本发明属于土木工程，具体涉及一种模块化全装配h型钢弦支穹顶结构及其建造方法。
背景技术：
1、目前，在大跨度空间钢结构领域，缺少一种能够实现标准化设计、工业化生产、模块化施工，且符合建筑业绿色化、数字化、工业化、智能化转型升级需求的模块化全装配的大跨度空间钢结构体系。针对该问题，现有的技术方案中对索穹顶结构和环桁架结构体系进行了技术创新（参见中国专利cn115748976a、cn114150774b、cn113216383b）。但是现有的传统弦支穹顶结构仍为半装配式空间结构，其下部索杆体系为装配式结构，上部网壳结构以现场焊接为主，连接节点为焊接节点、不可拆卸，无法实现异地装配重建，为非装配式结构，现场焊接存在施工效率低、碳排放量大、污染环境等严重问题，无法实现绿色化、工业化、智能化，不适合智能建造。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本发明提供一种模块化全装配h型钢弦支穹顶结构及其建造方法，不仅能解决现有技术中弦支穹顶结构的上部网壳结构以现场焊接为主，连接节点为焊接节点、不可拆卸，无法实现异地装配重建，存在施工效率低、碳排放量大、污染环境，无法实现绿色化、工业化、智能化，不适合智能建造等问题，还能解决装配式节点由于加工精度问题带来的装配误差以及大跨度结构在施工和正常使用阶段受不均匀温度应力影响等问题。本发明是通过如下技术方案实现的：
2、一种模块化全装配h型钢弦支穹顶结构体系，其特征在于，所述弦支穹顶结构体系包括上部模块化全装配钢网壳体系和下部索杆体系；
3、所述上部模块化全装配钢网壳体系包括标准化模块单元、连接杆、拼接杆和中心环；钢网壳装配式节点和h型钢杆件连接形成所述标准化模块单元；所述标准化模块单元通过连接杆连接形成模块环；所述钢网壳装配式节点和多根连接杆连接形成所述中心环；所述模块环、中心环通过拼接杆连接，形成所述上部模块化全装配钢网壳体系；
4、所述下部索杆体系包括竖向单撑杆、径向拉索、环索、撑杆上节点和索撑下节点；所述撑杆上节点连接在所述模块环下方；所述竖向单撑杆的上端连接所述撑杆上节点，下端连接所述索撑下节点；所述环索两端连接同一圈的相邻索撑下节点；所述径向拉索一端连接索撑下节点、另一端连接相邻外圈的撑杆上节点。
5、进一步，所述标准化模块单元为以三角形作为基本单元形式的标准化模块单元a型或以带斜杆的梯形作为基本单元形式的标准化模块单元b型。
6、进一步，所述钢网壳装配式节点为装配式毂形连接节点，所述装配式毂形连接节点包括中心毂和承托板；所述中心毂由中心钢棍、第一端板和第一斜板连接而成；所述第一端板和第一斜板的两端分别开设有螺栓孔；所述第一斜板底部设置所述承托板。
7、进一步，所述装配式毂形连接节点和h型钢杆件连接形成所述标准化模块单元a型，所述中心毂设置有工字形连接板，所述h型钢杆件与工字形连接板连接。
8、进一步，所述装配式毂形连接节点和连接杆a型连接形成中心环a型，所述连接杆a型为h型钢杆件的两端分别焊接连接件，所述连接件由第二端板、第二斜板和工字形加劲板组成；所述第二端板和第二斜板上设置有与装配式毂形连接节点对应的螺栓孔，所述装配式毂形连接节点与连接件通过穿设在螺栓孔内的高强度螺栓连接副连接。
9、进一步，所述钢网壳装配式节点为装配式l件板式连接节点，所述装配式l件板式连接节点包括空心球、h形端板连接头、l形件；所述的h形端板连接头由h形端板连接头的端部封板、h形端板连接头的腹板和h形端板连接头的翼缘组成，所述端部封板设置有与l形件对应的螺栓孔，所述空心球与h形端板连接头连接；所述l形件为l形构件和加强板，所述l形件通过螺栓连接在所述h形端板连接头的端部封板上。
