CN114275110A - 一种水母冰山式的海中建筑结构 - Google Patents

Abstract

一种水母冰山式的海中建筑结构，是一个小部顶端在海面之上的、主要大部在海面之下水中的、力学结构T形直角坐标系水平对称的、形体结构由多个不同直径的同心圆圆筒体和圆锥体相叠而成的竖筒橄榄形的建筑结构，主要由T的一横、I竖及I竖的下端根部重心三部分构成：T形结构的上部一横仿造水母的水泡伞冠，是一个提供上部浮力的半球形浮体结构，是整体建筑结构中的比重密度最小的地方；T形结构下部的I竖仿造海中冰山，是一个整体比重密度与水相仿的圆筒形内部空间；T形结构下部I竖的下端倒锥形体仿造不倒翁的底部重心，是整体建筑结构中的比重密度最大的地方。

Description

一种水母冰山式的海中建筑结构

技术领域

本发明涉及建筑结构技术领域，一种水母冰山式的海中建筑结构。传统的建筑结构，陆地楼房坐落在坚实的地面基础上，其整体结构的重力有无数条垂直线与地面基础成直角，垂直面并无明显的唯一的重心。船舶以排水量的方式坐落在水面上，其整体结构的重力有无数条垂直线与接触水面成直角，垂直面并无明显的唯一的重心。以上两种普遍建筑的结构都建在基础的垂直面之上。在表面之上，在空气之中，是人类有史以来的建筑结构。″一种水母冰山式的海中建筑结构″是在表面之下，在海水之中的建筑结构。

背景技术

本发明创造的背景技术是仿生物、仿自然物形体或制造物形体结构的技术。

水母是一种海中伞状浮游生物。它体内基本是水分，其整个身体的比重密度与水持平。它长有长度为身体主体十几倍的丝状触手，它利用体内能够产生充满并排出一氧化碳的方法进行上升下沉运动，利用收缩扩张身体吸水和喷水的方法进行水中平面运动。水母这些生物特征可以被仿照结合用于建造海中建筑结构。

冰山是从极地崩脱落海中的浮冰，其特点是，它的比重密度稍低于水，它的巨大的体量隐藏在水中，水面只露出尖顶，缓慢地在海中悬浮做不自主的运动。可以仿照结合冰山的特征，用于建造海中建筑结构。

不倒翁是一种中国古老的玩具，由于其重心垂直落在中心底部，重心以上是轻而空的材质，整个不倒翁的结构总是能够与地面保持直角平衡的状态。不管外力如何干扰，不倒翁总是能够回到直立平衡位置。可以仿照结合不倒翁的力学特点，用于建造海中建筑结构。

浮标是一种水上航行指示标识，是以水中半沉浮的、下设固定锚链连接的浮筒为基座，浮筒上设航标灯或航行信号指示仪器的海上设备。航标的浮筒是内空的，提供浮力功能。浮力是一般性的海上自然力。

海上漂浮风力发电机是相对于陆地风力发电机地面固定基座的一种漂浮基座设计技术，其漂浮基座实际上就是相当于水面浮标的浮筒，下面以锚链固定，风力发电机的重力坐落在在浮筒基座之上。浮标和漂浮风力发电机的基座都是使用传统成熟的浮筒和锚链技术。传统的浮筒和锚链固定技术也是″一种水母冰山式的海中建筑结构″的背景技术。

发明内容

一种水母冰山式的海中建筑结构，是一个在海面之上和海面之下水中的、力学结构T形直角坐标系水平对称的、形体结构由多个不同直径的同心圆圆筒体和圆锥体相叠而成的竖筒橄榄形的建筑结构，主要由T的一横、I竖及I竖的下端根部重心三部分构成：T形结构的上部一横仿造水母的水泡伞冠，是一个提供上部浮力的半球形浮体结构，是整体建筑结构中的比重密度最小的地方；T形结构下部的I竖仿造海中冰山，是一个整体比重密度与水相仿的圆筒形内部空间；T形结构下部I竖的下端倒锥形体仿造不倒翁的底部重心，是整体建筑结构中的比重密度最大的地方。″一种水母冰山式的海中建筑结构″符合阿基米德原理(该海中建筑的建造方法另行申请发明专利)。其具体内容如下：

