КОНСТРУКТОР БЫСТРОВОЗВОДИМЫХ СБОРНО-РАЗБОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ ОБОЛОЧЕЧНОГО ТИПА
CONSTRUCTOR OF PRE-FABRICATED DEMOUNTABLE STRUCTURES OF SHELL TYPE

Заявляемое техническое решение "Конструктор быстровозводимых сборно-разборных сооружений оболочечного типа" относится к области строительства, а именно ограждающих конструкций выставочных стендов, павильонов и других временных зданий и сооружений.
Известно решение "Конструкция сборной многогранной строительной оболочки из плоских несущих панелей с соединительными вставками" по патенту RU N 2116409, E04G 7/24, 1998.
Достоинством технического решения является создание бескаркасной оболочки купола выставочного павильона.
Однако конструкция позволяет возводить только купольные оболочки, составляющие элементы которых являются плоскими.
Известно решение "Модульная каркасная система", состоящая из несущих элементов (стоек, ригелей, подкосов и других деталей) и соединительных узлов каркаса по патенту RU №2184823, E04G 7/24, 1998 г.
Достоинством конструкции является возможность построения пространственного каркаса оболочки.
Однако образуемый при этом каркас также состоит из плоских элементов, с помощью которых невозможно возводить выпукло-вогнутые оболочки сложной конфигурации.
Известно решение "Конструкция быстровозводимых сборно-разборных каркасов оболочек "INFINITY"" по свидетельству RU №40641, Е04С 7/24 от 11.02.2004, содержащая несущие элементы каркаса (унифицированные модули конструкции "INFINITY" выполнены в виде пространственных равнобедренных прямоугольных треугольников, гипотенузами которых являются однотипные дугообразные ребра, а катеты выполнены либо прямолинейными, либо дугообразными в зависимости от формы создаваемого модуля.
Достоинством технического решения является создание каркасов оболочек в виде пространственных треугольников.
Однако конструкция описывает создание модулей конусообразных оболочек и оболочек переноса. Модули остальных типов оболочек, например сферические, могут быть созданы лишь приблизительно. Кроме того, конструкция была описана с точки зрения унификации ребер каркаса и не предполагала унификацию узловых элементов. Не были рассмотрены конструктивные и технологические вопросы заполнения каркасов.
Целью заявляемого технического решения является создание конструктора быстровозводимых сборно-разборных сооружений оболочечного типа из унифицированных несущих элементов, соединительных узлов (коннекторов), заполнении и системы внутренней динамической подсветки.
Поставленная цель достигается следующим образом.
Конструктор быстровозводимых сборно-разборных сооружений оболочечного типа содержит несущие элементы (ребра) и соединительные узлы (коннекторы), с помощью которых собираются унифицированные модули каркаса в виде пространственных равнобедренных треугольников, гипотенузами которых являются однотипные дугообразные ребра, а катеты выполнены либо прямолинейными, либо дугообразными в зависимости от типа создаваемого модуля. Между собой модули каркаса соединяются по однотипным элементам (гипотенузам или катетам).
При этом
- дугообразные ребра образованы дугами окружности радиуса R, причем центральные углы дуг в осях вершин пространственных треугольников связаны следующим соотношением
,
где α - центральный угол дугообразной гипотенузы,
β - центральный угол дугообразного катета;
длина прямолинейного катета в осях вершин пространственных треугольников составляет ;
соединительные узлы ребер каркаса выполнены из элементов 9 типов: центрального двухплоскостного элемента (с углом гибки, равным π/2) для соединения однотипных катетов между собой, а также левых и правых двухплоскостных (с углом гибки, равным π/4) и трехплоскостных (с углами гибки, равными соответственно π/2 и 3π/4 и поворотом осей гибки на угол α/2) элементов для соединения дугообразной гипотенузы с дугообразными и прямолинейными катетами;
углы гибки и поворот осей гибки соединительных узлов выполнены таким образом, чтобы плоскости продольных сечений катетов были перпендикулярны друг другу, а плоскость продольного сечения гипотенузы была либо параллельна линии пересечения плоскостей продольных сечений катетов (двухплоскостные элементы), либо имела поворот относительно нее на угол α/2 (трехплоскостные элементы);
профиль несущих элементов каркаса (ребер) выполнен с торцевыми пазами для крепления соединительных узлов, продольными пазами для крепления заполнении треугольных модулей и элементов внутренней подсветки, а также отверстиями для наращивания каркаса путем болтового соединения между собой соседних треугольных модулей по однотипным ребрам;
введены заполнения треугольных модулей каркаса, выполненные из растяжимой ткани с окантовкой по контуру гибкой лентой толщиной, соответствующей размеру продольных пазов профиля ребер для крепления заполнений;
введена система внутренней подсветки, выполненная из последовательно соединенных внутри пространственных треугольных модулей гибких светящихся лент с длиной, соответствующей длине ребер, закрепляемых с помощью магнитных лент, одна из которых закреплена в продольных пазах ребер, а вторая (ответная) приклеена к светящимся лентам;
- соединительные узлы выполнены с отверстиями: для соединения с ребрами, прокладки кабеля и других коммутационных элементов, крепежа (подвеса) каркаса оболочки к внешним конструкциям, крепления оборудования, опор и (при необходимости) дополнительных конструктивных элементов жесткости (связей).