10、进一步，所述装配式l件板式连接节点还包括连接盖板，所述h形端板连接头的翼缘上面设置有与所述连接盖板对应的螺栓孔。
11、进一步，所述装配式l件板式连接节点和h型钢杆件连接形成所述标准化模块单元b型，所述空心球、h形端板连接头和h型钢杆件在工厂焊接加工成标准化模块单元运输杆，所述标准化模块单元运输杆与标准化模块单元拼接杆通过装配式l件板式连接节点连接。
12、进一步，所述装配式l件板式连接节点和连接杆b型连接形成中心环b型，所述连接杆b型为两端分别开设螺栓孔的h型钢杆件，所述装配式l件板式连接节点与所述连接杆b型通过高强度螺栓连接副连接。
13、进一步，所述模块环a型、中心环a型通过装配式毂形连接节点与拼接杆a型连接时，所述拼接杆a型为h型钢杆件的两端分别焊接连接件，所述连接件由第二端板、第二斜板和工字形加劲板组成；所述第二端板和第二斜板上设置有与装配式毂形连接节点对应的螺栓孔，所述装配式毂形连接节点与连接件通过穿设在螺栓孔内的高强度螺栓连接副连接。
14、进一步，所述模块环b型、中心环b型通过装配式l件板式连接节点与拼接杆b型连接时，所述拼接杆b型为两端分别开设螺栓孔的h型钢杆件。
15、进一步，当采用装配式毂形连接节点时，所述撑杆上节点为毂体撑杆上节点，所述毂体撑杆上节点包括圆形托板、耳板，所述圆形托板设置在所述中心毂的中心钢棍下面；所述耳板垂直设置在所述圆形托板上，所述耳板与所述竖向单撑杆连接。
16、进一步，所述毂体撑杆上节点的耳板为矩形耳板，所述毂体撑杆上节点还包括斜向耳板，所述斜向耳板设置在所述矩形耳板与所述径向拉索连接一侧。
17、进一步，当采用装配式l件板式连接节点时，所述撑杆上节点为球体撑杆上节点，所述球体撑杆上节点包括竖向和斜向的耳板，所述竖向和斜向的耳板焊接在所述空心球上，所述竖向的耳板用于连接竖向单撑杆，所述斜向的耳板用于连接径向拉索。
18、进一步，所述索撑下节点包括滚轴底板、2个c形套块、滚轴、盖板、对拉螺栓、撑杆耳板和径向拉索耳板；所述c形套块内部开设槽孔，2个c形套块拼在一起并将所述滚轴底板和滚轴包设在c形套块的槽孔内，所述c形套块两端放置所述盖板，所述对拉螺栓穿过两端盖板、c形套块、滚轴和滚轴底板的螺栓孔并连接成整体；所述环索穿过所述2个c形套块拼成的半圆形孔洞；所述c形套块上端的盖板设置有撑杆耳板，通过销轴连接所述竖向单撑杆；所述c形套块上设置径向拉索耳板，通过销轴连接所述径向拉索。
19、进一步，所述拼接杆上还设置装配误差可调节点，所述装配误差可调节点包括万向转动套件、端板a、端板b、高强度螺杆；所述的万向转动套件包括球柱组合体、柱状上扣件、柱状下扣件、柱体套管；所述球柱组合体由球体和柱体一体铸造而成，柱状上扣件、柱状下扣件内部依照所述球柱组合体的球体直径开设弧形槽孔，使球体可在所述柱状上扣件、柱状下扣件的内部转动；所述球柱组合体的柱体末端和柱体套管开设配套螺纹；所述柱状上扣件设置在端板a上，所述柱体套管设置在端板b上，所述端板a和端板b通过所述高强度螺杆连接。
20、本发明还提供上述一种模块化全装配h型钢弦支穹顶结构体系的建造方法，包括以下步骤：