T形结构的上部一横仿造水母的水泡伞冠，是一个提供上部浮力的浮体结构。该浮体结构由上下两部分组成：上部是一个半球形泡伞冠状结构，从力学结构上考虑，是冰山的顶部，是比重最轻密度最小的地方，设有从水面进出″一种水母冰山式的海中建筑结构″的门户，传统的楼房从下面一层进出，该发明海中建筑结构从顶层进出。该泡伞冠状半球结构是可以抽气躺平或充气鼓胀的，有巨大风浪到来之前可以折叠躺平水面，以躲避风浪冲击。下部是一个扁圆柱形的浮筒，该扁圆柱形浮筒体是可控分层分区可折叠的，通过抽气充气的办法缩小和扩张，以获得浮力大小不同的浮体空间，用以调节整个″一种水母冰山式的海中建筑结构″的浮力大小所需。T形结构的浮体两部分：上部一横类似于水母的水泡伞冠和下部的扁圆柱形的浮筒之间是密封防水的，之间的通道或电梯交通用两重密封门区间连接。

T形结构下部的I竖体仿造海中冰山，是一个整体比重密度与水相仿的圆筒形内部空间，使I竖体能够浮在水中，是″一种水母冰山式的海中建筑结构″的主体，可被分隔成重力对称的各种用途功能性区域。I竖圆筒体永久位处在深水区，要用防水渗透、防腐蚀、抗压的材料制造，例如水泥，造价较低而比重高，还有有机玻璃材料，要视造价和材料比重需要而采用。I竖体呈圆筒形，是为了减轻海中水流直接冲击的力量。I竖体圆筒可以是双层结构，可增强抗撞击后防漏水能力。I竖体圆筒圆周外的每九十度设一列可调节转向的螺旋桨，可按照水流力量感应和卫星定位方向随时启动，以调节整个海中建筑结构的海域位置。I竖体圆筒圆周上设一个或多个潜水航行器进出的港口，港口是收放潜水航行器的双层密封开闭的进水排水间。由于″一种水母冰山式的海中建筑结构″需要锚链辅助固定，在I竖体圆筒下沿的圆周每九十度设锚链收放舱。

T形结构下部I的竖下端倒锥形体仿造不倒翁的底部重心，是整体建筑结构中的比重密度最大的地方，整体结构中重量大的设备和部件如储电、变电、输电设备，海水淡化工厂、空气净化循环工厂、内部上下交通的电梯电机、整体建筑结构的污水处理和废物可回收处理工厂，都处在底部重心区域。总的原则是，在整体建筑结构中，重量越大的物质放置位置越低，越靠近中心重心。越轻的物质越往上，分层次放置。

举例说明″一种水母冰山式的海中建筑结构″的公制比例：假设T形结构的上部一横的半球形泡伞冠状结构的直径100m，伞冠状结构下部的一个扁圆柱形浮筒直径150m，高度10m；T形结构的上部一横以下的I竖圆筒结构的直径100m，高180m；T形结构下部I竖的下端倒锥形体直径100m，高度20m。总的来说，″一种水母冰山式的海中建筑结构″的T形宽高比例应为1∶≤1.5。

″一种水母冰山式的海中建筑结构″的力学结构关系原则：

一、T形重力结构水平对称原则。一般的船舶建造都遵守整体重力垂直分割左右对称的原则，但不是T形水平对称。但有些船舶的上层建筑占很大重量，如航空母舰的舰岛偏一边，另一边的下层建筑或承载就要加重对称。T形重力水平对称原则强调T的水平一横必须要由I竖垂直对等分割，这是保持T的一横在海面做平衡水平运动的关键；

