适用于野外装备维修的大空间金属网壳结构及其构建方法[0002]大跨度空间网壳适合于存放大型机械装备并能满足大回转半径车辆机动的要求。大型展览会馆和大跨度体育场馆设施的球形结构是满足这种要求的典型案例，例如加拿大蒙特利尔展览会馆(图1)和加拿大魁北克市公园的大跨度球形双层网壳结构(图2)。我国北京科技馆穹幕影厅双层球形网壳结构(图3)也是三角形构型单元结构，符合建筑美学和结构稳定要求。[0003]以色列学者Hanaor发展了单层网壳的构建方法，应用较广。其特点是依托球弧20面体等弧细分理论给出了另类设计方法，如图4所示。这种方法由于没有进行进一步拓扑优化，造成结构节点杆件种类过多；同时还限定应用于工程时必须使用焊接工艺施工，无法在野外大跨度网壳结构中直接使用。爱尔兰ASSCO公司生产的球形金属雷达天线罩(图5)，是为兼顾良好的力学性能和电磁性能而专门设计的，节点杆件种类数稍多，仍可以进一步优化改进。[0004]当前许多大型装备的检测维修，需要在野外风雪暴雨条件下进行，急需解决快速构建大跨度野外屏蔽型网壳结构方法和技术，而采用上述结构采用的焊接工艺修建方法，施工安装工期过长，成本很高，且现场焊接质量也难于保证。[0005]为解决上述问题，本发明提出一种适用于野外装备维修的大空间金属网壳结构的构建方法。这种金属网壳结构的构建方法是从球形多面体基础理论出发，以球形32面体变体为基础，建立六边形平面基元。通过对基元进行正三角形细分，并将细分节点向球面进行拓扑映射变换，完成球面三角形拓扑优化设计，获得单层半球形或球冠形网壳结构(图6)。
[0006]本发明提出一种适用于野外装备维修的大空间金属网壳结构的构建方法，旨在根据选定的半径和等于或小于半径的矢高，给出工程实用的单层半球形网壳或球冠形网壳总体结构的构建方法，让网壳作为能在野外快速构建的装备设备储存库、救灾医疗中心与物资中心使用。
[0007]本发明提出的适用于野外装备维修的大空间金属网壳结构，其特征在于，它含有:半球形或球冠主体网壳，顶盖1，三角形膜板2和基底节点座13 ;所述半球形或球冠主体网壳，是由连接杆件3和节点座4两类零部件构成，利用连接杆件3和节点座4对应的杆件定位碰珠孔10和杆件锁紧螺孔11，采用三角形膜板2、连接杆件3、节点座4分立装配方法，通过螺栓将顶盖1、三角形膜板2、连接杆件3和节点座4紧密压紧，实现连接杆件3与节点座4的稳定连接，以保障节点座刚度和连接安装的速度和精度，在承受复杂荷载作用下整体结构仍保持稳定。[0008]在上述大空间金属网壳结构中，所述三角形膜板2由金属框架与聚酯纤维薄膜采用预张方法制备。
[0009]在上述大空间金属网壳结构中，所述金属网壳现场结构安装架设从地面杆件开始，顺次向上连接，网壳基底节点座13将网壳紧密固定在水平刚性的混凝土基础平台基底槽钢15上，以保障半球形网壳抗强风暴雪性能和整体稳定性能。
[0010]本发明提出的适用于野外装备维修的大空间金属网壳结构的构建方法，其特征在于，该方法按照如下步骤进行:
[0011](I)首先构建组合32面体及其变体，并选定其边长比，给出变体六边形平面基元；
[0012](2)对基元进行正三角形细分，形成平面基元规则节点；
[0013](3)以平面细分节点、五边形形心点和平面基元上的中心点与基元边中点为节点，采用测地投影法自球心过各个节点向32面体外接球进行拓扑映射变换，将节点两两相连并与球面上五边形角点对应相连,完成球形网壳主体三角形构型球形多面体的拓扑方法设计。
[0014]在上述金属网壳结构的构建方法中，所述构建球形网壳主体三角形构型球形多面体的拓扑方法，是选择过球形网壳上部五边形下角点或次下角点进行平面纬线环向切割，调整切面附近各节点位置和连接线方向，使节点落在相应正多边形基底圆周及其邻域上，并使构建金属网壳基底特殊三角形构型和主体三角形构型相适配，以完成金属网壳基底拓扑结构设计和总体结构拓扑设计。
[0015]本发明的优点主要有:(I)建立了平面基元正三角形细分规则和基元面上节点拓扑映射方法，可以依据球形网壳设计的力学性能指标要求，自主进行金属球形网壳的系统拓扑优化，完成各种跨度尺寸的可抗御强风暴雨和沙尘积雪荷载的高性能球形网壳体的设计；(2)以快速连接杆件系统装配式结构取代焊接式杆件结构，采用节点座、连接杆件、三角形膜板分立装配方法，加强了节点座刚度和连接安装的速度、精度，便于易损膜板维护更换；(3)安装过程由下到上，从组合好的环形基底杆件、节点座逐次向上吊装、对位，再进行节点座、连接杆件和三角形膜板的定位和连接固定，施工迅速；(4)快速连接杆件系统装配式结构中顶盖、三角形膜板、连接杆件和节点座紧密嵌合在一起，整体稳定性好，可靠性高；