21、步骤一：所述标准化模块单元、连接杆、拼接杆、钢网壳装配式节点分别在工厂批量预制并运输至施工现场；当选用装配式毂形连接节点时，标准化模块单元a型在工厂批量预制并运输至施工现场；当选用装配式l件板式连接节点时，标准化模块单元运输杆和标准化模块单元拼接杆需在工厂批量预制，运输至施工现场后，在地面拼装形成标准化模块单元b型；
22、步骤二：根据所述中心环在空中的设计位置，预先放样定位确定中心环在地面的投影位置，搭设临时顶升胎架，将所述钢网壳装配式节点吊装置于顶升胎架中央；当选用所述装配式毂形连接节点时，起吊所述连接杆a型，使所述连接杆a型的连接件与所述装配式毂形连接节点的中心毂的板面贴合，下放吊装绳索，使所述连接件沿中心毂板面滑动于承托板上，再用高强度螺栓连接副将中心毂与连接件进行初拧，形成中心环a型；当选用所述装配式l件板式连接节点时，下部的连接盖板提前与所述空心球的h形端板连接头通过螺栓连接安装并紧固，连接杆b型与l形件通过螺栓连接安装并紧固，起吊所述连接杆b型，使所述连接杆b型上安装的l形件与所述h形端板连接头的板面贴合，下放吊装绳索，使所述连接杆b型沿h形端板连接头板面滑动于下部的连接盖板上，再安装其余的螺栓，完成初拧，形成中心环b型；
23、步骤三：根据所述模块环在空中的设计位置，预先放样定位确定标准化模块单元在地面的投影位置，吊装各个标准化模块单元沿环向置于相应的投影位置；按照步骤二的装配方法，依次完成各个标准化模块单元与连接杆的拼装，形成一个或多个模块环；
24、步骤四：吊装拼接杆，将所述拼接杆与所述中心环外圈的钢网壳装配式节点通过高强度螺栓连接副连接，完成螺栓初拧；对于无需连接下部索杆体系的模块环，事先计算拼装完成后该模块环的最小标高位置，以便于螺栓安装；对于需要连接下部索杆体系的模块环，需留有下部索杆体系的安装空间；
25、步骤五：吊装第一圈模块环，与所述中心环外围的拼接杆通过高强度螺栓连接副连接，并完成初拧，完成第一圈模块环与中心环的拼装，再依次完成其余模块环的拼装；
26、步骤六：对于需要连接下部索杆体系的模块环，在吊起所述模块环后，同时进行所述竖向单撑杆、环索和径向拉索的安装；
27、步骤七：所述上部模块化全装配钢网壳体系拼装成形后，完成各部分螺栓的终拧，确保螺栓达到设计预紧力；调整好所述环索的初始索长和竖向单撑杆的长度后，由外到内张拉所述径向拉索，分级控制张拉，使各圈环索索力数值到达设计预应力的水平；
28、步骤八：通过提升索和顶升胎架使所述模块化全装配h型钢弦支穹顶结构体系达到设计标高，体系施工安装完成。
29、进一步，所述步骤六的安装顺序为先通过所述毂体撑杆上节点或球体撑杆上节点安装竖向单撑杆，将所述竖向单撑杆逐根吊起，竖向单撑杆的上端与中心毂下部耳板连接或与空心球下部耳板连接，竖向单撑杆的下端先安装带有撑杆耳板的上端的盖板；在地面将滚轴、滚轴底板、c形套块、下端的盖板、环索相连，穿好对拉螺栓，调整好环索长度，牵引提升整圈环索，将所述对拉螺栓与上端的盖板连接，完成所述索撑下节点安装；环索安装完毕后，调整好径向双拉索的长度，先与毂体撑杆上节点的斜向耳板连接或与球体撑杆上节点的斜向耳板连接，再与索撑下节点的径向拉索耳板连接。
30、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
