CN103140638A - 铝居住单元及其构造方法 - Google Patents

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CN103140638A CN2011800480041A CN201180048004A CN103140638A CN 103140638 A CN103140638 A CN 103140638A CN 2011800480041 A CN2011800480041 A CN 2011800480041A CN 201180048004 A CN201180048004 A CN 201180048004A CN 103140638 A CN103140638 A CN 103140638A
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托马斯·F·德索姆欧克斯
乔治·希·斯德克斯
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Abstract

单元化建筑以及构建单元化建筑的方法，该单元化建筑由美国海岸警卫队认证的用于在USCG认可的船舶上使用并由铝和特定的海洋用阻燃毯(Firemaster Marine Blanketing)材料制成。在本发明的方法下，将壁构建为不连续的，使耐火绝缘毯成为潜在火灾的首要屏障。由于多种原因，铝可以成为比钢更好的材料以用于海洋居住的用途。铝是显著更轻的，由于在离岸移动式平台和船上的起重机能力，所以建筑更轻，将其升起则更安全。

Description

铝居住单元及其构造方法
发明人：托马斯·F·德索姆欧克斯，美国公民，美国，加州，70810，巴顿鲁治，17171Highland Road；以及乔治·希·斯德克斯，美国公民，加州，阿布维尔，7531West Cougar。
相关申请的引用
这是于2010年8月12日提交的第61/372,922号美国临时专利申请的非临时专利申请。
在此要求于2010年8月12日提交的第61/372,922号美国临时专利申请的优先权，该申请在此通过引用并入本文。
关于联邦资助研发的声明
不适用
“微缩胶片附件”的参考
不适用
发明背景
1.发明领域
本发明涉及建筑的单元结构。更特别地，本发明涉及由铝构造的单元化建筑，其中将内壁和外壁构建为不相连的，这允许在其间的阻燃绝缘毯成为潜在火灾的主要屏障。
2.发明的一般背景
在海运和船舶监管的环境中，USCG承担监管材料和工业所必须遵守的方法，从而为人员提供安全的工作环境。全世界其它类似的管理机构为ABS(美国船舶局)、挪威船舶局(DNV De Norske Veritas)和还称为SOLAS(海上人命安全公约)的Lloyds条例。如今这些条例中的许多条例起源于1912年和20世纪70年代的世界航运组织的会议。更早的条例中的许多条例归因于泰坦尼克灾难。
在历史上，单元化海运建筑外部由钢构建，其是非常重的。在工业中需要由轻质材料、例如铝构建的单元化海运建筑，并且该方式使建筑对火灾变得更加安全。
发明简述
本发明以简单的方式解决了本领域的问题。所提供的是单元化建筑和构建美国海岸警卫队(USCG)认证的由铝和特定阻燃船舶毯制成的单元化建筑的方法，所述单元化建筑用于USCG认可的船舶以及悬挂外国国旗的船舶、由ABS、NV和其它监管机构管理的船舶。在本发明的方法中，将壁构建为不连续的，使耐火绝缘毯成为潜在火灾的首要屏障。由于多种原因，铝可以成为比钢更好的材料以用于海运居住的用途。首先，铝是显著更轻的，由于在海上移动式平台和船上的起重机能力，所以建筑越轻，将其升起则越安全。此外，在船舶上的轻重量用于使全部负载减轻，显著降低燃料消耗。铝外部建筑能为同样的钢建筑的一半重量。第二且同样重要的是，铝在含盐海洋环境中几乎不像钢那样快的被腐蚀(氧化)。因此，不必安装在钢建筑上所必须完成的试图保护铝建筑外部的复杂的涂层系统，使得铝建筑变成更加易于维护。
设计标准为新颖的并如原始发明所述设定的那样，所述设计标准是通过一个内部结构与外部结构分离而构建建筑所凭借的方法，由此使其几乎成为在建筑内部的建筑。所使用的隔离物是其自身满足USCG的所有外部标准(A-60防火等级)的毯。因此，通过使内壁能独立地站立，然后通过用阻燃毯隔离物覆盖，仅由此便能构成寄宿者的安全环境。与其相伴的是，添加外壁，即铝(其也为轻质的)制的，从而仅保护阻燃墙毯隔离物免受外部环境冲击，并为建筑提供更高的结构安全性。具有双壁系统的另一增加的益处在于，其将提供甚至更多的空气空间以增加隔离物益处，从而更有效地加热和冷却建筑。申请人已经设计并建造了创新的方法以具有被认证的、安全且轻质的外壁设计，其能用于构建用于深水结构、海运船舶和其它浮动式结构的所有类型的建筑。设计能用于建立USCG认证的居住设施、MCC、办公室和其它所有尺寸的载人结构。壁设计满足A-60或H-60防火等级。其能被建造为具有几乎1.5bar静态载荷的防爆等级。双壁设计具有更好的隔离性质以用于免受火、热、冷和声音的增加的保护。设计能用于节约一半的常规结构的重量，无论其为小单元化建筑或大的多层单提式建筑。
