一种绿色节能的大跨度屋盖结构体系及屋面系统的制作方法

1.本技术属于绿色节能建筑技术领域，具体而言涉及一种绿色节能的大跨度屋盖结构体系及屋面系统。


背景技术：

2.目前我国航站楼、高铁车站、会展及体育馆等新建大型公共建筑由于功能需求采用大尺度平面，普遍采用空间网格作为其大跨度屋盖结构体系。一般的单向传力空间网格结构可选用立体桁架、立体拱架、张弦立体拱桁架等结构体系，双向传力空间网格结构可选用网架、网壳、弦支双向网格等结构体系。适用不同的建筑功能要求，上述各种空间网格结构体系都广泛应用。
3.大型公共建筑承担相应的社会职能，建造复杂，建设及运营成本高，其中日常照明占据较大比重，光源单一低效是造成照明浪费的主要原因。《建筑照明设计标准》(gb 50034)要求：“有条件时，宜利用各种导光和反光装置将天然光引入室内进行照明”；“有条件时，宜随室外天然光的变化自动调节人工照明照度”。
4.对应节能减排的运营目标及社会责任，在屋盖结构设置天窗引入自然光作为替代光源，在实现建筑功能同时，是缓解照明电力消耗、实现绿色低碳最佳选择。
5.目前对于不同纬度及气候条件，普遍做法为在屋盖结构上设置水平天窗，如图1所示，通过设置水平天窗可以直接引入自然光，然而，随太阳高度角变化，直接引入会出现光强随时间变化剧烈，照度分布极不均匀，故而大量采用人工照明，耗电量大。


技术实现要素：

6.鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种绿色节能的大跨度屋盖结构体系及屋面系统，用以解决现有技术中采用水平天窗可以直接引入自然光，但随太阳高度角变化，直接引入会出现光强随时间变化剧烈，照度分布极不均匀，需要大量人工照明的问题。
7.本发明的目的是这样实现的：
8.一方面，提供一种绿色节能的大跨度屋盖天窗结构，包括：
9.屋盖主体结构，屋盖主体结构上具有天窗安装口；
10.天窗单元结构，设于天窗安装口，天窗单元结构具有面光端和背光端，背光端与屋盖主体结构连接，面光端朝向进光方向斜向上设置，面光端与屋盖主体结构之间的空间形成自然光的进光口。
11.进一步地，所述天窗单元结构在水平面的投影覆盖所述天窗安装口在水平面的投影。
12.进一步地，所述进光口面光一侧的屋盖顶面上设有镜面反射屋面，所述天窗单元结构的下表面设置漫反射吊顶，自然光通过镜面反射屋面和漫反射吊顶引入屋内。
13.进一步地，所述漫反射吊顶为下凹的弧形结构。
14.进一步地，所述屋盖主体结构包括屋盖网架和屋盖立体桁架，多个所述屋盖网架
与多个屋盖立体桁架交叉布置，天窗安装口位于所述屋盖网架和屋盖立体桁架形成开口空间处。
15.进一步地，所述天窗单元结构的面光端通过竖支杆与第一屋盖网架连接，天窗单元结构的背光端与第二屋盖网架延续连接。
16.进一步地，所述天窗单元结构还具有两侧端，两侧端均通过斜支杆与屋盖立体桁架连接。
17.进一步地，竖支杆与斜支杆的两端均设有杆端连接结构，以实现转动连接。
18.进一步地，杆端连接结构包括外耳板、中耳板、销轴和轴承，其中，外耳板设置在中耳板的两侧，中耳板上设置有轴承孔，轴承孔内安装有轴承，贯穿两个外耳板设有销轴孔，且销轴孔的中心轴线与轴承孔的中心轴线相重合，销轴安装在销轴孔中，以连接外耳板和中耳板；所述外耳板与竖支杆或斜支杆固定连接，所述中耳板与所述屋盖网架或屋盖立体桁架固定连接。