(5)采用提供的网壳基底节点座，将网壳紧密固定在水平刚性的基底支撑平台槽钢上，提高了金属网壳抗强风暴雪性能；(6)依据跨度大小与构型尺寸以及工程使用需求可决定多面体各参数，以满足不同的球形大空间系列网壳的使用目的。



[0016]图1为三角形构型测地投影法球形网壳多伦多会展中心(加拿大)；
[0017]图2为加拿大网壳建筑双层空间结构；
[0018]图3为北京科技馆穹幕影厅球形网壳；
[0019]图4为Hanaor20面体三角形构型测地投影生成球形网壳方法；
[0020]图5为爱尔兰Essco伪随机方法构建240面体(直径14.1m)金属球形网壳雷达罩；
[0021]图6为本发明中三角形构型80面体球形网壳半球总体设计安装三维投影；
[0022]图7为本发明中三角形构型80面体基元平面与球形网壳半球三维立面投影；[0023]图8为本发明中球形网壳三角形构型80面体基元平面展开图；
[0024]图9为本发明中80面体球形网壳实体模型；
[0025]图10为本发明中球形网壳三角形构型180面体基元平面展开图；
[0026]图11为本发明中180面体球形网壳实体模型三维投影；
[0027]图12为本发明中180面体球形网壳球冠实体模型三维立面投影；
[0028]图13为本发明中球形网壳三角形构型240面体基元平面展开图；
[0029]图14为本发明中240面体球形网壳实体模型三维投影；
[0030]图15为本发明中240面体球形网壳半球实体模型三维立面投影；
[0031]图16为本发明中球形网壳三角形构型320面体基元平面展开图；
[0032]图17为本发明中320面体球形网壳实体模型三维投影；
[0033]图18为本发明中320面体球形网壳半球实体模型三维立面投影；
[0034]图19为本发明中球形网壳三角形构型500面体基元平面展开图；
[0035]图20为本发明中三角形构型多面体组合节点构造三维投影，I——顶盖，2——三角形膜板，3——连接杆件，4——节点座；
[0036]图21为本发明中节点顶盖与三角形构型膜板构造设计三维投影；
[0037]图22为本发明中三角形构型多面体5杆与6杆节点座构造设计三维投影，5——膜板端锥面承台，6——连杆嵌合槽，7——中心螺孔，8——节点底座，9——膜板突缘定位槽，10—杆件定位碰珠孔，11—杆件锁紧螺孔；
[0038]图23为本发明中基底节点座构造设计三维投影，5——膜板端锥面承台，6——连杆嵌合槽，9——膜板定位槽，10——杆件定位碰珠孔，11——杆件锁紧螺孔，12——基底节点座底脚螺栓紧固底板，13——基底节点座，14——基底紧固底板螺孔，15——基底支撑平台槽钢；

[0039]下面结合附图7?23，详细说明本发明的。
[0040]本发明的分为三角形构型网壳设计，网壳节点膜板构造和快速安装工艺三个方面。
[0041]1、构建三角形构型球形网壳
[0042]I)构建组合32面体变体及其外接球面，建立六边形平面基元，并选定其适宜边长比M,建立基元面上直角坐标系和球心为原点的球面直角坐标系；
[0043]2)将基元六边形进行正三角形细分，选择基元中心点与边界中点以及五边形中心点作为基点节点，自球心过诸细分节点和基点节点向球面进行拓扑映射变换；并在球面上使映射点、节点彼此两两相连并与五边形角点对应相连，求出球面基元节点与角点坐标和相应边长；
[0044]3)选择过球形网壳上部五边形角点或其临近角点，进行平面纬线环向切割，调整切面附近各节点位置和连接线方向，使节点落在相应正多边形基底圆周上，并使构建球形网壳基底特殊三角形构型和主体三角形构型相适配，从而完成基底拓扑结构设计和总体结构设计。
[0045]三角形构型球形网壳是由基元平面三角形细分演化过来的。规则三角形构型球形网壳具有镜像对称和中心对称，例如规则80面体球形网壳当选取低纬度五边形下角点切割时，经过节点调整，可获得正10边形基底。如图7所示。
[0046]根据球形网壳构建方法获得三角形构型60面体、80面体(图8)、180面体(图10)、240面体(图13)、320面体(图16)和500面体(图19)球形罩的主体与基底重要技术参数以及球形罩半径比，还可以给出球形三角形构型网壳面数与节点数、棱边数的关系。如表1所示。
[0047]表1三角形构型球形网壳主体和球冠基底参数
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