31、1.本发明的模块化全装配h型钢弦支穹顶结构体系能够实现标准化设计、工业化生产、模块化施工、高效化装配，施工效率高，施工成本低，符合建筑业的主流发展要求。标准化模块单元、连接杆和拼接杆通用性强，便于标准化设计；各部件在工厂工业化批量生产制造，加工质量易于把控；杆件采用h型钢杆件，解决网壳平面外和网壳平面内两个方向的抗弯刚度需求差异过大的问题，充分利用材料的性能，同时可根据型钢表设计选取合适截面，无需重新加工，实现标准化设计、工业化生产；形成的模块化单元和拼装杆件满足车辆运输的要求，能够满足长途或异地运输的需求；长条状和块状的运输单元占用空间少，降低了运输的成本。模块化单元和杆件在施工现场采用全螺栓连接，无需焊接，便于施工，操作方便，由标准化模块单元形成环状的模块环单元，将网壳结构零散构件的拼装过程替换为环状的模块环间的拼装，通过模块化全螺栓连接技术和全装配预应力技术，提高了现场建造的工业化程度，可保证施工质量，同时避免高空作业，无需搭设满堂脚手架，大大降低了施工成本，现场无焊接作业，无湿作业，实现绿色低碳无污染。
32、2.本发明的钢网壳装配式节点能够解决现有技术中传统的弦支穹顶结构以焊接节点为主，施工效率低、碳排放量大、污染环境重、结构无法拆卸、无法实现异地装配重建等问题。提出的装配式毂形连接节点形式参照螺栓受拉连接类设计，构造简单，安装方便，节点传力机制参照螺栓受拉剪连接类设计，可实现强连接弱构件，节点6根杆件拼接仅需要36个螺栓，平均单根杆件需要6个螺栓；相较于同类型节点，螺栓数量少，节点刚度大、承载力高，节点抗弯承载力取决于杆件截面抗弯承载力。提出的装配式l件板式连接节点主要针对工程中常用的空心球节点，相较于现有技术中同类的全螺栓空心球连接h型钢节点，该节点无需对空心球和h型钢加工进行二次焊接加工，直接订购运输至现场即可使用，易于实现标准化和工业化，同时安装螺栓数量较少，便于工程应用，提高了施工效率。
33、3. 本发明的装配式误差调节节点能够实现径向和环向的长度、角度误差调节。节点设置在拼接杆中部，能够减少装配式节点由于加工精度问题带来的装配误差，减少各个模块环间的拼装误差，同时可以消除由于结构跨度较大在施工和正常使用阶段产生的不均匀温度应力。节点误差调整便捷，装配时可根据施工现场三维激光扫描预拼装的坐标点位情况，计算环向和径向的误差值大小，通过转动万向转动套件调整杆件角度，补偿装配角度的误差，通过旋拧高强度螺杆的螺母调整杆件长度，补偿装配长度的误差。
1.一种模块化全装配h型钢弦支穹顶结构体系，其特征在于，所述弦支穹顶结构体系包括上部模块化全装配钢网壳体系（1）和下部索杆体系（2）；
2.根据权利要求1所述的弦支穹顶结构体系，其特征在于，所述标准化模块单元（3）为以三角形作为基本单元形式的标准化模块单元a型（3a）或以带斜杆的梯形作为基本单元形式的标准化模块单元b型（3b）。
3.根据权利要求2所述的弦支穹顶结构体系，其特征在于，所述钢网壳装配式节点（7）为装配式毂形连接节点（7a），所述装配式毂形连接节点（7a）包括中心毂（9）和承托板（13）；所述中心毂（9）由中心钢棍（14）、第一端板（15）和第一斜板（16）连接而成；所述第一端板（15）和第一斜板（16）的两端分别开设有螺栓孔；所述第一斜板（16）底部设置所述承托板（13）。
4.根据权利要求3所述的弦支穹顶结构体系，其特征在于，所述装配式毂形连接节点（7a）和h型钢杆件（11）连接形成所述标准化模块单元a型（3a），所述中心毂（9）设置有工字形连接板（21），所述h型钢杆件（11）与工字形连接板（21）连接。