19.进一步地，所述天窗单元结构的背光端与第二屋盖网架通过转动连接件转动连接，所述竖支杆和斜支杆均为伸缩杆结构，通过调整所述竖支杆和斜支杆的长度，以调整所述进光口的大小。
20.进一步地，所述竖支杆采用液压可调节竖支杆，斜支杆采用液压可调节斜支杆。
21.另一方面，还提供了一种屋面系统，包括上述的绿色节能的大跨度屋盖结构体系，屋面系统由多个所述屋盖结构体系组合而成，至少部分的天窗单元结构的面光端的朝向不相同。
22.进一步地，屋面系统包括雨水收集处理装置和清洗装置，其中，所述雨水收集处理装置用于收集雨水，并对雨水进行过滤处理；所述清洗装置用于向大跨度屋盖顶面喷洒清洁液，以清洗镜面反射屋面。
23.进一步地，所述雨水收集处理装置内设有污水箱、过滤装置和净水箱，经所述过滤装置过滤的洁净雨水储存在所述净水箱内；
24.所述清洗装置包括喷头、清洁液桶和清洗泵，所述清洗泵通过管路与所述清洁液桶连通，所述净水箱通过水管与所述清洁液桶连接，所述水管上设有水泵，以将所述净水箱内的洁净雨水供入所述清洁液内。
25.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
26.a)本发明提供的绿色节能的大跨度屋盖天窗结构，采用屋盖网架与屋盖立体桁架组合布置的屋面结构体系，于平面周边布置网架，协调平面内作用力的传递，保证屋盖结构体系整体的水平刚度，平面内布置纵横双向屋盖立体桁架，根据功能需要预留自然光引入范围，于此范围设置天窗单元达到围护及采光的功能。
27.b)本发明提供的绿色节能的大跨度屋盖天窗结构，可根据建筑物地理位置及当地气候条件，设计入射光角度范围及漫反射光幕角度要求，以保证自然光的长时间引入。
28.c)本发明提供的绿色节能的大跨度屋盖天窗结构，天窗单元结构生根于屋盖网架及屋盖立体桁架组成的主体结构，天窗背光侧延续主体结构网格布置，顺光线方向天窗单元两侧与主体结构设置斜支杆，提供天窗的水平向刚度，保证在水平作用下天窗变形不影响围护构件正常使用；天窗面光侧根据玻璃分格仅设置竖支杆，保证天窗的采光效率及竖向承载能力。
29.d)本发明提供的屋面系统，由多个屋盖结构体系组合而成，至少部分的天窗单元结构的面光端的朝向不相同，可以实现随着太阳的移动均会反射光照，同时开口大小可调节，根据季节调整室内光照度。
附图说明
30.为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为现有技术中一般大跨度屋盖平面天窗采光示意图；
32.图2为实施例1提供的绿色节能的大跨度屋盖天窗结构的采光示意图；
33.图3为实施例1提供的绿色节能的大跨度屋盖结构体系的第一角度结构示意图；
34.图4为实施例1提供的绿色节能的大跨度屋盖结构体系的第二角度结构示意图；
35.图5为实施例1提供的绿色节能的大跨度屋盖结构体系的第三角度结构示意图；
36.图6为实施例1提供的天窗面光侧竖支杆的支撑连接的结构示意图；
37.图7为实施例1提供的天窗顺光侧斜支杆的支撑连接的结构示意图；
38.图8为实施例1提供的天窗支杆杆端连接节点的结构示意图；
39.图9为实施例1提供的屋面系统的结构示意图；
40.图10为实施例1提供的屋面系统的平面图；
41.图11为实施例1提供的屋面系统的主体结构平面图；
42.图12为图10中a-a剖面图；
43.图13为图10中b-b剖面图；
44.图14为实施例2提供的绿色节能的大跨度屋盖结构体系的结构示意图；
45.图15为实施例2提供的绿色节能的大跨度屋盖结构体系的天窗单元结构与杆端连接结构连接示意图。