申请人的新USCG建筑约为常规钢建筑重量的近一半。
12人卧铺建筑(铝)12'0"×40'0"(3.7m×12.2m)
24,800lbs(11,249kg)
12人卧铺建筑(钢)12'0"×40'0"(3.7m×12.2m)
48,000lbs(21,772kg)
海上石油和采气操作者理解降低重量的优势，这来自装载、卸载、运输、安全性和平台局限性。
3/16"(0.48cm)厚的钢重7.6lbs/sq ft(37.1kg/sq m)。
3/16"(0.48cm)厚的铝重2.7lbs/sq ft(13.2kg/sq m)。
本发明的许多目的如下所示：
申请人的新建筑的主要目的由不需要防止含盐环境的涂覆系统的铝构造。建筑外部是褶皱铝板并在含盐环境中不腐蚀，使建筑更廉价并随时间存在的危险更少。钢结构将最终发展为生锈且渗漏的，导致危险的水分侵入，连同受损的结构完整性，其能发展出霉菌和细菌生长，使内部生活空间变得不宜居住。由于LQT的双壁系统设计，即使在外壁存在渗漏，内部空间也是完全密封的且与外壁相独立的，使其几乎不可能具有水分侵入。随着时间延续，对于全部结构将付出降低的维护成本。其还具有显著更长的寿命周期。
铝的耐蚀性
第二个主要目的在于申请人的建筑具有铝的耐蚀性。据工程技术人员所说，铝具在广泛的水和土壤环境中具有优异的耐蚀性，归因于在其表面上形成的致密的氧化膜。尽管铝在电位序中是活性金属，但该膜在盐水环境中提供了优异的保护。
高防爆等级性能
另一主要目的在于申请人的建筑具有高防爆等级性能。新的设计允许轻质的方案在任何时候均适应灾难性爆炸的增加的安全性顾虑。新的壁设计能设计为将防爆等级从低至1bar(10kPa)增加到1.5bar(150kPa)，并且仍保持轻质双壁设计。由于壁设计为两个完全独立的壁并没有互相连接的部分的事实，所以外壁用作防爆墙，而内壁在结构上保持完好。这使设计针对爆炸具有相当高的防护，使内部对于居住者而言更安全。新的USCG/ABS租/售建筑壁设计为被认证的0.25bar(25kPa)防爆。
改善的隔离物设计
另一主要目的在于申请人的建筑具有改善的隔离设计。新的双壁设计包括用毯覆盖全部建筑的阻燃A-60隔离物的3'(0.9m)厚的层。在极端温度下测试隔离物提供免受明火的防护连同其防火性能，在壁设计中，隔离物当与4"(10cm)空气空间组合时具有非常高的R系数。空气是最佳的隔离材料。除此之外，在空间中的空气通过建筑HVAC系统而循环以用于增加的加热和冷却益处。
改善的消声设计
另一主要目的在于申请人的建筑具有改善的消声设计。壁设计和内部产品阻止噪音污染。伴随着内壁空域，隔离物提供了降噪性能。建筑将声音与常规钢建筑单壁设计相比将声音分贝降低几乎30%。这明显使得建筑对于其居住者而言更舒适。
本领域的内部设计水平
另一主要目的在于申请人的建筑具有本领域内部设计的水平。内部组件均为本领域水平的防火安全的、舒适的且USCG认可的材料。住舱技术(Living Quarter Technology)具有多年的经验，向海上石油和采气商业提供了居住设施。公司提供了具有特大号床上用品的枕顶床垫(pillow top mattresses)，连同用于隐私的舒适安静的窗帘。建筑在极端环境中具有用于加热和冷却的极大HVAC性能。所有最新安全性特征被并入单元中，包括阻燃和气体探测系统以及烟雾探测。系统具有在电力中断的情况下保持全部建筑充足照明的应急照明。
更低的结构总成本
另一主要目的在于申请人的设计具有更低的结构总成本。尽管铝的成本稍高于粗钢，由于建筑不需要涂覆系统的事实，所以建筑的总资金成本比常规类似的钢建筑低约10%。这连同建筑具有更好的隔离性质和更低的维护成本的事实，容易使其具有更好的整体价值。
23,200lbs(10,523kg)更轻
另一主要目的在于申请人的建筑比常规海上建筑更轻。海上石油和采气操作者理解降低重量的优势，这来自装载、卸载、运输、安全性和平台局限性。几乎具有常规钢建筑的重量：将我们的24,800lbs(11,249kg)的铝12人卧铺与48,000lbs(21,772kg)的钢12人卧铺进行比较。
低维护
另一主要目的在于申请人的建筑的褶皱铝板的外部在含盐环境中不被侵蚀，使得建筑成本更低、更安全并且给予其显著更长的寿命周期。随着时间延续，对于全部结构将付出降低的维护成本。由于LQT的双壁系统设计，即使在外壁存在破坏，内部空间也是完全密封的且与外壁相独立的，使其几乎不可能具有水分侵入。
附图多视角简述
