五边形序列多撑杆混合型索穹顶结构

1.本发明属于建筑学技术领域，具体涉及一种五边形序列多撑杆混合型索穹顶结构。


背景技术：

2.索穹顶结构具有优异的受力性能、优美的结构造型和出众的经济指标。目前的研究与实践，均以“拉索的海洋与压杆的孤岛”的fuller构想为基础开展，即索穹顶内每个上下弦节点均只设有一根竖向受压杆件以形成张力场中的压力“孤岛”。由于压杆的水平投影为一个点，同一圈压杆投影形成一道点环，即压杆垂直于水平面，且互不连通，导致其稳定性较差。尤其是肋环型索穹顶结构，上弦节点没有环向构件对其进行约束，致使结构的抗扭刚度和稳定性均存在明显不足。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术不足，提出了一种非传统“拉索的海洋与压杆的孤岛”fuller构想的五边形序列多撑杆混合型索穹顶结构。
4.本发明的索穹顶结构整体由2～5道同心环向子结构构成，包括内环索、外环梁，以及至少一个正放五边形环向子结构和一个倒放五边形环向子结构。
5.所述的正放五边形环向子结构为圆环形，由多个结构和规格相同的正放五边形空间基本单元串连而成；正放五边形空间基本单元包括一个正放脊索顶节点、两个正放脊索侧节点、两个正放脊索底节点和一个三撑杆下弦节点，以及四根正放上弦脊索、一根正放上弦环向构件、三根正放单元撑杆和一对分叉斜索。
6.一个正放脊索顶节点和两个正放脊索侧节点处于第一平面，正放脊索顶节点通过两根长度相同的正放上弦脊索分别与两个正放脊索侧节点连接；两个正放脊索侧节点和两个正放脊索底节点处于第二平面，两个正放脊索侧节点分别通过两根长度相同的正放上弦脊索与两个正放脊索底节点连接，两个正放脊索底节点通过正放上弦环向构件连接；第一平面与第二平面形成水平投影为五边形的折面，三撑杆下弦节点位于该折面下方，并位于五边形投影范围内；三撑杆下弦节点通过两根长度相同的正放单元撑杆分别与两个正放脊索侧节点连接，通过两根长度相同的分叉斜索分别与两个正放脊索底节点连接，并通过另一根正放单元撑杆与正放脊索顶节点连接。
7.多个正放五边形空间基本单元的三撑杆下弦节点通过正放单元环索段依次连接，相邻两个正放五边形空间基本单元共用一个正放脊索侧节点，构成一个正放五边形环向子结构的多个正放五边形空间基本单元对应的节点位于同一圆周上。
8.所述的倒放五边形环向子结构为圆环形，由多个结构和规格相同的倒放五边形空间基本单元串连而成，包括一个倒放脊索顶节点、两个倒放脊索侧节点、两个倒放脊索底节点和一个四撑杆下弦节点，以及四根倒放上弦脊索、一根倒放上弦环向索、四根倒放单元撑杆和一根独立斜索。
9.两个倒放脊索侧节点和两个倒放脊索底节点处于第三平面，两个倒放脊索侧节点分别通过两根长度相同的倒放上弦脊索与两个倒放脊索底节点连接，两个倒放脊索底节点通过倒放上弦环向索连接；一个倒放脊索顶节点和两个倒放脊索侧节点处于第四平面，倒放脊索顶节点通过两根长度相同的倒放上弦脊索分别与两个倒放脊索侧节点连接；第三平面与第四平面形成水平投影为五边形的折面，四撑杆下弦节点位于该折面下方，并位于五边形投影范围内；四撑杆下弦节点通过两根长度相同的倒放单元撑杆分别与两个倒放脊索侧节点连接，通过两根长度相同的倒放单元撑杆分别与两个倒放脊索底节点连接，并通过独立斜索与倒放脊索顶节点连接。
10.多个倒放五边形空间基本单元的四撑杆下弦节点通过倒放单元环索段依次连接，相邻两个倒放五边形空间基本单元共用一个倒放脊索侧节点；构成一个倒放五边形环向子结构的多个倒放五边形空间基本单元对应的节点位于同一圆周上。
11.正放五边形环向子结构和倒放五边形环向子结构沿索穹顶结构整体的径向交替布置。
12.进一步，多个正放单元环索段为一体，且/或多个倒放单元环索段为一体，为整根环形的下弦环索。