46.附图标记：
47.1-一般大跨度屋盖；2-平面天窗；
48.3-支承钢柱；4-屋盖网架；5-屋盖立体桁架；6-天窗单元结构；7-镜面反射屋面；8-漫反射吊顶；9-竖支杆；10-斜支杆；11-杆端连接结构；12-外耳板；13-销轴；14-轴承；15-中耳板；16-砼结构；17-液压可调节竖支杆；18-液压可调节斜支杆；19-转动连接件。
具体实施方式
49.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
50.为便于对本技术实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本技术实施例的限定。
51.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相
连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
52.全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在
……
上方”、“下”和“在
……
上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。
53.实施例1
54.本发明的一个具体实施例，如图2-5所示，公开了一种绿色节能的大跨度屋盖结构体系，包括：
55.屋盖主体结构，屋盖主体结构上具有天窗安装口；
56.天窗单元结构6，设于天窗安装口，天窗单元结构6具有面光端和背光端，背光端与屋盖主体结构连接，面光端朝向进光方向斜向上翘起设置，面光端与屋盖主体结构之间的空间形成自然光的进光口。
57.本实施例中，所述进光口面光一侧的屋盖顶面上设有镜面反射屋面7，所述天窗单元结构6的下表面设置漫反射吊顶8，自然光通过镜面反射屋面7和漫反射吊顶8引入屋内。
58.当自然光的入射角度在合适范围时，自然光能够通过面光端与屋盖主体结构之间的进光口直接射入屋内；随着自然光入射角度的变化，当自然光无法直接入射至屋内时，会照射在镜面反射屋面7上，镜面反射屋面7能够将自然光由屋盖顶面反射照射在漫反射吊顶8上，漫反射吊顶8将初次反射的自然光再次以漫反射形式射入屋内。
59.相对于图1所示的一般大跨度屋盖1，通过设置水平天窗2直接引入自然光，但随太阳高度角变化，水平天窗2直接引入的自然光会出现光强随时间变化剧烈，照度分布极不均匀。而本实施例的天窗单元结构6的进光口可以实现控制特定太阳高度角范围的光线直射室内，在此范围以外，自然光通过漫反射吊顶8及镜面反射屋面7引入，实现更长时间的自然光引入，采用这种手段保证昼间大部分时段光线强度变化幅度小，光感柔和，实现对人工照明的补充及替代。
60.本实施例中，镜面反射屋面7可以设置在屋盖主体结构的顶面，也可以设置在天窗单元结构6的顶面，设置位置能够保证将自然光由屋盖顶面反射照射在漫反射吊顶8上。镜面反射屋面，一般可以采用金属屋面，金属屋面表面做镜面剖光处理。
61.为了使不同入射角度自然光均能反射进入屋内，所述漫反射吊顶8为下凹的弧形结构，也就是说，漫反射吊顶8的反光面为下凹的弧形光面，通过设置下凹的弧形光面，使得随着太阳的移动，自然光入射角度变化过程中，也仍然有自然光引入，延长了自然光的引入时长。可选的，漫反射吊顶8的反光面采用氟碳喷涂光幕，能够保证漫反射效果，使射入屋内的光线更加均匀。