对于本发明的性质、目的和优点的进一步理解，应参考下列详细描述连同下列附图的解读，其中相同的参考编号表示相同的元件，并且其中：
图1示出在本发明优选实施方案中的单元化铝单元的住舱组件的俯视图；
图2示出在本发明优选实施方案中的单元化铝单元的外保护壳组件的俯视图；
图3示出本发明单元化铝单元的包封住舱的隔离物的局部角视图；
图4示出本发明组合居住单元的俯视图，其中已将外部保护壳放置在住舱部件上；
图5示出用于由人员占用的定位于单组的多元化的六个本发明居住设施单元；
图6至8示出本发明的锚固系统的视图，其使单元堆叠在另一个上以避免上部单元从下部单元脱离；
图9示出本发明单元的屋顶框架平面的俯视图；
图10示出本发明单元的地板框架平面的俯视图；
图11至14示出在本发明单元中的外部保护壳和内部容纳舱之间的角结构；
图15A和15B示出当由冲击本发明单元的爆炸冲击外部保护壳时所涉及的动力学；
图16示出与本发明单元的地板连接的壁结构的其它视图；
图17和18示出当升高本发明单元时所使用的提升眼板的连接视图；图17示出本发明反光天花板平面的俯视图；
图19至21示出其中将隔离毯束缚在本发明住舱外表面的方式的其它视图；
图22和23示出空气流动系统的横截面视图以及本发明的单元中的隔离方式；
图24示出本发明的典型的六人居室的俯视图；以及
图25示出本发明单元的局部俯视图，其中将隔离物放置于四个角柱的外部，以便支撑上部建筑的结构角在隔离毯内部以防止火、爆炸或其它灾难性事件的破坏。
发明详述
图1-25示出本发明的优选实施方案和单元化居住设施单元以及装配该单元的方法。首先，在全部发明的讨论中，首先应参考图1-4，其示出居住设施单元10(下文称为单元10)，其包括由放置在外部保护壳14内的铝构造的内部住舱12，所述外部保护壳14还由轻质铝构造，并且外部保护壳14的壁在其间的壁空间中与任何均不接触。
首先如图1所示，示出具有一对平行侧壁17和19以及在其间存在具有门廊24的端壁20和22的大致矩形的内部住舱12。还提供了天花板部分26和地板部分28，所有这些均形成内部住舱12。如先前所述，该住舱12的四面墙、天花板和地板将由轻质铝构造，并且焊接在一起作为单个单元，以便其能形成形成其间的住舱12的连续不中断的铝壳30。如所示的那样，住舱12的壁将适当地由多个垂直的C型梁15连同壁保持，并且当住舱12被置于地面时，地板28将被升至高于地面。
在图2中，示出外部保护壳14，其由轻质铝板23构造并在长度和宽度上比住舱12更大，原因如下。铝板23将形成一对侧壁32和34、具有门廊40的端壁36和38，所述门廊40将与内部住舱12的门廊24对齐。外部保护壳14将同样包括上部屋顶42，其连同侧壁和端壁将形成保护壳14外壳。应注意的是，铝板23延伸侧壁32、34和端壁36、38的全部高度，如图5所示，原因如下。保护壳14的壁还将与多个隔开的C型梁35保持垂直，在尺寸上比支持住舱12的壁的C型梁15稍大。
在图3中，示出优选具有A-60防火等级的类型的隔离物50的截面，其在本申请中先前讨论过。将隔离物50沿住舱12的侧壁17、19，端壁20、22，天花板26和地板部分28的全部外表面52而放置，以便形成包封全部住舱12的隔离物50的连续层。关键在于，住舱12的全部外表面由隔离物50的连续层覆盖。在用隔离物50包封住舱12之后，如图4所示，因为住舱12具有比外部保护壳14更小的尺寸，所以壳14将降低到住舱12之上，以便保护壳14将完全包封住舱12，并且保护壳14的壁的下端将延伸至住舱12的壁的更低的边缘。一旦保护壳14适当放置在住舱12中，则这将形成复合单元10，并且在着火或爆炸事件的情况下将覆盖结构露梁(skid beam)以用于更大的安全性。
在图中示出的关键重要之处在于，在内部住舱12周围的隔离物50和C型梁15无论如何也不与在保护壳14的内表面33上的C型梁35接触，如在图3中所示。这可能是因为保护壳14的更大的尺寸。因此，所形成的是整个在住舱12的壁和天花板以及保护壳14的壁和天花板周围的连续空气空间60。该间隔空间60是关键的，如进一步所解释的。
现回到图5，示出在该情况下一系列六单元化单元10的前视图，其中两个并排设置并且四个已经堆叠在其上，从而在其间形成复合6单元住舱12。应注意的是，每一单元10的侧壁32、34和端壁36、38的每一个由外部铝面板23形成，所述铝面板23从每一单元10的上端点25延伸至每一单元10的最低点27。这是关键的，因为该铝保护壳14将使热或任何类型的力不能接触在保护壳14的外壁和内部住舱12的壁之间的内部空气空间60，而不首先接触保护壳14的壁的铝板以及所有主要结构梁，以在有害环境中用于产生更大的稳定性。
还应注意的是，在图5中，示出一组六单元10，该组是支撑其上两对单元10的下部一对单元10。首先，示出在六个单元中下部并列两个单元10之间的外部螺栓连接64，并且两对上部单元10置于下部单元10上。