13.进一步，对于同一径向的正放、倒放五边形环向子结构，如正放五边形环向子结构位于内环、倒放五边形环向子结构位于外环，则相邻的正放五边形环向子结构和倒放五边形环向子结构共用两个脊索底节点和一根上弦环向索，即正放五边形环向子结构的正放脊索底节点和对应的倒放五边形环向子结构的倒放脊索底节点为同一节点，正放五边形环向子结构的正放上弦环向构件采用正放上弦环向索，与倒放五边形环向子结构的倒放上弦环向索为同一根环向索。
14.进一步，对于同一径向的正放、倒放五边形环向子结构，如倒放五边形环向子结构位于内环、正放五边形环向子结构位于外环，则相邻的倒放五边形环向子结构和正放五边形环向子结构共用一个脊索顶节点，即正放五边形环向子结构的正放脊索顶节点和倒放五边形环向子结构的倒放脊索顶节点为同一节点。
15.进一步，如索穹顶结构整体的最内环为正放五边形环向子结构，则构成该正放五边形环向子结构的相邻正放五边形空间基本单元的正放脊索顶节点通过内环索段连接，内环索段首尾相连，形成内环索。
16.进一步，如索穹顶结构整体的最内环为倒放五边形环向子结构，则构成该倒放五边形环向子结构的相邻倒放五边形空间基本单元的倒放脊索底节点通过内环索段连接，内环索段与倒放上弦环向索交替首尾相连，形成内环索。
17.更进一步，所述的内环索为一体，即整根环形的内环索将正放脊索顶节点或倒放脊索底节点串连。
18.进一步，如索穹顶结构整体的最外环为正放五边形环向子结构，则构成该正放五边形环向子结构的相邻正放五边形空间基本单元的正放脊索底节点通过外环梁段连接，正放五边形环向子结构的正放上弦环向构件采用正放上弦环向梁，与外环梁段交替首尾相连，形成外环梁。
19.进一步，如索穹顶结构整体的最外环为倒放五边形环向子结构，则构成该倒放五边形环向子结构的相邻倒放五边形空间基本单元的倒放脊索顶节点通过外环梁段连接，外
环梁段首尾相连，形成外环梁。
20.更进一步，所述的外环梁为一体，即整根环形的外环梁将正放脊索底节点或倒放脊索顶节点串连。
21.本发明具有的有益效果包括：
22.1、本发明建筑造型简洁、美观、空间效果强；
23.2、本发明和传统常规的张拉整体类索穹顶结构相比，环索数和斜索数可减少一半，减少了索材用量，有效降低工程造价，且便于施工张拉成形；
24.3、本发明设有多根撑杆，有效提高撑杆以及整个结构的稳定性；
25.4、本发明的提出，为索穹顶结构的建筑选型提供了新方案。
附图说明
26.图1为本发明一个实施例的整体结构示意图；
27.图2为本发明另一实施例的整体结构示意图；
28.图3为正放五边形环向子结构的结构示意图；
29.图4为正放五边形空间基本单元的结构示意图；
30.图5为倒放五边形环向子结构的结构示意图；
31.图6为倒放五边形空间基本单元的结构示意图；
32.图7为正放五边形空间基本单元与倒放五边形空间基本单元一种连接方式示意图；
33.图8为图7的侧视图；
34.图9为正放五边形空间基本单元与倒放五边形空间基本单元另一连接方式示意图；
35.图10为图9的侧视图；
36.图11为正放、倒放五边形空间基本单元中形成五边形投影折面的各平面位置示意图。
具体实施方式
37.如图1和2所示，一种五边形序列多撑杆混合型索穹顶结构，由2～5道同心环向子结构构成，包括内环索1、外环梁2，以及至少一个正放五边形环向子结构和一个倒放五边形环向子结构。实施例采用一个正放五边形环向子结构和一个倒放五边形环向子结构。
38.如图1、2、3和4所示，正放五边形环向子结构为圆环形，由多个结构和规格相同的正放五边形空间基本单元3串连而成；正放五边形空间基本单元3包括一个正放脊索顶节点31、两个正放脊索侧节点32、两个正放脊索底节点33和一个三撑杆下弦节点34，以及四根正放上弦脊索301、一根正放上弦环向构件302、三根正放单元撑杆303和一对分叉斜索304。
39.一个正放脊索顶节点31和两个正放脊索侧节点32处于第一平面ⅰ，正放脊索顶节点31通过两根长度相同的正放上弦脊索301分别与两个正放脊索侧节点32连接；两个正放脊索侧节点32和两个正放脊索底节点33处于第二平面ⅱ，两个正放脊索侧节点32分别通过两根长度相同的正放上弦脊索301与两个正放脊索底节点33连接，两个正放脊索底节点33通过正放上弦环向构件302连接；第一平面ⅰ与第二平面ⅱ形成水平投影为五边形的折面，