二、T形重力结构的等腰倒三角形稳定性原则。尽管″一种水母冰山式的海中建筑结构″的形状结构是一个橄榄圆筒形，它的重力结构是一个等腰倒三角形，它的重心落在等腰倒三角形的最下端。即使在海面有风浪的时候，风波推动T形一横的一端，假如这一端与等腰倒三角形最下端的重心连线是一根力臂，也难以撬动重心，因为重心悬浮在海中，力臂没有一个支点去撬动重心。假如风波力通过重心传导至T形一横的另一端，会遇到相同的反作用力。加之，在200m水深处的水运动是非常稳定的，重心在地心吸引力作用下基本保持与T的一横的垂直状态。所以，″一种水母冰山式的海中建筑结构″在海中的姿态是很稳定的，即使有大风浪也能保持基本稳定。

三、重力G与浮力F相对平衡的原则。传统的建筑，无论是陆地楼房还是船舶，都是重力由上而下地垂直作用于坚实的陆地基础或水平面的，重力与地面或水平面的反作用力达到平衡，所以楼房能够站稳，船舶不致于下沉翻覆。″一种水母冰山式的海中建筑结构″的I竖重心在最下端，重力G朝下向地心的运动并不因为坚实地面或者船底的浮托反作用力而停止。T形的一横产生浮力F向上运动，和重心的重力G形成上下牵挂拉扯的相互作用力。所以，重力G和浮力F的力量要基本相等，维持相对的平衡。T形一横的下部是分隔分区的、可自动控制的、可抽气充气缩小扩张的、可折叠的扁圆筒浮体，可以调节浮力大小。在强台风时候，可以放弃部分浮力，使整个建筑物下沉至水线以下，以躲避风浪力量。在设计建造的时候和在整个海中建筑存在的任何时间里，必须要维持重力G与浮力F的基本平衡。

以上关于″一种水母冰山式的海中建筑结构″的三个力学结构关系原则，共同的功能是维持其结构内部的力学运动平衡。整个建筑结构完成之后，有人员和物料进出带来微小力量变化，不会影响大平衡。

然而，由于海底地震、火山爆发引发的灾难性海啸海况还是可能发生的。因此，″一种水母冰山式的海中建筑结构″的建设选址应该避开海洋地震和火山地带。另外，虽然有水母触手一样的锚链辅助固定，大海有洋流的力量，可能会使″一种水母冰山式的海中建筑结构″的位置发生漂移，需要通过卫星定位功能和本身的螺旋桨动力功能修正位置。

大海水体的浮力是从千面万方均匀地作用于水中物体之上的。空气流体和水流体的运动方式有不同。空气流体——风有难以预测的方向和力量，台风强风的力量作用于建筑物，使高楼晃动，甚至能够摧毁房屋。所以，陆地建筑是必须考虑并计算风力因素的。风作用于海洋表面，能够掀起十米高巨浪。但仅此而已。由于水的密度是空气的近百倍，水的反作用力大大减弱风的力量。水面有风浪，水下就变成湍流、紊流，50m水深以下，风传导的力量基本消失。在深海处，水流体有因热力温度或盐份变化而产生的层流，有因热力温度和引力而存在的大洋流，层流和洋流是有规律的存在，其力量犹如引力般的巨大，对局部海域和具体物体，又是非常微弱，对处于深海中的″一种水母冰山式的海中建筑结构″不会产生冲击力的影响。反而，安静稳定水体的浮力会衬托″一种水母冰山式的海中建筑结构″，不会有高楼在风中晃动的担忧。

″一种水母冰山式的海中建筑结构″内部安装有N部电梯，便于上下人员交通。

″一种水母冰山式的海中建筑结构″必须维持防漏水的密封性和空气循环的通气性。空气循环的风口可设在T形浮体上面。

″一种水母冰山式的海中建筑结构″设计安装有海上风力发电机。例如，半球形泡伞冠状结构的直径100m，扁圆筒浮体的直径150m。在25m宽的外圆圈上，可以安装N部风力发电机。