62.本实施例中，为了实现大跨度屋盖结构体系，屋盖主体结构包括屋盖网架4和屋盖立体桁架5，其中，屋盖网架4按照第一方向布置，屋盖立体桁架5按照第二方向布置，纵横交叉布置，形成网格结构；也就是说，多个所述屋盖网架4与多个屋盖立体桁架5交叉布置，天窗安装口位于所述屋盖网架4和屋盖立体桁架5形成开口空间处。屋盖主体机构采用屋盖网架与4立体桁架5组合布置屋面结构体系，采用屋盖网架4与屋盖立体桁架5组合布置屋面结构体系，于平面周边布置网架，协调平面内作用力的传递，保证屋盖结构体系整体的水平刚
度；平面内布置纵横双向屋盖立体桁架，采用屋盖网架4与屋盖立体桁架5能够灵活组合布置，适用建筑大尺度平面功能要求，实现大跨度屋盖结构体系，同时根据建筑功能分区域预留天窗平面位置，于此范围设置天窗单元结构6达到围护及采光的功能。
63.为了实现天窗单元结构6的高效连接，天窗单元结构6各侧与屋盖主体结构采用不同的连接方式。其中，天窗单元结构6具有面光端、背光端以及两侧端，天窗单元结构6的面光端通过竖支杆9与第一屋盖网架连接，竖支杆9竖直布置，天窗单元结构6的背光端与第二屋盖网架延续连接；天窗单元结构6的两侧端均通过斜支杆10与屋盖立体桁架5连接，斜支杆10倾斜设置，也就是说，斜支杆10的一端与天窗单元结构6侧端的顶端连接，斜支杆10的另一端与屋盖立体桁架5的外侧端部连接，通过增大斜支杆10的倾斜角度，以提高天窗单元结构的水平向稳定性。由于天窗单元结构6的面光侧仅设置竖支杆9，能够最大效率引采自然光，天窗单元结构6的背光侧延续网架4及屋盖立体桁架5网格，两侧的顺光侧采用斜支杆10连接的方式，达到水平刚度及竖向承载要求。
64.进一步的，如图6至图7所示，竖支杆9与斜支杆10的两端均设有杆端连接结构11，以实现转动连接，形成竖支杆9及斜支杆10的端部转动能力，降低杆件截面，保证采光效率。也就是说，竖支杆9的两端通过杆端连接结构11与天窗单元结构6的面光端、第一屋盖网架转动连接，斜支杆10的两端通过杆端连接结构11与天窗单元结构6侧端、屋盖立体桁架5转动连接。
65.具体而言，如图8所示，杆端连接结构11包括外耳板12、中耳板15、销轴13和轴承14，其中，外耳板12设置在中耳板15的两侧，中耳板上设置有轴承孔，轴承孔内安装有轴承14，贯穿两个外耳板12设有销轴孔，且销轴孔的中心轴线与轴承孔的中心轴线相重合，销轴13安装在销轴孔中，以连接外耳板12和中耳板15；其中，外耳板12与竖支杆9或斜支杆10固定连接，中耳板15与屋盖网架4或屋盖立体桁架5固定连接。
66.由于所述天窗单元结构6作为整个屋面结构的一部分，不仅用作引入自然光的窗口，而且也起到遮挡作用，因此，天窗单元结构6的面积上，需要遮住屋盖主体结构上的天窗安装口，以防止进入雨雪。所以天窗单元结构6在水平面的投影覆盖所述天窗安装口在水平面的投影。
67.本实施例中，屋盖网架4为长方体结构，包括平行布置的四根网架主支杆，网架主支杆构成长方体的四条边，屋盖网架4的内部具有由多根网架从支杆搭建的三角形结构。屋盖立体桁架5包括三根桁架主支杆，屋盖立体桁架5为三角柱体结构，包括平行布置的三根桁架主支杆，其中，两根桁架主支杆位于水平面，另一根桁架主支杆位于下方，三根桁架主支杆构成三角柱体的三条边，屋盖立体桁架5的内部具有由多根桁架从支杆搭建的三角形结构。屋盖网架4的上方两根网架主支杆与屋盖立体桁架5的上方两桁架主支杆共面，且垂直交叉设置；屋盖网架4的下方两根网架主支杆与屋盖立体桁架5的下方一桁架主支杆共面，且垂直交叉设置。