5.根据权利要求3所述的弦支穹顶结构体系，其特征在于，所述装配式毂形连接节点（7a）和连接杆a型（4a）连接形成中心环a型（6a），所述连接杆a型（4a）为h型钢杆件（11）的两端分别焊接连接件（10），所述连接件（10）由第二端板（17）、第二斜板（18）和工字形加劲板（19）组成；所述第二端板（17）和第二斜板（18）上设置有与装配式毂形连接节点（7a）对应的螺栓孔，所述装配式毂形连接节点（7a）与连接件（10）通过穿设在螺栓孔内的高强度螺栓连接副（12）连接。
6.根据权利要求3所述的弦支穹顶结构体系，其特征在于，所述钢网壳装配式节点（7）为装配式l件板式连接节点（7b），所述装配式l件板式连接节点（7b）包括空心球（22）、h形端板连接头（23）、l形件（24）；所述的h形端板连接头（23）由h形端板连接头的端部封板（28）、h形端板连接头的腹板（29）和h形端板连接头的翼缘（30）组成，所述端部封板（28）设置有与l形件（24）对应的螺栓孔，所述空心球（22）与h形端板连接头（23）连接；所述l形件（24）为l形构件和加强板，所述l形件（24）通过螺栓连接在所述h形端板连接头（23）的端部封板（28）上。
7.根据权利要求6所述的弦支穹顶结构体系，其特征在于，所述装配式l件板式连接节点（7b）还包括连接盖板（25），所述h形端板连接头的翼缘（30）上面设置有与所述连接盖板（25）对应的螺栓孔。
8.根据权利要求7所述的弦支穹顶结构体系，其特征在于，所述装配式l件板式连接节点（7b）和h型钢杆件（11）连接形成所述标准化模块单元b型（3b），所述空心球（22）、h形端板连接头（23）和h型钢杆件（11）在工厂焊接加工成标准化模块单元运输杆（26），所述标准化模块单元运输杆（26）与标准化模块单元拼接杆（27）通过装配式l件板式连接节点（7b）连接。
9.根据权利要求6所述的弦支穹顶结构体系，其特征在于，所述装配式l件板式连接节点（7b）和连接杆b型（4b）连接形成中心环b型（6b），所述连接杆b型（4b）为两端分别开设螺栓孔的h型钢杆件（11），所述装配式l件板式连接节点（7b）与所述连接杆b型（4b）通过高强度螺栓连接副（12）连接。
10.根据权利要求5所述的弦支穹顶结构体系，其特征在于，所述模块环a型（8a）、中心环a型（6a）通过装配式毂形连接节点（7a）与拼接杆a型（5a）连接时，所述拼接杆a型（5a）为h型钢杆件（11）的两端分别焊接连接件（10），所述连接件（10）由第二端板（17）、第二斜板（18）和工字形加劲板（19）组成；所述第二端板（17）和第二斜板（18）上设置有与装配式毂形连接节点（7a）对应的螺栓孔，所述装配式毂形连接节点（7a）与连接件（10）通过穿设在螺栓孔内的高强度螺栓连接副（12）连接。
11.根据权利要求6所述的弦支穹顶结构体系，其特征在于，所述模块环b型（8b）、中心环b型（6b）通过装配式l件板式连接节点（7b）与拼接杆b型（5b）连接时，所述拼接杆b型（5b）为两端分别开设螺栓孔的h型钢杆件（11）。
12.根据权利要求6所述的弦支穹顶结构体系，其特征在于，当采用装配式毂形连接节点（7a）时，所述撑杆上节点（34）为毂体撑杆上节点（34a），所述毂体撑杆上节点（34a）包括圆形托板（36）、耳板（37），所述圆形托板（36）设置在所述中心毂（9）的中心钢棍（14）下面；所述耳板（37）垂直设置在所述圆形托板（36）上，所述耳板（37）与所述竖向单撑杆（31）连接。