如图5所示，并如图6至8所更详细讨论的，最上面一对单元10各自包括多个垂直的锚固构件(anchor member)66，其从每一单元10的屋顶24延伸出。同样地，每一单元10的地板28将具有多个相应地凹槽68，以便当单元10放置在下部单元10之上时，垂直的锚固构件66各自穿入上部构件10的相应的凹槽68中，以便上部单元10被适当地牢固地保持在下部单元10的顶部。出于安全的目的，关键要注意的是，在图5和7中单元10的屋顶上的位置中所示的锚固构件66被放置在位于住舱12壁内部的点上的每个单元10的上表面或屋顶上。通过这样的布置，在上部和下部单元10之间的连接将不受热或爆炸的损害，如果它们不为这样的，则可能导致保护壳14的外缘的塌陷，并且导致上部单元10倒塌离开下部单元10。
如图6至8详细所示的，存在从每一单元10的屋顶向上延伸的典型锚固构件66的视图。看到其中垂直锚固构件66向上延伸的底板72，其将配合其上的单元10的凹槽(recess)68。能看到的是，当最上部锚固构件66，例如图5所示，将不具有放置在其上的单元10时，因此，放置了能配合到锚固构件66的隔离盖76，以便在着火或爆炸过程中热将要波及到单元10的外部时，热不能通过锚固构件66向下进入住舱12。隔离盖(insulated cap)76防止热从其中通道通过。当然，当单元10具有堆叠其上的第二单元10时，热不能进入其中，所以其不需要该方面的隔离。
图9和10分别是屋顶框架平面和地板框架平面的视图。应注意的是，在图9中，如先前所述，再次在复合单元10的四个角中示出锚固构件66，并且每一锚固构件66设定在住舱12壁的内部，从而当热或爆炸冲击外部保护壳14时避免受到外部爆炸力或热。如先前所述，这再次用于使单元10的保护壳14的外部免受导致上部单元10倒塌的塌陷。所示位置还在着火或爆炸事件其间避免热进入住舱。
回到图11和12，这些图示出当其连接到角支柱80时内壁36的上视图，以及使壁36在其全部长度保持垂直的C型梁35的视图。还看到能连接到住舱12的内壁17、19的内支柱82同样具有支撑其的C型梁15。此外，并且再次强调也不为过的是，应注意到在两壁和C型梁15、35之间存在间隔空间60，以便住舱12的壁和保护壳14的壁之间不存在任何类型的金属接触。
回到图13和14，示出部件10的基底的侧视图，其中当连接到地板28时，存在住舱12壁通过焊接等而支撑保护壳14外壁的底板90。如图13所示，当内支柱82在合适的位置时，住舱的地板28被焊接在其上。此外，在住舱12的壁和外保护壳14之间存在间隔空间60，其填充有空气，并且可以填充有隔离物，原因在先前讨论过。
在图16中，再次示出在其上连接到用于住舱12的壁和保护壳14的支撑物的底板90的其它侧视图。此外，提供了支撑内住舱单元12的地板28的L型支架94，并且此外，在保护单元14的壁和住舱12的壁之间存在空气空间间隔60。如将进一步讨论的，该空间60的一部分将填充有如先前附图所示的隔离物。图15的动力学讨论下面将更详细。
现回到图17和18，这些为提升板眼95的视图，其能在每一单元10的屋顶42上的四个位置处以提升每一单元10，如在图9的全貌图中所示。此外，这些提升板眼95被放置在壳14的壁的内部，以便在着火或爆炸事件期间不受可以波及到外壳14的任何热或爆炸的冲击。每一板眼95的主体97在住舱12的保护外部内，并且仅孔眼部分99延伸出，以便在移动单元期间能由吊钩所连接。
在图19-21中，再次示出隔离物50的连续段的其它视图，所述隔离物50填充在住舱12的壁和外部保护14之间的部分间隔空间60。该隔离物50通过使用彼此分开互连销(pin)55而与内壁连接，以便隔离物50适当地保持在全部住舱12的壁的全部高度上。此外，如所示的那样，隔离物50的毯覆盖支撑住舱12的壁的C型梁15的外部。此外，应清楚的是，隔离物50占据在住舱12的壁和保护壳14之间的一些间隔空间60，但无论如何都没有与保护单元14的外壁接触并且无论如何都没有与外部保护壳14的任何C型梁35接触。
图22和23示出隔离物50，其将防止气流(箭头100)从Air Vac系统送气进入和排出住处12，以用于在使用时的居住者的舒适性。隔离物50以如此方式放置，以便爆发发生，爆炸力和热将不通过如图所示的空气递送系统的风道102而进入。
在图24中，示出在内壳、即内部居住设施单元10内的典型住舱12的俯视图。例如，存在一系列6个床110，其能容纳6名人员；同时，其它居住设施单元10可以包括其它特征，例如能用于将要在钻探设备或采油平台上工作和消磨时间的人员的任何类型的会议舱、桌子、小厨房。图25示出单元10结构的非常重要的方面。尽管图19示出典型的单元10的单角的上视局部图，但图25示出单元10的所有四个角，其中四角柱82中的每一个放置在包封内部结构14的隔离物55内部。这是非常关键的，因为角柱82是将支撑上部构件10的主要支承构件，所述上部构件10由下部构件10支撑。如图25所示的隔离物的定位将防止任何来自着火事件的热或来自爆炸力损害支柱82的支撑完整性。这将确保单元10经受来自在钻探设备或平台上的着火或爆炸的强热或力时，上部支撑单元10不会从下部支撑单元10倒塌。