附图说明：

附图1：一种水母冰山式的海中建筑结构的力学关系结构图正视图

A/B/C，半球形顶冠，是海中建筑结构的大堂，比重密度等于空气；

D/E/F/F′，扁圆筒形浮体，比重密度等于空气。分区分隔，可抽气充气调节浮力；

F/G/F′，力学关系结构倒等腰三角形，两条等腰虚线代表力臂，G是重力重心，F/F′是海面浮力；

J/H/I/K，中部圆筒形主体，是海中建筑结构的多功能区域，其平均比重密度与水相仿；

H/G/I，下端部比重密度最高区域，整个海中建筑结构的重心所在；

附图2：一种水母冰山式的海中建筑结构的全景效果图正视图

1、2，半球形顶冠大堂；

3，海中建筑结构的海面进出门口；

4、5、6、7、8、9、10、11，可分区分隔的可抽气充气调整浮力的扁圆筒形浮体；

12、13，海中建筑结构的中部圆筒形主体，是功能性区域；

14、15、16，上下交通的电梯；

17、18，海中建筑结构的潜水航行器港口；

19、20，两纵列可调节方向的电机螺旋桨，给海中建筑结构提供移动的动力；

21、22，锚链舱；

23、24，辅助海底固定的锚链；

25，底部重心；

26，重心以上的的比重密度大的区域，由此往上，比重密度由大趋小；

27、28，浮体平台上安装的风力发电机；

29、30，海中建筑结构的空气循环通风口；

31，海底。

附图3：一种水母冰山式的海中建筑结构俯视图

1，海中建筑结构的同心圆圆心；

2，同心圆的内圆，是海中建筑结构的主体；

3，同心圆外圆，是可调控浮力的浮体。浮体平台上安装风力发电机；

4，从海面进出海中建筑结构的门口；

5-12，海上风力发电机；

13-20，空气循环通风口；

本发明具体实施方案：

应用本发明建造″一种水母冰山式的海中建筑结构″，可以开发海洋国土，扩大人类的居住空间。以海上风电为例，目前的大部分海上风场都在浅海区按照传统建筑的重力坐落理论建筑。已有的漂浮风机的水下部分应用传统的浮筒技术，单体的、晃动倾斜度的漂浮风力发电机难以做成大功率。″一种水母冰山式的海中建筑结构″可以做成装机容量大而集中N个风机(数量视平台面积而定)的海上风力发电站平台，无需广大的海域面积，无需在海床上铺设大量电力收集传送的线路，所有的海上发电、变电、储电、输电，都可以在这样的海上风力发电平台上总装，只需要一根传输电缆上至大电网。海上风力发电站将另行申请发明专利。中国漫长的海岸线大陆架外的深海区域、200海里的特别经济管理区、南海岛礁外的深海，都可以建造″一种水母冰山式的海中建筑结构″，作为海上发电平台和居住国土。由于是集中的平台，而且有居住功能，这样的海上风力平台发电，将大大地降低风力发电的成本，将会成为成本最低的、开发潜力无穷的一种可再生性能源。

″一种水母冰山式的海中建筑结构″的建造方法将另行申请发明专利。建筑的零构件可以在陆地上制造，运到海上浮体平台上组装安装。

Claims (7)

1.一种水母冰山式的海中建筑结构，是一种小部顶冠在海面之上，绝大部分本体结构在海面之下、海水之中的建筑。该海中建筑结构的形状类似于英文字母T。由相互密封而又通气的、从上而下交通的、比重密度从轻到重的三个部分，不同直径的圆锥体和圆筒体相叠构成。顶冠部分的密度与空气相等，分成上冠部和下扁圆筒浮体部类似于T的上一横；T下部的I竖仿造海中冰山，是一个整体平均比重密度与水相仿的圆筒形内部空间；T下部的I竖下端倒锥形体仿造不倒翁的底部重心，是整体建筑结构中的比重密度最大的地方；该海中建筑结构的力学关系要遵循三个力学构成原则。其一是T形重力结构水平垂直对称原则；其二是T形重力结构的等边倒三角形稳定性原则；其三是重力G与浮力F相对平衡的原则。

