一种全自然采光的大跨度水晶宫穹顶系统

摘要

一种全自然采光的大跨度水晶宫穹顶系统，包括穹顶主体、采光系统、蓄水减重系统和投影系统，采光系统包括开设在穹顶主体的顶部的若干个采光孔；采光孔下方嵌设有蓄水减重系统，蓄水减重系统包括若干个中空多夹层的蓄水装置，蓄水装置设有进水口和出水口，相邻蓄水装置通过软管相连；蓄水装置与供水装置连通，且其进水口、出水口分别与供水泵和排水泵连通，蓄水装置的中心孔内设有投影系统。该穹顶系统可以安全稳定地提供日间的自然采光照明需求；蓄水减重系统降低了穹顶的承重负荷，便于投影系统形成仿静动态的投影效果；控制器根据光照强度测量仪的检测信号，改变蓄水减重系统中蓄水厚度，实现对穹顶光照强度的自动化调节。

说明书

技术领域

本发明涉及灯光投影设计领域，特别是动态彩绘灯光投影设计，尤其是涉及一种全自然采光的大跨度水晶宫穹顶系统。

背景技术

目前，我国大跨度的穹顶结构的建筑越来越受设计师的青睐，穹顶结构给予室内人员宽敞舒适的感觉，而传统穹顶的美化设计主要通过在穹顶装饰各种灯具，通过灯光颜色，灯光的排列等手段营造各种视觉灯光效果，但该方法局限于光源的单调性和穹顶承重局限性，往往无法满足一些建筑的穹顶美观要求，也不足以满足不同功能性建筑的需求，且不能充分利用自然采光。

采光设计是穹顶水晶宫关键，直接通过灯具照射方式适用于比较正式的场所，对于比较商业性的场所，如游乐园，为满足一定的主题，在穹顶上布置相应的主题背景是市场趋势，相对于直接在穹顶喷涂主题背景或张贴装饰灯手段，自然采光投影主题技术更加方便美观。

其次，穹顶结构添加装饰设计的困难之一还在于穹顶的承重局限性，尤其对于大跨度的穹顶结构，由于无法承重过大，穹顶无法承受太高负荷的设计因此，急需提供一种质量轻便的投影装置，便于用于大跨度的水晶宫穹顶内大面积的投影光影。

因此，本发明突破传统的直照式的灯光穹顶设计，为穹顶结构建筑提供了更加丰富多彩的选择，市场需求高，应用前景广阔。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种结构简单、穹顶承重较小，观影动态效果良好、安全稳定的全自然采光的大跨度水晶宫穹顶系统，满足不同功能建筑的穹顶美观要求，同时为解决自然采光不稳定，充分利用当地自然采光资源难度大的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种全自然采光的大跨度水晶宫穹顶系统，包括穹顶主体、采光系统、蓄水减重系统、和投影系统，所述采光系统包括开设在穹顶主体的顶部的若干个采光孔；所述采光孔下方嵌设有蓄水减重系统，所述蓄水减重系统包括若干个中空多夹层的蓄水装置，蓄水装置设有进水口和出水口，相邻蓄水装置通过软管相连；蓄水装置与供水装置连通，且其进水口、出水口分别与供水泵和排水泵连通，所述蓄水装置的中心孔内设有投影系统。

根据采光孔内太阳光的直射光照强度高低，调节蓄水减重系统中蓄水夹层内的蓄水厚度，如太阳光的直射光照强度达到10万勒克斯，调节蓄水减重系统内的蓄水量，使蓄水装置中4层蓄水夹层均蓄水，进而增大蓄水减重系统的蓄水厚度至4层，同样，在光照强度低时，如在太阳直射条件不佳时，则减少蓄水减重系统的蓄水厚度，如通过开大排水泵的开度，减小蓄水装置内的蓄水量，使蓄水装置中仅2层蓄水层蓄水，即蓄水厚度为2层。

蓄水为淡蓝色透明水体，蓄水装置中蓄水厚度越大，其对阳光的散射作用越强，从而调控自然采光的光照强度。

由于蓄水装置为中空多夹层的结构，蓄水减重系统还可以减小穹顶的承重压力，当出现紧急情况时，可以关闭供水泵，全部开启排水泵，使蓄水减重系统内的水快速排出，进而减小穹顶的承重压力。

所述穹顶系统还包括安全维护系统，所述安全维护系统包括安全丝网和应急快速排水断电开关，所述安全丝网铺设在穹顶主体的底部，所述应急快速排水断电开关与控制器电连接，所述应急快速排水断电开关与投影系统的驱动电机、供水泵、排水泵电连接。