三撑杆下弦节点34位于所述折面下方，并位于五边形投影范围内；三撑杆下弦节点34通过两根长度相同的正放单元撑杆303分别与两个正放脊索侧节点32连接，通过两根长度相同的分叉斜索304分别与两个正放脊索底节点33连接，并通过另一根正放单元撑杆303与正放脊索顶节点31连接。
40.多个正放五边形空间基本单元3的三撑杆下弦节点34通过正放单元环索段305依次连接，多个正放单元环索段305可以为一体，即整根环形的下弦环索。相邻两个正放五边形空间基本单元3共用一个正放脊索侧节点32。构成一个正放五边形环向子结构的多个正放五边形空间基本单元3对应的节点位于同一圆周上。
41.如图1、2、5和6所示，倒放五边形环向子结构为圆环形，由多个结构和规格相同的倒放五边形空间基本单元4串连而成；倒放五边形空间基本单元包括一个倒放脊索顶节点41、两个倒放脊索侧节点42、两个倒放脊索底节点43和一个四撑杆下弦节点44，以及四根倒放上弦脊索401、一根倒放上弦环向索402、四根倒放单元撑杆403和一根独立斜索404。
42.两个倒放脊索侧节点42和两个倒放脊索底节点43处于第三平面ⅲ，两个倒放脊索侧节点42分别通过两根长度相同的倒放上弦脊索401与两个倒放脊索底节点43连接，两个倒放脊索底节点43通过倒放上弦环向索402连接；一个倒放脊索顶节点41和两个倒放脊索侧节点42处于第四平面ⅳ，倒放脊索顶节点41通过两根长度相同的倒放上弦脊索401分别与两个倒放脊索侧节点42连接；第三平面ⅲ与第四平面ⅳ形成水平投影为五边形的折面，四撑杆下弦节点44位于所述折面下方，并位于五边形投影范围内；四撑杆下弦节点44通过两根长度相同的倒放单元撑杆403分别与两个倒放脊索侧节点42连接，通过两根长度相同的倒放单元撑杆403分别与两个倒放脊索底节点43连接，并通过独立斜索404与倒放脊索顶节点41连接。
43.多个倒放五边形空间基本单元4的四撑杆下弦节点44通过倒放单元环索段405依次连接，多个倒放单元环索段405可以为一体，即整根环形的下弦环索。相邻两个倒放五边形空间基本单元4共用一个倒放脊索侧节点42。构成一个倒放五边形环向子结构的多个倒放五边形空间基本单元4对应的节点位于同一圆周上。
44.正放五边形环向子结构和倒放五边形环向子结构沿索穹顶结构整体的径向交替布置，同一径向的正放、倒放五边形环向子结构的连接方式如下：
45.如图1、7和8所示，如正放五边形环向子结构位于内环、倒放五边形环向子结构位于外环，则相邻的正放五边形环向子结构和倒放五边形环向子结构共用两个脊索底节点和一根上弦环向索，即正放五边形环向子结构的正放脊索底节点33和对应的倒放五边形环向子结构的倒放脊索底节点43为同一节点，正放五边形环向子结构的正放上弦环向构件302采用正放上弦环向索，与倒放五边形环向子结构的倒放上弦环向索402为同一根环向索。
46.如图2、9和10所示，如倒放五边形环向子结构位于内环、正放五边形环向子结构位于外环，则相邻的倒放五边形环向子结构和正放五边形环向子结构共用一个脊索顶节点，即正放五边形环向子结构的正放脊索顶节点31和倒放五边形环向子结构的倒放脊索顶节点41为同一节点。
47.如图1所示，如索穹顶结构整体的最内环为正放五边形环向子结构，则构成该正放五边形环向子结构的相邻正放五边形空间基本单元的正放脊索顶节点31通过内环索段连接，内环索段首尾相连，形成内环索1。内环索1可以为一体，即整根环形的内环索将正放脊
索顶节点31串连。
48.如图2所示，如索穹顶结构整体的最内环为倒放五边形环向子结构，则构成该倒放五边形环向子结构的相邻倒放五边形空间基本单元的倒放脊索底节点43通过内环索段连接，内环索段与倒放上弦环向索402交替首尾相连，形成内环索1。内环索1可以为一体，即整根环形的内环索将倒放脊索底节点43串连。