2.根据权利要求1所述，顶冠部分分成上冠部和下扁圆筒浮体部类似于T的上一横，其技术特征是：顶冠部分的比重密度等于空气。上冠部半球形，设有从海平面进出该海中建筑结构的门口。上冠部的功能是该建筑的大堂。半球形上冠部可以根据避免自然风暴的需要抽气躺平和鼓气复原。下扁圆筒浮体部的直径大于上冠部，是分层分区的、可空折叠的，可以通过抽气充气的办法缩小和扩张，以获得浮力大小不同的浮体空间，用以调节整个“一种水母冰山式的海中建筑结构”的浮力大小所需。在下扁圆筒浮体部的平台上，可安装N部风力发电机提供该海中建筑结构的电力所需。整个海中建筑结构内部空气循环的通气口也布置在这个浮体平台上。

3.根据权利要求1所述，T下部的I竖仿造海中冰山，是一个整体平均比重密度与水相仿的圆筒形内部空间，其技术特征是：其直径与上冠部相同。作为整个海中建筑结构的主体，可以分隔成不同功能的区域。设有N部上下交通的电梯。其上沿设有潜水航行器进出的水中港口。其下沿设有锚链舱用作辅助固定海中建筑结构。其外圆周上每九十度角安装有一列可调转方向的电机螺旋桨，用作推动该海中建筑结构的动力。

4.根据权利要求1所述，T下部的I竖下端倒锥形体仿造不倒翁的底部重心，是整体建筑结构中的比重密度最大的地方，其技术特征是：整体结构中重量大的设备和部件如储电、变电、输电设备，海水淡化工厂、空气净化循环工厂、内部上下交通的电梯电机、整体建筑结构的污水处理和废物可回收处理工厂，都处在这个底部重心区域。总的原则是，在整体建筑结构中，重量越大的物质放置位置越低，越靠近中心重心。越轻的物质越往上，分层次放置。

5.根据权利要求1所述，该海中建筑结构的力学关系要遵循三个力学构成原则。其一是T形重力结构水平垂直对称原则，其技术特征是：T的水平一横必须要由I竖垂直对等分割，这是保持T的一横在海面维持平衡水平运动的关键。

6.根据权利要求1所述，该海中建筑结构的力学关系要遵循三个力学构成原则。其二是T形重力结构的等腰倒三角形稳定性原则，其技术特征是：等腰倒三角形的重心落在等腰倒三角形的最下端，悬在水中。两条等腰边是力臂，但没有支点，不能撬动悬浮的重心。倒等腰三角形的三边力量传递是相互作用的，中心不动，两等腰边不动，水平的一边也不动，就能够在风浪力量中保持平衡。T形的宽高比例应为1∶≤1.5，才能满足倒等腰三角形的条件。

7.根据权利要求1所述，该海中建筑结构的力学关系要遵循三个力学构成原则，其三是重力G与浮力F相对平衡的原则，其技术特征是：悬浮重心个重力G朝下向地心的运动不停止，T形的一横产生浮力F向上运动不停止，重力G与浮力F形成上下牵挂拉扯的相互作用力。所以，重力G和浮力F的力量要基本相等，维持相对的平衡。T形一横的下部是分隔分区的、可自动控制的、可抽气充气缩小扩张的、可折叠的扁圆筒浮体，可以调节浮力大小。在强台风时候，可以放弃部分浮力，使整个建筑物下沉至水线以下，以躲避风浪力量。在设计建造的时候和在整个海中建筑结构存在的任何时间里，必须要维持重力G与浮力F的基本平衡。

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