所述供水装置和蓄水装置的连接管路上设有多档位流量调节阀，实现对蓄水装置内蓄水厚度的调节，以及快速抽排水的目的。

所述采光孔的孔径≥100mm，相邻采光孔之间的间距≥采光孔孔径的2倍；优选，所述采光孔的孔径为300~800mm，相邻采光孔之间的间距为1500~2000mm。

采光孔的孔径和相邻采光孔之间的间距根据穹顶所处地的天气工况（即全年的光照强度变化范围）和建筑物的采光需求进行确定。

所述穹顶系统还包括光照强度测量仪，所述光照强度测量仪与控制器连接，并安装在采光孔内，并向控制器发送采光孔内实时的光照强度，控制器根据光照强度，调节供水泵和排水泵的开度，进而调节蓄水装置内的蓄水量，相应地改变蓄水装置中蓄水夹层的蓄水厚度。

所述蓄水装置中夹层的数量≥3层，优选4~8层。蓄水装置的夹层壁厚为3~8mm，底部蓄水层厚度为10-20mm，外壁蓄水厚度为20-40mm。

所述投影系统包括蒙版区域透光转轮和隔水箱，所述隔水箱安装在蓄水装置的中心孔内，所述蒙版区域透光转轮安装在隔水箱内，并与低电压驱动电机（如24V低压驱动电机）连接。

所述蒙版区域透光转轮包括不透明的上固定部和可透光且由多幅彩绘拼接组成的下转动部，下转动部与上固定部轴接，且下转动部相对固定部可低速转动，下转动部的转动速度为5r/s~20r/s。

本发明一种全自然采光的大跨度水晶宫穹顶系统的有益效果：该穹顶系统可以安全稳定地提供日间的自然采光照明需求；蓄水减重系统可以在意外紧急情况或水晶宫停运时，将蓄水装置内的水快速排空，降低了穹顶的承重压力，显著降低了穹顶的承重负荷，且独立蓄水装置设进出水口，便于清洗和蓄水装置内水流流速的调控，便于投影系统形成仿静动态的投影效果。

投影系统中的蒙版区域透光转轮通过隔水箱支持，24V低电压驱动，提供了投影系统的安全性；且蒙版区域透光转轮可以模拟不同的投影形状，形成仿静动态海洋生物投影效果，蒙版区域透光转轮可拆卸式地安装在隔水箱内，便于低成本更换不同的水晶宫主题图案，转轮采用彩绘投影，能为穹顶添加丰富多彩的投影色彩。

光照强度测量仪通过对采光孔的光照强度进行检测，控制器接收到光照强度测量仪的检测信号，再根据设定值，对供水泵和排水泵的开度进行调节，实现对蓄水减重系统中蓄水厚度的自动化控制调节，进而改变水晶宫穹顶的光照效果。

穹顶主体底部设安全丝网，在不影响投影效果的前提下降低系统故障等安全隐患，可以实现对采光孔内蓄水减重系统和投影系统的防爆防坠落，应急快速排水断电开关，可以对蓄水减重系统内的水快速排水，降低了穹顶的承重压力，显著降低了穹顶的承重负荷；隔水箱实现转轮的水电隔离安装，并采用低电压驱动电机实现安全的防漏电保护。

附图说明

图1—为一种全自然采光的大跨度水晶宫穹顶系统的结构示意图；

图2—为一种全自然采光的大跨度水晶宫穹顶系统的工作原理图；

图3—为一种全自然采光的大跨度水晶宫穹顶系统的自然采光稳定运行控制原理图；

图4—为实施例2中一种全自然采光的大跨度水晶宫穹顶系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

下面以长沙市某建筑穹顶结构为例，详细说明本发明的大跨度穹顶彩灯水晶宫系统设计如下：

参照图1和2，一种全自然采光的大跨度水晶宫穹顶系统，包括穹顶主体、采光系统、蓄水减重系统和投影系统，所述采光系统包括开设在穹顶主体的顶部的若干个采光孔；所述采光孔下方嵌设有蓄水减重系统，所述蓄水减重系统包括若干个中空多夹层的蓄水装置，蓄水装置设有进水口和出水口，相邻蓄水装置通过软管相连；蓄水装置与供水装置连通，且其进水口、出水口分别与供水泵和排水泵连通，所述蓄水装置的中心孔内设有投影系统。

水晶宫穹顶系统通过采光孔引入自然光，经过蓄水减重系统中的蓄水装置与投影系统在穹顶形成动静态海洋生物投影，蓄水减重系统一方面减少了穹顶的承重压力，同时通过蓄水装置的蓄水量大小/蓄水厚度的调节，从而调节自然采光强度。

所述穹顶系统还包括安全维护系统，所述安全维护系统包括安全丝网和应急快速排水断电开关，所述安全丝网铺设在穹顶主体的底部，所述应急快速排水断电开关与控制器电连接，所述应急快速排水断电开关与投影系统的驱动电机、供水泵、排水泵电连接。该安全维护系统减少了水晶宫穹顶系统意外造成的损失。