49.如图2所示，如索穹顶结构整体的最外环为正放五边形环向子结构，则构成该正放五边形环向子结构的相邻正放五边形空间基本单元的正放脊索底节点33通过外环梁段连接，正放五边形环向子结构的正放上弦环向构件302采用正放上弦环向梁，与外环梁段交替首尾相连，形成外环梁2。外环梁2可以为一体，即整根环形的外环梁将正放脊索底节点33串连。
50.如图1所示，如索穹顶结构整体的最外环为倒放五边形环向子结构，则构成该倒放五边形环向子结构的相邻倒放五边形空间基本单元的倒放脊索顶节点41通过外环梁段连接，外环梁段首尾相连，形成外环梁2。外环梁2可以为一体，即整根环形的外环梁将倒放脊索顶节点41串连。
51.如图11所示，正放五边形空间基本单元中形成五边形投影折面的第一平面ⅰ和第二平面ⅱ，以及倒放五边形空间基本单元中形成五边形投影折面的第三平面ⅲ和第四平面ⅳ，各平面与水平面的夹角其中，f为结构矢高，l为结构跨度；同一径向的正放、倒放五边形环向子结构中，以内环索上的一个节点作为起始脊索节点，以外环梁上的一个节点作为终止脊索节点，同一圆周选择一个节点作为脊索节点，n为脊索节点的数量，ri为第i个脊索节点与整体结构中心轴的水平距离。
52.本发明所述具体实施方案为本发明的较佳实施案例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

技术特征：
1.五边形序列多撑杆混合型索穹顶结构，由2～5道同心环向子结构构成，包括内环索、外环梁，以及至少一个正放五边形环向子结构和一个倒放五边形环向子结构；其特征在于：所述的正放五边形环向子结构为圆环形，由多个结构和规格相同的正放五边形空间基本单元串连而成；正放五边形空间基本单元包括一个正放脊索顶节点、两个正放脊索侧节点、两个正放脊索底节点和一个三撑杆下弦节点，以及四根正放上弦脊索、一根正放上弦环向构件、三根正放单元撑杆和一对分叉斜索；一个正放脊索顶节点和两个正放脊索侧节点处于第一平面，正放脊索顶节点通过两根长度相同的正放上弦脊索分别与两个正放脊索侧节点连接；两个正放脊索侧节点和两个正放脊索底节点处于第二平面，两个正放脊索侧节点分别通过两根长度相同的正放上弦脊索与两个正放脊索底节点连接，两个正放脊索底节点通过正放上弦环向构件连接；第一平面与第二平面形成水平投影为五边形的折面，三撑杆下弦节点位于该折面下方，并位于五边形投影范围内；三撑杆下弦节点通过两根长度相同的正放单元撑杆分别与两个正放脊索侧节点连接，通过两根长度相同的分叉斜索分别与两个正放脊索底节点连接，并通过另一根正放单元撑杆与正放脊索顶节点连接；多个正放五边形空间基本单元的三撑杆下弦节点通过正放单元环索段依次连接，相邻两个正放五边形空间基本单元共用一个正放脊索侧节点，构成一个正放五边形环向子结构的多个正放五边形空间基本单元对应的节点位于同一圆周上；所述的倒放五边形环向子结构为圆环形，由多个结构和规格相同的倒放五边形空间基本单元串连而成，包括一个倒放脊索顶节点、两个倒放脊索侧节点、两个倒放脊索底节点和一个四撑杆下弦节点，以及四根倒放上弦脊索、一根倒放上弦环向索、四根倒放单元撑杆和一根独立斜索；两个倒放脊索侧节点和两个倒放脊索底节点处于第三平面，两个倒放脊索侧节点分别通过两根长度相同的倒放上弦脊索与两个倒放脊索底节点连接，两个倒放脊索底节点通过倒放上弦环向索连接；一个倒放脊索顶节点和两个倒放脊索侧节点处于第四平面，倒放脊索顶节点通过两根长度相同的倒放上弦脊索分别与两个倒放脊索侧节点连接；第三平面与第四平面形成水平投影为五边形的折面，四撑杆下弦节点位于该折面下方，并位于五边形投影范围内；四撑杆下弦节点通过两根长度相同的倒放单元撑杆分别与两个倒放脊索侧节点连接，通过两根长度相同的倒放单元撑杆分别与两个倒放脊索底节点连接，并通过独立斜索与倒放脊索顶节点连接；多个倒放五边形空间基本单元的四撑杆下弦节点通过倒放单元环索段依次连接，相邻两个倒放五边形空间基本单元共用一个倒放脊索侧节点；构成一个倒放五边形环向子结构的多个倒放五边形空间基本单元对应的节点位于同一圆周上；正放五边形环向子结构和倒放五边形环向子结构沿索穹顶结构整体的径向交替布置。