,机构学中称之为“拓扑干涉”。图8为常用的考虑拓扑干涉的平面四连杆机构设计示意图,从图中可以看出,其主要思路是将两根杆件放置在不同平面,从而避免相邻杆件间的碰撞。本发明第一平板1和第二平板2的连接方式即是通过将两块板放置在不同平面,避免杆件在运动过程中的碰撞,但是本发明中第二平板2和第三平板3的连接不能错位。所以在该处本发明使用了滚动铰连接,如图9所示。由图中可以看出,滚动节点连接相邻平板的端部均为半圆柱,其半圆柱的直径可以相等也可以不相等,图9所示为半径相等的案例。两个半圆柱的接触方式为滚动接触,其运动过程如图中所示。当机构运动时,其中一个半圆柱绕着另外一个半圆柱旋转,两个面之间没有滑动;两个半圆柱轴心线之间的距离始终保持相等,为两个半圆柱半径之和。图10所示为组成滚动节点连接球面四连板机构中第一平板1和第四平板4的几何示意图。如图中所示,该板由一个中间的四棱锥以及两边各半个圆锥组成。而其第二平板2和第三平板3也类似于第一平板1和第四平板4,由一个中间的四棱锥台以及两边各半个圆锥台组成,如图11所示。滚动节点的制作方法如图12所示,用超薄条带状板将节点连接平板端部的两个半圆锥体(或者半圆锥台)相连。其中AB和DE部分固定在平板上,而BC和CD部分和平板分离。图13-15为滚动铰连接球面四连板机构基本单元完全展开状态、部分展开状态和完全折叠状态示意图。所述的超薄条带状板可以是钢板或碳纤维板或者其他复合材料板。