参照图3，根据大跨度穹顶的力学结构特性，计算出承重节点的安全距离与对应的承重上限。如穹顶主体为400m²的椭圆穹顶结构，承重节点间的安全间距在1.5-2.5m，承重上限为4kg-6kg。

再根据采光孔内太阳光的直射光照强度高低，调节蓄水减重系统中蓄水夹层内的蓄水厚度，为实现稳定且充足的自然采光，根据长沙市气候特点，以最不利天气工况选择自然采光孔大小与间距，综合建筑采光需求，采用直径为500mm的圆形采光孔，自然采光孔间距为1500mm。

蓄水系统采用圆筒形中空多层外壁夹层蓄水设计，有效降低蓄水重量，具体根据长沙市夏季光照强度与建筑照明需求，采用5层蓄水夹层设计。单个蓄水装置的最大蓄水总量不超过2.4kg，蓄水夹层的夹层壁厚为5mm。

当夏季中午阳光直射时，太阳光的直射光照强度达到10万勒克斯，调节蓄水减重系统内的蓄水量，使蓄水装置中4层蓄水夹层均蓄水，进而增大蓄水减重系统的蓄水厚度至4层；同样，在光照强度低时，如在太阳直射条件不佳时，则减少蓄水减重系统的蓄水厚度，如通过开大排水泵的开度，减小蓄水装置内的蓄水量，使蓄水装置中仅2层蓄水层蓄水，即蓄水厚度为2层。

蓄水为淡蓝色透明水体，蓄水装置中蓄水厚度越大，其对阳光的散射作用越强，从而调控自然采光的光照强度。

由于蓄水装置为中空多夹层的结构，蓄水减重系统还可以减小穹顶的承重压力，当出现紧急情况时，可以关闭供水泵，全部开启排水泵，使蓄水减重系统内的水快速排出，进而减小穹顶的承重压力。

所述供水装置和蓄水装置的连接管路上设有多档位流量调节阀，实现对蓄水装置内蓄水厚度的调节，以及快速抽排水的目的。

采光孔的孔径和相邻采光孔之间的间距根据穹顶所处地的天气工况（即全年的光照强度变化范围）和建筑物的采光需求进行确定。

所述投影系统包括蒙版区域透光转轮和隔水箱，所述隔水箱安装在蓄水装置的中心孔内，所述蒙版区域透光转轮安装在隔水箱内，并与低电压驱动电机（如24V低压驱动电机）连接。

所述蒙版区域透光转轮包括不透明的上固定部和可透光且由多幅彩绘拼接组成的下转动部，下转动部与上固定部轴接，且下转动部相对固定部可低速转动，蒙版区域透光转轮的直径为80mm，下转动部的转动速度为5r/s，在穹顶投影出动态视觉效果。

蓄水减重系统通过调节流量大小，从而调节蓄水装置内蓄水夹层内的蓄水厚度，蓄水装置采用圆筒形中空多层外壁夹层结构，设有出水口与进水口，相邻的蓄水装置彼此用10mm直径软管相连接，并与供用水箱相连，发生意外时可以将蓄水系统的水抽空减重或进行清洗，同时，中空设计可以最大限度的减低蓄水重量，降低穹顶承重，为保证安全高效，其最大功率可在2分钟内完成系统排水。

防爆防漏电安全维护系统设计包括投影转轮24V低电压驱动设计，穹顶安全丝网防爆防坠落设计和意外情况快速排水断电设计。投影转轮安装于蓄水池中空孔内，采用隔水箱隔水安装，并采用24V低压驱动，穹顶底部铺设1mm直径的细安全玻璃丝网，并在控制室设有系统快速排水断电总开关。

实施例2

与实施例1相比，本实施例的全自然采光的大跨度水晶宫穹顶系统，存在以下不同：

所述穹顶系统还包括光照强度测量仪，所述光照强度测量仪与控制器连接，并安装在采光孔内，并向控制器发送采光孔内实时的光照强度，控制器根据光照强度，调节供水泵和排水泵的开度，进而调节蓄水装置内的蓄水量，相应地改变蓄水装置中蓄水夹层的蓄水厚度。

根据穹顶所处地的天气工况（即全年的光照强度变化范围）和建筑物的采光需求进行确定采光孔的孔径和相邻采光孔之间的间距，采光孔的孔径还可以为100mm、200mm、300mm、450mm、600mm或800mm，相邻采光孔之间的间距还可以为1000 mm、1200 mm、1350 mm、1600 mm、1800 mm或2000mm；以上技术特征的改变，本领域的技术人员通过文字描述可以理解并实施，故不再另作附图加以说明。