现在再次参考图15A和15B。如先前所述，先前所讨论的本发明的关键方面之一是下述事实，即住舱12的内壁和外部保护壳14不论如何都不接触并由隔离物50所部分占据的间隔空间60隔开，如图15A所示。这是至关重要的，因为在例如爆炸120的事件中，如图15B所示，持续少于1秒的爆炸120的力将产生与外保护壳14的初始接触，并且在如此做时，将迫使壳的壁向住舱12的壁进行向内移动。在单元12和14之间的间隔空间60将容纳隔离物50，并且将用空气125填充以使该力的一些冲击缓冲。然而，空气125能变为压缩的，并且将用作针对住舱12壁的力。因此，当爆炸发生时，在住舱12的地板28下的内部空间60的该部分中包括通风孔126，例如，如图15所示。当气孔60由爆炸压缩时，使空气125通过这些通风孔126而排出，并因此将不用作针对住舱12壁的额外的力。此外，如果爆炸或着火足够热，则爆炸120的热将影响隔离物50，并且由于其陶瓷性质，所以50将趋于熔化并填充靠近住舱12的壁的任何间隔，并将再次用作“塑性”保护隔离壳，以便爆炸的热不能再次进入住舱12。通过这种情况，这些单元10的两壁结构使单元10的外保护壳14接受许多来自爆炸力或许多来自着火的热，并且能将来自着火和爆炸的热维持在单元的内外壁之间的该空间内，以便爆炸的热或力不能进入在这样的时间中容纳人员的其中容纳舱16的内部空间。
单元的设计标准和其它数据
已经讨论了如上述图1至24所示的居住设施单元10，接下来是在优选实施方案中单元10的设计和结构的其它重要标准的讨论。
本发明的铝居住设施单元10将由铝代替钢来构造。优选地，建筑尺寸为12’×20’’’×10’-6’’(3.7m×6.0m×3.2m)至16’×70’’’×10’-6”(4.9m×21m×3.2m)，在所预期的附图中用于该目的的实例将为12’×40’95/8’’×10’-6”(3.7m×12.4m×3.2m)的常用尺寸。
本发明的居住设施单元10经过严格的工程测试以确保新的特征在该领域是切实可行的。通过这些测试已经表明，发明人已经设计了建造用铝和特定海洋用阻燃毯(Firemaster Marine Blanket)材料制成的、用于在USCG认证的船舶上使用的USCG认证的单元化建筑的方法。将壁构建为不连续的所凭借的该方法使耐火绝缘毯成为潜在火灾的首要屏障。在历史上，单元化海运建筑外部由钢构建。由于多种原因，铝可以成为用于海运居住设施的用途的更好的材料。首先，铝被认为是更轻的，由于在海上移动式平台和船上的起重机的能力，所以建筑更轻，将其升起则更安全。此外，在船舶上的轻重量能用于使全部负载减轻，显著降低燃料消耗。铝外部建筑能为同样的钢建筑的一半重量。第二且同样重要的是，铝在含盐海洋环境中几乎不像钢那样快的被腐蚀(氧化)。因此，不必安装在钢建筑上必须完成的试图保护铝建筑外部的复杂的涂层系统，使得铝建筑变成更加易于维护。
设计标准为新颖的并如独特的发明所述设定的那样，所述设计标准是通过一个内部结构与外部结构分离而构建建筑所凭借的方法，由此使其几乎成为在一个建筑内部的建筑。优选地隔离物是其自身满足USCG的所有外部标准(A-60防火等级)的毯。因此，通过使内壁能独立地站立，然后通过用阻燃毯隔离物所覆盖，仅由此便能构成寄宿者的安全环境。与其相伴的是，能添加外壁，即铝(其也为轻质的)，从而仅保护阻燃墙毯隔离物免受外部环境冲击，并为建筑提供更多的结构安全性。具有双壁系统的另一增加的益处在于，其将提供甚至更多的空气空间以对加热和冷却建筑的更大效率增加隔离物益处。
已经根据USCG RP98-01，Eighth District Interim RecommendedPractice-Plan Approval,Certification and Installation of AccommodationModules(居住设施单元的第八区域临时推荐的实践-计划批准、认证和安装)来设计主体单元。所意图的是，在固定式海上平台、浮式结构和MODU上使用。(所有类型的海运船舶)
提升和操作计算是基于依据American Aluminum Association(美国铝业协会)，Allowable Stress Design2005(容许应力计算2005版)的塑性分析。所有计算基于焊接的容许应力值，产生更高的安全系数。
结构框架和覆层被设计用于下列情况；
提升(动态)
操作单个
操作两个堆叠和单个宽度
操作三个堆叠和两个宽度