На чертежах представлены:
Фиг.1 - сечение ребер E1, E2, Е3,
где h - высота сечения,
АВ - продольная плоскость сечения ребра,
1 - паз для крепления заполнений,
2 - паз для крепления коннекторов,
3 - отверстие для резьбового крепления торцевых заглушек,
4 - паз для крепления внутренней подсветки.
Фиг.2 - ребро E1 - продольное сечение дугообразной гипотенузы,
где h - высота сечения,
R - радиус дуги окружности,
α - центральный угол дугообразной гипотенузы,
1 - вершина пространственного треугольника,
2 - соединительные отверстия.
Фиг.3 - ребро Е2 - продольное сечение дугообразного катета,
где h - высота сечения,
R - радиус дуги окружности,
β - центральный угол дугообразного катета
1 - вершина пространственного треугольника,
2 - соединительные отверстия.
Фиг.4 - ребро Е3 - продольное сечение прямолинейного катета,
где h - высота сечения,
R - радиус дуги окружности,
1 - вершина пространственного треугольника,
2 - соединительные отверстия.
Фиг.5 - болтовое соединение ребер.
Фиг.6 - двухплоскостной центральный коннектор CD1,
где 1 - отверстие для соединения с ребром Е2 или Е3,
2 - резьба для фиксации коннектора в профиле,
3 - крепежное отверстие,
4 - отверстие для прокладки кабеля,
АВ - ось гибки π/2.
Фиг.7 - двухплоскостной левый коннектор C1L,
где 1 - отверстие для соединения с ребром Е3,
2 - резьба для фиксации коннектора в профиле,
3 - крепежное отверстие,
4 - отверстие для прокладки кабеля,
5 - отверстие для соединения с ребром E1.
АВ - ось гибки π/4.
Фиг.8 - двухплоскостной правый коннектор C1R,
где 1 - отверстие для соединения с ребром Е3,
2 - резьба для фиксации коннектора в профиле,
3 - крепежное отверстие,
4 - отверстие для прокладки кабеля,
5 - отверстие для соединения с ребром E1.
АВ - ось гибки π/4.
Фиг.9 - трехплоскостной левый коннектор C2L,
где 1 - отверстие для соединения с ребром Е3,
2 - резьба для фиксации коннектора в профиле,
3 - крепежное отверстие,
4 - отверстие для прокладки кабеля,
5 - отверстие для соединения с ребром E1.
АВ - ось гибки π/2,
АС - ось гибки 3π/4,
Поворот осей гибки на угол CAB=α/2.
Фиг.10 - трехплоскостной правый коннектор C2R,
где 1 - отверстие для соединения с ребром Е3,
2 - резьба для фиксации коннектора в профиле,
3 - крепежное отверстие,
4 - отверстие для прокладки кабеля,
5 - отверстие для соединения с ребром E1.
АВ - ось гибки π/2,
АС - ось гибки 3π/4,
Поворот осей гибки на угол CAB=α/2.
Фиг.11 - двухплоскостной левый коннектор C3L,
где 1 - отверстие для соединения с ребром Е2,
2 - резьба для фиксации коннектора в профиле,
3 - крепежное отверстие,
4 - отверстие для прокладки кабеля,
5 - отверстие для соединения с ребром E1.
АВ - ось гибки π/4.
Фиг.12 - двухплоскостной правый коннектор C3R,
где 1 - отверстие для соединения с ребром Е2,
2 - резьба для фиксации коннектора в профиле,
3 - крепежное отверстие,
4 - отверстие для прокладки кабеля,
5 - отверстие для соединения с ребром E1.
АВ - ось гибки π/4.
Фиг.13 - трехплоскостной левый коннектор C4L,
где 1 - отверстие для соединения с ребром Е2,
2 - резьба для фиксации коннектора в профиле,
3 - крепежное отверстие,
4 - отверстие для прокладки кабеля,
5 - отверстие для соединения с ребром E1.