2.如权利要求1所述的五边形序列多撑杆混合型索穹顶结构，其特征在于：对于同一径向的正放、倒放五边形环向子结构，如正放五边形环向子结构位于内环、倒放五边形环向子结构位于外环，则相邻的正放五边形环向子结构和倒放五边形环向子结构共用两个脊索底节点和一根上弦环向索，即正放五边形环向子结构的正放脊索底节点和对应的倒放五边形环向子结构的倒放脊索底节点为同一节点，正放五边形环向子结构的正放上弦环向构件采用正放上弦环向索，与倒放五边形环向子结构的倒放上弦环向索为同一根环向索。
3.如权利要求1所述的五边形序列多撑杆混合型索穹顶结构，其特征在于：对于同一径向的正放、倒放五边形环向子结构，如倒放五边形环向子结构位于内环、正放五边形环向子结构位于外环，则相邻的倒放五边形环向子结构和正放五边形环向子结构共用一个脊索顶节点，即正放五边形环向子结构的正放脊索顶节点和倒放五边形环向子结构的倒放脊索顶节点为同一节点。4.如权利要求1所述的五边形序列多撑杆混合型索穹顶结构，其特征在于：如索穹顶结构整体的最内环为正放五边形环向子结构，则构成该正放五边形环向子结构的相邻正放五边形空间基本单元的正放脊索顶节点通过内环索段连接，内环索段首尾相连，形成内环索。5.如权利要求1所述的五边形序列多撑杆混合型索穹顶结构，其特征在于：如索穹顶结构整体的最内环为倒放五边形环向子结构，则构成该倒放五边形环向子结构的相邻倒放五边形空间基本单元的倒放脊索底节点通过内环索段连接，内环索段与倒放上弦环向索交替首尾相连，形成内环索。6.如权利要求4或5所述的五边形序列多撑杆混合型索穹顶结构，其特征在于：所述的内环索为一体，即整根环形的内环索将正放脊索顶节点或倒放脊索底节点串连。7.如权利要求1所述的五边形序列多撑杆混合型索穹顶结构，其特征在于：如索穹顶结构整体的最外环为正放五边形环向子结构，则构成该正放五边形环向子结构的相邻正放五边形空间基本单元的正放脊索底节点通过外环梁段连接，正放五边形环向子结构的正放上弦环向构件采用正放上弦环向梁，与外环梁段交替首尾相连，形成外环梁。8.如权利要求1所述的五边形序列多撑杆混合型索穹顶结构，其特征在于：如索穹顶结构整体的最外环为倒放五边形环向子结构，则构成该倒放五边形环向子结构的相邻倒放五边形空间基本单元的倒放脊索顶节点通过外环梁段连接，外环梁段首尾相连，形成外环梁。9.如权利要求7或8所述的五边形序列多撑杆混合型索穹顶结构，其特征在于：所述的外环梁为一体，即整根环形的外环梁将正放脊索底节点或倒放脊索顶节点串连。10.如权利要求1所述的五边形序列多撑杆混合型索穹顶结构，其特征在于：多个正放单元环索段为一体，为整根环形的下弦环索；且/或多个倒放单元环索段为一体，为整根环形的下弦环索。

技术总结
本发明公开了五边形序列多撑杆混合型索穹顶结构。现有技术存在着结构施工难度大，节点构造复杂。本发明包括两类五边形空间基本单元、内环索、外环梁。空间基本单元分为正放和倒放两种空间立体五边形，前者有三根撑杆和两根斜索，后者有四根撑杆和一根斜索，此外两者皆有四根上弦脊索、一根上弦环向构件和一根下弦环索段。空间基本单元内，撑杆和斜索的一端接上弦脊索节点，另一端交汇于同一个下弦节点。同类空间基本单元沿环向扩展，形成正放和倒放两类环向子结构，同圈下弦环索段首尾相连构成下弦环索；两类环向子结构沿径向交替扩展，最底部环向子结构支承在外环梁上，顶部设有内环索。本发明结构稳定，建筑造型简洁、美观、空间效果强。效果强。效果强。


技术研发人员：董石麟 刘宏创 王艺达
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/8/5