内部结构，三个堆叠
在结构设计中，在设计中使用一般的容许应力(没有容许增量的1/3)。主要构件的挠度限于L/360，其中L=构件无支承长度(在其中)。构件上的吊装设计限于<1.00(利用率)。
主要结构框架和覆层由“STAAD PRO”结构分析(StructuralAnalysis)软件模拟。
优选地材料：
结构阻燃隔离物：应符合USCG NVIC9-97,ABS Rules and46CFRPart164。
隔离物：2”(5cm)厚“海洋用阻燃毯”，硅酸钙镁纤维隔离物(USCG批准号：164.107/1/0)。
电气：电气元件、线路和隔板电缆传输(bulkhead cable transits)应符合46CFR Subchapter J and USCG NVIC9-97。
结构：连接壁、地板和天花板以使两层铝板具有支承梁并在铝板之间具有2”(5cm)的海洋用阻燃毯(Firemaster Marine Blanket)夹层。
批准：
美国海岸警卫队
USCG评价了由申请人设计的典型全铝壁的结构防爆性能。如原始设计的那样，壁系统由外层组成，所述外层由在前所述的以24"(61cm)间隔的C6×2.83龙骨架支撑的3/16"(0.48cm)平板制成。内层由在前所述的24"(61cm)的C3×l.42龙骨架支撑的1/8"(0.32cm)铝平板制成。壁的高度为9英尺(2.7cm)，即边到边的距离。申请人要求工程评价分析该壁，它们被固定在两端；然而，工程评价未包括在分析中的任何顶梁和底梁的视图。
使用的铝合金-回火为6061-T6。该材料的机械性能从Alcoa产品目录获得。因为结构铝的爆炸响应极限还没公布，所以工程评价使用来自公布的韧性钢图形的在外推反应延展性中的工程判断。标准比较了在给定破坏水平下延伸率与韧性钢的极限延伸率的比，并且将该相同比用于6061-T6铝的极限伸长率。对于极限端旋转，假定与韧性钢的相同响应极限。
应用的设计压力为0.25bar(25KPa)，如LQT所要求的。根据APIRP-FB2计算正相位的持续时间，并发现为608毫秒。工程评价使用专有软件根据单自由度(SDOF)法来分析每一结构组件。外壁的挠度导致对内壁的二次压力，这使用工程评价Shield Pressure Prediction(盾压预测)设计工具而测定；然后，该压力-时间函数用于负载内层并测定其响应。
该工作的范围不包括使性能最大化和/或使结构成本最小化的单个组件的优化。基于工程评价，申请人的意见是壁系统能对具有一些变形的更高负载来评价。
壁系统
壁的结构组件由6061-T6铝制成。基于来自Alcoa产品目录的信息，该合金-回火的性质如下：
典型的最小屈伸强度=35ksi(241MPa)
典型的最小极限拉伸强度=38ksi(262MPa)
典型的极限伸长率=高达1/4"(0.6cm)为8%
对于1/4"(0.6cm)以及更厚的情况为10%
典型的弹性模量=10,000ksi(68,947MPa)
所有接头应由5183铝焊丝制成。根据从美国Alloy Co.产品目录i获得的信息，极限拉伸强度为41ksi(282MPa)。如申请人所建议的，双头螺栓(stud)应通过焊接厚度不超过要连接的较薄部分的填角焊而焊接于板，并且每12"(30cm)间距有3"(7.6cm)的嵌边(fillet)。
负荷
如申请人所要求的，应验证系统的峰作用压力为0.25bar(25kPa)，等于3.63psi(25kPa)。
正相位的持续时间根据API RP-2FB,par.C.6.3.3计算：
t*=0.084+13,000/P
其中t*=以秒计的正相位的持续时间
P*=以帕斯卡计的额定超压(1bar=100,000帕斯卡)
P=0.25bar=25,000帕斯卡
因此，t*=0.604秒，约600毫秒。这对于典型的爆炸情况而言是非常长的事件，因此持续时间估值认为过于保守。
根据API RP-2FB par.C.6.3.3，负载函数假定为对称的三角形(在t*/2=300毫秒时的中心峰值)。
结构响应
通过单自由度(SDOF)系统、诸如图2所示的等效阻尼系统的组件测定在预定爆炸负载下的结构组件的动态响应。通过使用计算机程序的有限差分法来求解在离散时间步骤下的等效系统的移动方程，从而获得SDOF模型的位移历史。
计算的挠度用于测定支撑旋转和延性比，这表示在爆炸设计中最常用的变形极限标准(或破坏水平)。支撑旋转式在部件原始形状与在最大挠度和支撑物间的直线段之间的角度。延性比表示基于组件的最大弹性挠度的最大挠度。因此，大于1的延性比表示已经遭受了永久变形。
铝响应极限
如上所述，最普遍认可的爆破负载结构的设计和分析的指南、例如ASCEii和API RP-2FP不包括结构铝的响应极限。因此，工程评价采用了基于用韧性钢类比的反应极限。实例如下所给定：
A36钢性质：