68.进一步的，斜支杆10的端部通过杆端连接结构11与屋盖立体桁架5的外侧桁架主支杆连接，且连接点位于桁架从支杆与桁架主支杆的交汇连接点处；竖支杆9的端部通过杆端连接结构11与第一屋盖网架的内侧网架主支杆连接，且连接点位于网架从支杆与网架主支杆的交汇连接点处。上述结构设置将杆端连接结构11设置在主支杆与从支杆的交汇连接点处，有利于传力，能够提高屋盖主体结构的支撑承载能力，结构稳定性好。
69.在其中一种可选实施方式中，天窗单元结构6在水平面的投影面积大于所述天窗安装口在水平面的投影面积，并且，天窗单元结构6的面光端的端点在水平面的投影位于第一屋盖网架内侧网架主支杆与外侧网架主支杆之间的区域。
70.进一步的，天窗单元结构6与屋盖主体结构的开口位置设置透光板，如透光板围绕竖支杆9、斜支杆10布置，通过设置透光板防止雨雪、灰尘从天窗单元结构6的开口进入屋内，而且不影响自然光射入。
71.本实施例还提供了一种屋面系统，如图9至图13所示，包括上述的绿色节能的大跨度屋盖结构体系，所述屋面系统由多个所述屋盖结构体系组合而成，至少部分的所述天窗单元结构6的面光端的朝向不相同。
72.其中，天窗单元结构6的面光端的朝向不相同，具体是指，朝向东至西的任意角度。包括东南，西南，南，东北，西北等。不包括正北。目的是随着太阳的移动均会反射光照，可以在日间各时段都能实现采光，延长自然采光的有效时间；同时天窗单元结构6的进光口开口大小可调节，根据季节调整室内光照度。
73.本实施例中，屋面系统包括多个天窗单元结构6，可以根据大跨度屋盖结构体系的尺寸设置天窗单元结构6的数量。
74.本实施例中，天窗单元结构6的面光端还可以朝向同一侧布置：面光端的布置方向及竖支杆9的高度可以根据当地的地理位置调整，可以在日间特定时段最大效率自然采光。
75.本实施例中，绿色节能的大跨度屋面系统利用支承钢柱3进行支撑，支承钢柱3的顶端与大跨度屋盖结构体系连接，支承钢柱3的下端固定设置在砼结构16中。
76.与现有技术相比，本实施例提供的绿色节能的大跨度屋盖结构体系及屋面系统，至少具有如下有益效果之一：
77.1、采用屋盖网架与屋盖立体桁架组合布置屋面结构体系，于平面周边布置网架，协调平面内作用力的传递，保证屋盖结构体系整体的水平刚度；平面内布置纵横双向屋盖立体桁架，采用屋盖网架与屋盖立体桁架能够灵活组合布置，适用建筑大尺度平面功能要求，实现大跨度屋盖结构体系，同时根据建筑功能分区域预留天窗平面位置，于此范围设置天窗单元结构达到围护及采光的功能。
78.2、天窗单元结构的各侧采用不同的连接组合的方式，以实现高效连接，具体的，面光侧仅设置竖支杆，最大效率引采自然光；背光侧延续网架及屋盖立体桁架网格，顺光侧采用斜支杆连接的方式，达到水平刚度及竖向承载要求。
79.3、采用销轴、耳板及轴承组合杆端连接结构，形成竖支杆及斜支杆的端部转动能力，降低杆件截面，保证采光效率。
80.4、天窗单元结构布置独立灵活，天窗单元结构面光侧的朝向可以根据屋面条件及采光需求调整，通过调整天窗单元结构的竖支杆高度及天窗单元结构下弦轮廓角度，可适用于不同地理位置及气候条件的建筑物，实现引采自然光作为补充及替代光源，落实大型公共建筑节能减排、绿色低碳的社会责任。
81.5、屋面系统由多个屋盖结构体系组合而成，至少部分的天窗单元结构的面光端的朝向不相同，可以实现随着太阳的移动均会反射光照，同时开口大小可调节，根据季节调整室内光照度。
82.实施例2