АВ - ось гибки π/2,
АС - ось гибки 3π/4,
Поворот осей гибки на угол CAB=α/2.
Фиг.14 - трехплоскостной правый коннектор C4R,
где 1 - отверстие для соединения с ребром Е2,
2 - резьба для фиксации коннектора в профиле,
3 - крепежное отверстие,
4 - отверстие для прокладки кабеля,
5 - отверстие для соединения с ребром E1.
АВ - ось гибки π/2,
АС - ось гибки 3π/4,
Поворот осей гибки на угол CAB=α/2.
Фиг.15 - унифицированный треугольный модуль M1,
где 1 - коннектор CD1,
2 - коннектор C1L,
3 - коннектор C1R,
4 - ребро Е3,
5 - ребро E1.
Фиг.16 - унифицированный треугольный модуль М2,
где 1 - коннектор CD1,
2- коннектор C2L,
3 - коннектор C2R,
4 - ребро Е3,
5 - ребро E1.
Фиг.17 - унифицированный треугольный модуль М3,
где 1 - коннектор CD1,
2 - коннектор C3L,
3 - коннектор C3R,
4 - ребро Е2,
5 - ребро E1.
Фиг.18 - унифицированный треугольный модуль М4,
где 1 - коннектор CD1,
2 - коннектор C4L,
3 - коннектор C4R,
4 - ребро Е2,
5 - ребро E1.
Фиг.19 - пример сборки конструкции каркаса.
Сущность заключается в следующем.
Несущие элементы конструктора выполнены из однотипного профиля постоянного сечения (например, изображенного на Фиг.1) в виде ребер 3 типов: дугообразной гипотенузы Е1 (Фиг.2), дугообразного катета Е2 (Фиг.3) и прямолинейного катета Е3 (Фиг.4), из которых с помощью соединительных узлов собираются пространственные равнобедренные треугольные модули каркаса сооружений оболочечного типа. Дугообразные ребра Е1 и Е2 образованы дугами окружности одинакового радиуса R, причем центральные углы дуг, образующих ребра Е1 и Е2, в осях вершин пространственных треугольников связаны следующим соотношением
где α - центральный угол дугообразной гипотенузы,
β - центральный угол дугообразного катета.
Длина прямолинейного катета Е3 в осях вершин пространственных треугольников
Таким образом, выбирая сечение ребер, значения радиуса R и центрального угла α дугообразной гипотенузы, с помощью соотношений (1)-(2) полностью задается геометрия всех несущих элементов конструктора. Рекомендуемые для практического применения в выставочном строительстве диапазоны R=2÷4 м, α=π/6÷π/3.
В профиле несущих элементов каркаса (ребер) предусмотрены торцевые пазы для крепления соединительных узлов (коннекторов), продольные пазы для крепления заполнении и внутренней подсветки (Фиг.1), а также отверстия для наращивания каркаса путем соединения однотипных ребер между собой (Фиг.5).
Соединительные узлы (коннекторы) каркаса выполнены из листового материала в виде двухплоскостных (одна гибка) и трехплоскостных (две гибки) элементов 9 типов: CD1 (Фиг.6) - двухплоскостной элемент с углом гибки π/2 для соединения однотипных катетов между собой (Е2 с Е2 и Е3 с Е3); C1L (Фиг.7), C1R (Фиг.8) - соответственно левый и правый двухплоскостные элементы с углом гибки π/4 для соединения гипотенузы Е1 с катетами Е3; C2L (Фиг.9), C2R (Фиг.10) - соответственно левый и правый трехплоскостные элементы с углами гибки соответственно π/2 и 3π/4 и поворотом осей гибки на угол α/2 для соединения гипотенузы Е1 с катетами Е3; C3L (Фиг.11), C3R (Фиг.12) - соответственно левый и правый двухплоскостные элементы с углом гибки π/4 для соединения гипотенузы Е1 с катетами Е2; C4L (Фиг.13), C4R (Фиг.14) - соответственно левый и правый трехплоскостные элементы с углами гибки соответственно π/2 и 3π/4 и поворотом осей гибки на угол α/2 для соединения гипотенузы Е1 с катетами Е2.