屈服拉伸强度=36Ksi(248MPa)
极限拉伸强度=58ksi(400MPa)
极限伸长率=15%
弹性模量=29,000ksi(199,947MPa)
屈服应变=36/29,000=0.124%
平均响应延性极限(ASCE)=10
中间反应极限的应变=10×0.124%=1.24%
中间反应极限/极限伸长率下的应变比=0.083
对铝使用相同比
平均槽厚度的极限伸长率(插值法)=9.1%
中间反应极限的应变=.083×9.1%=.75%
屈服应变=35/10,000-0.35%
中间响应延性极限=0.75/0.35=2.15，约为2。
使用类似的标准，在表1中示出不同破坏水平和铝组件的延性响应极限：
表1.6061-T6铝建议性延性反应极限
组件 低响应* 中度响应* 高响应*
龙骨架 1 2 4
壁板 1 2 4
*由如下ASCE1形成组件反应极限：
低：组件没有或具有轻度可见的永久损坏。
中度：组件具有一些永久挠度。若需要，其通常是可修理的，尽管替换可以更划算和美观。
高：组件没有失效，但其具有显著的持久挠度，导致其不可修复。
在内壁组件上的二次压力
当外壁板和龙骨与施加的压力作用时，其弯曲。以SDOF模型输出的形式提供挠度对时间的函数。该挠度压缩在外层和内层之间的空气，导致对内壁组件的二次压力。该压力是壁层之间的气隙的函数：间隔越宽，压力越小。
外壁板
假定两端固定的跨度24"(61cm)的3/16"(0.48cm)厚的壁板(壁板接头假定完全焊接，并且端跨度应稍微降低[工程评价建议20英寸(51cm)]以补偿壁角处的固定性的缺失)具有2.7度的预定峰端旋转，峰延性0.41，并且在300毫秒下的最大挠度为0.57英寸(1.4cm)。基于假设的响应极限，这为低响应(可接受的)。
外部龙骨架
假定由LQT所指两端固定的跨度9英尺(2.7m)的C6×3.42龙骨架具有1.4度的预定峰端旋转，峰延性0.41，并且在300毫秒下最大挠度为1.33英寸(3.4cm)。基于假设的响应极限，这认为是低响应(可接受的)。
因为板和龙骨挠度峰在约300毫秒，能直接将它们相加以获得二次压力计算所用的峰挠度(0.57+1.33=1.90英寸(4.8cm)300msec)。两个外部组件的响应为弹性的(延性<1)。用我们的盾压力预测工具获得的峰二次压力在300毫秒为3.6psi(25kPa)。
内壁板
假定两端固定(与外部相同)的跨度24"(61cm)的1/8"(0.32cm)厚的壁具有的预测峰延性超过所建议的高响应极限(不可接受)。
内龙骨架(stud channel)
假定如申请人所指的两端固定的跨度9英尺(2.7m)的C3×1.42龙骨架具有的峰端旋转和峰延性完全超过中度响应极限(不可接受的)。
注意到，不能假定在龙骨架上的复合作用，因为板的变形过高以至于不能假定为垂直挠曲的协作。
内壁板
假定两端固定(与外部相同)的跨度12"(30cm)的1/8"厚的壁具有1.1度的预测峰延性和0.23的峰延性。这被认为是低响应(可接受的)。
内龙骨架
假定如申请人所指的两端固定的跨度9英尺(2.7m)的C3×1.42龙骨架具有2.7度的峰端旋转和1.48的峰延性。这是非承载部件的中度响应(LQT已经确认不应在内壁上承载屋顶负载)。不考虑复合作用的情况下(这对于预定的低板响应是合理的)，该响应水平被认为是可接受的。
概要
工程评价的结果表明，如最初描述的(在前所述的间隔24"(61cm)的内龙骨)，对于超过600毫秒的超过0.25bar的施加压力而言，所建议的铝壁系统的响应被测定为不可接受的，归因于内板和龙骨架的过度变形。
通过如前所述将内龙骨间隔降低至12"(30cm)，系统的反应整体上被认为是可接受的。
在不存在结构铝的公开的响应值或测试数据的情况下，工程评价使用工程判断来评价合理的反应极限。应理解的是，这些极限不基于任何特定的防爆设计准则(例如API RP2-FP或ASCE)。
基于大部分组件的最低结构要求，工程评价调查结果为基本设计能精细调节以适用于更高的设计负载，或一些结构组件能调整大小以用于最大的成本经济性，保持目前负载等级。此外，典型的壁截面的测试可以有助于更好地理解材料响应并测定更精确的相应极限。
下面是适于本发明中使用的零件和材料的列表：
零件列表
Figure BDA00003003889500191
Figure BDA00003003889500201
除非另外指出，本文公开的所有测量为标准温度和压力下，在地球海平面上。除非另外指出，在人类中使用或意图使用的所有材料均为生物相容性的。
仅通过实例来表明前述实施方案，本发明的范围仅由下列权利要求所限定。

Claims (16)

1.居住单元，包括：
a.内部结构，其由诸如铝的轻质金属构造，用于容纳人员；
b.外部结构，其由诸如铝的轻质金属构造，用于包围全部所述内部结构；