83.本发明的又一具体实施例，公开了一种绿色节能的大跨度屋盖结构体系，与实施例1的区别在于，天窗单元结构6与屋盖主体结构之间的进光口大小可调整。具体而言，如图14所示，天窗单元结构6的背光端与第二屋盖网架通过转动连接件19转动连接，竖支杆9和斜支杆10均为伸缩杆结构，通过调整竖支杆9和斜支杆10的长度，并利用固定件将竖支杆9和斜支杆10固定在指定长度，以实现天窗单元结构6与屋盖主体结构之间的进光口大小的调整。
84.在其中一种可选实施方式中，竖支杆9采用液压可调节竖支杆17，包括液压缸、活塞及活塞杆，斜支杆10也可以为液压支撑结构，为液压可调节斜支杆18。采用液压可调节结构的支杆一方面能够保证足够大的支撑力；另一方面，能够通过液压精准控制进光口的大小调节。
85.本实施例中，转动连接件19可以为转轴，也可以为实施例中的杆端连接结构11。优选地，天窗单元结构6的背光端通过多个杆端连接结构11与第二屋盖网架转动连接，如图15所示。
86.与现有技术相比，本实施例提供的绿色节能的大跨度屋盖结构体系，可根据自然光的入射角度，随时调整天窗单元结构与屋盖主体结构之间的进光口大小可，以保证采光效果。
87.实施例3
88.本发明的又一具体实施例，公开了一种屋面系统，包括实施例1或实施例2的绿色节能的大跨度屋盖结构体系，在大跨度屋盖结构体系的顶部还设有雨水收集处理装置和清洗装置，其中，雨水收集处理装置用于收集雨水，并对雨水进行过滤处理；清洗装置用于向大跨度屋盖顶面喷洒清洁液，以对屋盖顶面进行清洗，尤其对屋盖顶面上的镜面反射屋面7进行清洗，以保证屋面对自然光的镜面反射效果。
89.示例性的，大跨度屋盖的顶面设置多条雨水导流管，雨水导流管的进水口可设置在屋盖顶部的低洼处，多条雨水导流管的出水口汇聚接入雨水收集处理装置，雨水收集处理装置内设有污水箱、过滤装置和净水箱，污水箱用于收集储存污染的雨水，过滤装置能够对收集的雨水进行过滤，过滤后的洁净雨水储存在净水箱内。净水箱内的洁净雨水可以用于建筑内公共用水，如冲厕、冲洗建筑表面。
90.清洗装置包括喷头、清洁液桶和清洗泵，清洗泵通过管路与清洁液桶连通，清洁液桶内的清洁液，可以为洁净水，也可以在洁净水中添加清洁剂，清洗泵能够将清洁液桶内的清洁液经喷头喷洒至屋盖顶面，喷头喷出清洁液的角度可调，清洗范围包括屋盖顶面、镜面反射屋面以及围绕竖支杆9、斜支杆10布置的透光板。
91.可选的，雨水收集处理装置的净水箱通过水管与清洗装置的清洁液桶连接，水管上设有水泵，利用水泵将净水箱内的洁净雨水供入清洗装置的清洁液桶，实现雨水的循环利用。
92.雨水收集处理装置的收集、净化过程，利用水泵将净水箱内的洁净雨水供入清洗装置的清洁液桶内以及清洗装置的清洁过程可以远程控制，工作人员可以根据降雨情况或者屋盖顶面上镜面反射屋面7的反光效果向清洁装置供入洁净雨水或进行屋面清洗工作。
93.与现有技术相比，本实施例提供的屋面系统，通过在大跨度屋盖的顶部设置雨水收集处理装置和清洗装置，不仅实现雨水回收利用，而且净化后的雨水供入清洗装置，用于
屋盖顶面进行清洗，以保证镜面反射屋面的反光效果。
94.以上所述的具体实施方式，对本技术的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本技术的具体实施方式而已，并不用于限定本技术的保护范围，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。