13.根据权利要求12所述的弦支穹顶结构体系，其特征在于，所述毂体撑杆上节点（34a）的耳板（37）为矩形耳板（39），所述毂体撑杆上节点（34a）还包括斜向耳板（38），所述斜向耳板（38）设置在所述矩形耳板（39）与所述径向拉索（32）连接一侧。
14.根据权利要求6所述的弦支穹顶结构体系，其特征在于，当采用装配式l件板式连接节点（7b）时，所述撑杆上节点（34）为球体撑杆上节点（34b），所述球体撑杆上节点（34b）包括竖向和斜向的耳板（37），所述竖向和斜向的耳板（37）焊接在所述空心球（22）上，所述竖向的耳板（37）用于连接竖向单撑杆（31），所述斜向的耳板（37）用于连接径向拉索（32）。
15.根据权利要求1所述的弦支穹顶结构体系，其特征在于，所述索撑下节点（35）包括滚轴底板（41）、2个c形套块（42）、滚轴（43）、盖板（44）、对拉螺栓（45）、撑杆耳板（46）和径向拉索耳板（47）；所述c形套块（42）内部开设槽孔，2个c形套块（42）拼在一起并将所述滚轴底板（41）和滚轴（43）包设在c形套块（42）的槽孔内，所述c形套块（42）两端放置所述盖板（44），所述对拉螺栓（45）穿过两端盖板（44）、c形套块（42）、滚轴（43）和滚轴底板（41）的螺栓孔并连接成整体；所述环索（33）穿过所述2个c形套块（42）拼成的半圆形孔洞；所述c形套块（42）上端的盖板（44）设置有撑杆耳板（46），通过销轴连接所述竖向单撑杆（31）；所述c形套块（42）上设置径向拉索耳板（47），通过销轴连接所述径向拉索（32）。
16.根据权利要求1所述的弦支穹顶结构体系，其特征在于，所述拼接杆（5）上还设置装配误差可调节点（48），所述装配误差可调节点（48）包括万向转动套件（49）、端板a（50）、端板b（51）、高强度螺杆（52）；所述的万向转动套件（49）包括球柱组合体（53）、柱状上扣件（54）、柱状下扣件（55）、柱体套管（56）；所述球柱组合体（53）由球体和柱体一体铸造而成，柱状上扣件（54）、柱状下扣件（55）内部依照所述球柱组合体（53）的球体直径开设弧形槽孔，使球体可在所述柱状上扣件（54）、柱状下扣件（55）的内部转动；所述球柱组合体（53）的柱体末端和柱体套管（56）开设配套螺纹；所述柱状上扣件（54）设置在端板a（50）上，所述柱体套管（56）设置在端板b（51）上，所述端板a（50）和端板b（51）通过所述高强度螺杆（52）连接。
17.根据权利要求12所述一种模块化全装配h型钢弦支穹顶结构体系的建造方法，其特征在于，包括以下步骤：
18.根据权利要求17所述的建造方法，其特征在于，所述步骤六的安装顺序为先通过所述毂体撑杆上节点（34a）或球体撑杆上节点（34b）安装竖向单撑杆（31），将所述竖向单撑杆（31）逐根吊起，竖向单撑杆（31）的上端与中心毂（9）下部耳板（37）连接或与空心球（22）下部耳板（37）连接，竖向单撑杆（31）的下端先安装带有撑杆耳板（46）的上端的盖板（44）；在地面将滚轴（43）、滚轴底板（41）、c形套块（42）、下端的盖板（44）、环索（33）相连，穿好对拉螺栓（45），调整好环索（33）长度，牵引提升整圈环索（33），将所述对拉螺栓（45）与上端的盖板（44）连接，完成所述索撑下节点（35）安装；环索（33）安装完毕后，调整好径向双拉索（32）的长度，先与毂体撑杆上节点（34a）的斜向耳板（38）连接或与球体撑杆上节点（34b）的斜向耳板（38）连接，再与索撑下节点（35）的径向拉索耳板（47）连接。