c.在所述内结构的壁和所述外部结构的壁之间提供的空间，以便在所述两个结构之间不存在接触；
d.隔离物材料，其包封所述内部结构并占据在所述两个结构之间的一些所述空间；
e.在所述结构之间的所述隔离物和空间，其形成降低或消除发生在所述外部结构之外并向所述内部结构传递的、来自火的热或来自爆炸力的传递的机构。
2.如权利要求1所述的单元，其中所述隔离物包括2”(5cm)厚的海洋用阻燃毯，其为具有至少A-60防火等级的硅酸钙镁纤维隔离物。
3.如权利要求1所述的单元，其中所述单元尺寸优选为12’×20’”×10’-6”(3.7m×6.0m×3.2m)至16’×70’”×10’-6”(4.9m×21m×3.2m)。
4.如权利要求1所述的单元，其中将所述壁为不连续构建的，并使所述耐火绝缘毯成为潜在火灾的首要屏障。
5.如权利要求1所述的单元，其中所述由铝构建的壁在含盐海洋环境中几乎不与钢被侵蚀(氧化)得同样快。
6.构建居住单元的方法，包括下列步骤：
a.构建诸如铝的轻质金属的内部结构，用于容纳人员；
b.构建由诸如铝的轻质金属构建的外部结构，其尺寸比所述内部结构更大；
c.用抵挡热和爆炸力的隔离物材料包封所述内部结构的壁；
d.将所述外部结构放置在所述内部结构上，以便在所述内部结构的隔离壁和所述外部结构的壁之间形成间隔，并且在所述两个结构之间没有直接接触；
e.使所述外部结构的壁受到来自所述外部结构之外的火的热量的冲击，以便在所述结构之间的所述间隔和隔离物形成使来自所述火的热量向所述内部结构的传递降低或消除的机构；或
f.使所述外部结构的壁受到来自所述外部结构之外的爆炸力的冲击，以便在所述结构之间的所述间隔和隔离物形成使所述爆炸力向所述内部结构的传递降低或消除的机构。
7.如权利要求6所述的方法，包括使所述隔离物被所述火熔化并在所述内部结构的外壁上形成塑性防火涂层的其它步骤。
8.如权利要求6所述的方法，还包括当所述爆炸力冲击所述外部结构的壁并使其向内向所述内部结构的壁移动时，将所述结构壁之间的所述间隔内的空气从所述间隔排出的步骤。
9.如权利要求6所述的方法，其中使所述两个结构的壁之间没有接触的所述步骤降低或消除了热直接从所述外部结构向所述内部结构传递的可能性。
10.如权利要求6所述的方法，其中所构建的所述单元包括与所述外部结构分离的所述内部结构，由此形成在建筑内部的建筑。
11.如权利要求6所述的方法，其中所述轻质铝的外壁保护所述阻燃墙毯隔离物材料免受外部环境冲击，并为所述建筑提供了更大的结构安全性。
12.如权利要求6所述的方法，其中所述双壁系统提供了更多的空气空间以增加隔离益处，从而更有效地加热和冷却所述建筑。
13.居住单元，包括：
a.内部结构，其基本由轻质铝构造，用于容纳人员；
b.外部结构，其由轻质铝构造，具有比所述内部结构尺寸更大的尺寸；
c.当所述外部结构放置在所述内部结构上时，在所述内部结构的壁和所述外部结构的壁之间形成的间隔，在所述两个结构之间没有直接接触；
d.隔离物材料，其具有至少A-60防火等级并包封所述内部结构并且占据所述的两个结构之间的一些间隔；
e.在所述结构之间的所述隔离和间隔，其形成使发生在所述外部结构之外的来自火的热量向所述内部结构的传递降低或消除的机构。
14.居住单元，包括：
a.内部结构，其基本由轻质铝构造，用于容纳人员；
b.外部结构，其由轻质铝构造，并具有比所述内部结构尺寸更大的尺寸；
c.当所述外部结构放置在所述内部结构上时，在所述内部结构的壁和所述外部结构的壁之间形成的间隔，在所述两个结构之间没有直接接触；
d.隔离物材料，其具有至少A-60防火等级并包封所述内部结构并且占据所述的两个结构之间的一些间隔；
e.在所述结构之间的隔离物和间隔，其形成使发生在所述外部结构之外的爆炸对所述内部结构破坏的力降低或消除的机构。
15.制备在外部结构之内的内部结构以便发生在所述外部结构之外的诸如火或爆炸的事件不危害在所述内部结构中的居住者的方法，所述方法包括以下步骤：
a.制造轻质金属单体外壳形式的所述内部结构；
b.用至少A-60防火等级的隔离物材料包封所述内部结构；
c.制造同样为轻质金属的比所述内部结构更大的外部结构；
d.将所述外部结构放置在所述内部结构上，以便形成在所述内部结构和所述外部结构之间的间隔，并且在所述两个结构之间没有直接接触；以及
e.在所述外部结构之外发生火或爆炸时，使所述隔离物和间隔空间用作在冲击所述内部结构并危害其中的居住者的热或力之间的屏障。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述内部结构完全隔离并由所述外部结构覆盖，由此保护所述内部结构的结构完整性并为可以被堆叠并由下面单元支撑的上部单元提供稳定的支撑。
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