Соединительные узлы (коннекторы) вставляются и закрепляются в торцевых пазах несущих элементов каркаса (ребер), образуя унифицированные пространственные равнобедренные треугольные модули каркаса 4 типов: M1 (Фиг.15) - конусообразный модуль, образованный ребрами Е1, Е3, Е3 и узлами CD1, C1L, C1R; М2 (Фиг.16) - конусообразный со смещенной вершиной модуль, образованный ребрами Е1, Е3, Е3 и узлами CD1, C2L, C2R; М3 (Фиг.17) - модуль оболочки переноса, образованный ребрами Е1, Е2, Е2 и узлами CD1, C3L, C3R; М4 (Фиг.18) - модуль сферической оболочки, образованный ребрами Е1, Е2, Е2 и узлами CD1, C4L, C4R. При этом в модулях M1 и М3 для соединения гипотенузы с катетами используются двухплоскостные элементы с углом гибки π/4, обеспечивающим параллельность продольной плоскости гипотенузы Е1 с линией пересечения продольных плоскостей катетов. В модулях М2 и М4 для соединения гипотенузы с катетами используются трехплоскостные элементы с углами гибки соответственно π/2 и 3π/4 и поворотом осей гибки, обеспечивающим наклон продольной плоскости гипотенузы Е1 относительно линии пересечения продольных плоскостей катетов, на половину центрального угла дуги гипотенузы Е1-α/2. В соединительных узлах предусмотрены следующие отверстия: для соединения с ребрами, для прокладки кабеля и других коммутационных элементов, крепежа подвеса каркаса оболочки к внешним конструкциям, крепления оборудования, опор и (при необходимости) дополнительных конструктивных элементов жесткости (связей). Такой минимальный набор унифицированных несущих элементов (ребер) 3 типов и унифицированных соединительных узлов (коннекторов) 9 типов является принципиальным для данного конструктора и позволяет создавать унифицированные пространственные равнобедренные треугольные модули каркаса 4 типов: конусообразный, конусообразный со смещенной вершиной, оболочки переноса и сферической оболочки.
Наращивание каркаса оболочки производится путем болтового соединения между собой соседних треугольных модулей по смежным элементам через отверстия в ребрах (Фиг.5). Многообразие форм каркасов оболочек достигается путем различных комбинаций модулей оболочек переноса М3, модулей сферических оболочек М4, конусообразных модулей M1 и конусообразных со смещенной вершиной модулей М2 между собой (Фиг.19).
Заполнения пространственных модулей каркаса выполнены из растяжимой ткани в виде треугольника с окантовкой по контуру гибкой лентой (например, из силикона) толщиной, соответствующей размеру продольных пазов, предусмотренных в ребрах для крепления заполнении. Заполнения могут вставляться с одной или с обеих сторон ребер. Размеры заполнении могут быть универсальными для всех типов модулей М1-М4 за счет растяжимости ткани и окантовочной ленты. Заполнения могут быть выполнены из светорассеивающей ткани для обеспечения внутренней подсветки треугольных модулей либо из другой ткани, обеспечивающей необходимую растяжимость для закрепления в пазах ребер.
Система внутренней динамической подсветки представляет собой последовательно соединенные внутри треугольных модулей М1-М4 светящиеся (например, светодиодные) ленты с длиной, соответствующей длине ребер, закрепляемые с помощью двух гибких полос (например, магнитных), одна из которых закреплена в продольных пазах ребер (Фиг.1), а вторая (ответная) приклеена к светящимся лентам. Параллельная коммутация светящихся лент отдельных треугольных модулей позволяет создавать программируемую динамическую подсветку для каждого треугольного модуля независимо от других, а также объединять отдельные треугольные модули в группы по типу подсветки.
Используемые материалы для изготовления элементной базы конструктора быстровозводимых сборно-разборных сооружений оболочечного типа не является принципиальным. В качестве конструкционных материалов могут использоваться алюминиевые сплавы, металлы, композитные материалы, дерево.
Предлагаемое техническое решение было реализовано в виде комплекта выставочного оборудования "Infinity-constructiv". Несущие элементы (ребра) конструктора были изготовлены из алюминия сечением, изображенным на Фиг.1, с параметрами R=3,5 м, α=π/4. Узловые элементы (коннекторы), изображенные на Фиг.6-14, были изготовлены из листовой стали. Заполнения каркаса были изготовлены в виде треугольников с универсальными для всех модулей размерами из светорассеивающей стрейч-ткани с силиконовой лентой по контуру. Система внутренней динамической подсветки была изготовлена в виде комплекта LED-RGB светодиодных лент на магнитных полосах, декодеров, блока питания, контроллера и компьютерного блока с программным обеспечением.
Практическое использование комплекта выставочного оборудования "Infinity-constructiv" показало, что конструктор быстровозводимых сборно-разборных сооружений оболочечного типа удобен и прост для монтажа/демонтажа, эксплуатации, транспортировки и хранения, позволяет реализовывать сложнейшие архитектурно-дизайнерские и конструкторские разработки на современном инженерно-техническом уровне.