CN1179104C - 结构单元、结构框架和结构框架的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种由一系列支杆(12、14)按照特殊形式布置而构成的结构框架能使施加在框架上的应力转向从而使拉力极少发展并最大程度地使应力分解成为压力。该框架是由多个单元方块构成的，每一个单元方块具有十二个等长的支杆(12)排列成一个立方体的边和八个另外的等长支杆(14)分别从立方体的每一个角上伸出。八个向外伸出的支杆(14)中每一个都与它所连接的立方体三个边支杆(12)中的每一个形成相等的角度。这些向外伸出的支杆(14)的外端(14E)是这样连接在一起的，使四个这样的支杆外端(14E)连接成为一个组，许多这样的组连接成为这些单元方块(10)的网络，从而构成结构框架。

Description

结构单元、结构框架和 结构框架的制造方法

技术领域

本申请是1994年11月14日提出的序号为08/338,408、题为“应力调整结构”的专利申请的部分继续申请。

背景技术

本发明一般地涉及如同载荷支承框架和桁架那样的结构，更具体点说涉及那些能在可安全承载的应力和结构所需材料量之间作出更好权衡的结构。

提高强度对重量比是大多数设计追求的目标，这些设计中包括Richard Buckminster Fuller所提出和构造的许多设计。使用承载框架和桁架时，在大多数情况下，失败的发生是由于拉力方面的失败而不是由于压力方面。即使原来施加的载荷在材料内引起压应力，但该应力在材料内经过方向上的分解就会引出拉应力。例如一个承受载荷的拱顶会趋向下垂，以致在构成拱顶的桁架内引起拉应力，由于拉应力的失败而导致失败。人们曾用很多注意力来发展具有高抗拉强度的材料，以使用在载荷支承结构上，利用这些材料的抗拉强度，使施加的载荷至少有一部分可由这些拉力件内产生的拉应力来分解。这样一种方法曾在1967年授于Buckminster Fuller的美国专利3,354,591号中概要地说明过。该结构的一个较新的改进曾在1980年颁发的美国专利4,207,715号中描述过。这种拉力件和压力件结合的结构也曾在1987年颁发的美国专利4,711,062号中公开过。

发明内容

本发明为一由多个支杆组成的框架式结构。每一支杆理想上具有相等的长度，并被配置成为这样的形式，使施加在结构上的应力在结构中被分解时能产生最小的拉应力。这些成组的支杆可被分析成为多个互相连接的成组的结构单元(组件块)。这些在互连时构成本发明的框架的结构单元可用三种不同的方式去观察。即根据人们把构成本发明框架的成组支杆断开的地方，人们可以把结构单元归纳到三个截然不同的组内。其中两个组是真正的结构单元。另外一组是略带抽象的组，其中各个支杆承担着双重职责并被认为是所涉及的两个或多个具体亚框架的构成边。

第一组为二十个支杆的结构单元，申请人把它称为“单元方块(Unicube)”。这是一个由十二个支杆构成一个立方体的框架。从立方体八个角的每一个角上都有一个支杆向外伸出并与立方体的三个相邻边的支杆形成相同的角度。将多个这种单元方块从立方体八个角上伸出的支杆的外端连接起来，便可构成按照本发明原理的框架或桁架。

第二组是由两个结构单元组成的。它们是四轴(tetrax frames)和立方体框架。每一个四轴体框架为从一个四面体的中心向其四个角伸出的四个支杆。每一个立方体框架为构成立方体各边的十二个支杆。每一个四轴体支杆的外端与立方体框架的一个角连接，相应地，立方体框架的每一个角都与四轴体框架的一个支杆的外端连接。这样从立方体框架的八个角上将有八个四轴体框架向外伸出。相应地在四轴体框架的四个支杆的外端上将有四个立方体框架伸出，每一个立方体框架都以其角与四轴体的支杆连接。由于一个四轴体上有四个外端而一个立方体有八个角，这种配置需要有为立方体框架数两倍的四轴体框架。

第三组正确地说并不是一个结构单元，它是一个截头菱形十二面体(TRD)的边框架，在所引用的专利申请文件中有详细的揭露。由形成多个截头菱形十二面体的边支杆组成的结构可形成本发明的框架。但应知道，在多个TRD组装在一起时，每一个边将为三个这样的TRD所共有。而本发明的框架是这样的框架，它构成共有的支杆，三个相邻TRD的三个边只用一个支杆而不是用三个平行且重合的支杆来代表。

图1至6示出这三组结构单元。图1和2示出单元方块的两个视图。图3和4分别示出四轴体框架和立方体框架。图5和6示出TRD框架的两个视图。图5示出不透明的TRD，因此图上只画出可以看到的TRD的边。

附图说明

图1为单元方块的透视图，由于中心立方体是不透明的，因此只有可看到的支杆能被看到。

图2为实际的单元方块的透视图，图中示出中心立方体的所有十二个支杆和八个向外伸出的角支杆。

图3示出四支杆四轴体的两个视图，它在本文中也被称为四轴体框架。

图4为一立方体框架的透视图，这个立方体框架是单元方块的中心立方体。

图5为一不透明的截头菱形十二面体(TRD)的透视图，从而图中只画出一个不透明的TRD上能看到的边。

图6为一实际的TRD的透视图，图中示出其所有边。

图7为图1的单元方块在二维上的集合，图中示出相邻单元方块的向外伸出的支杆的连接基本上是在一个壳内，该壳相对于图8的平面为浅薄的。

申请人在这里采用了下列术语。这些术语是按照下列定义被用在说明书和权利要求书之内的。

单元方块(Unicube)

一个单元方块由二十个相等的支杆互相连接而组成。其中十二个支杆构成一个立方体的边，因此是一个立方体框架。八个支杆分别从立方体的八个角上向外伸出，其伸出方向为使每一个向外伸出的支杆与三个与它连接的支杆都形成一个相同的角度。形成立方体的十二个支杆被称为立方体支杆，而从立方体角上向外伸出的八个支杆被称为外伸支杆。单一的单元方块的每一个外伸支杆都有一个外端。图2所示即为一个单元方块。

立方体框架(Cubic Frame)

一个立方体框架由一组构成一个立方体十二个边的支杆组成。一个立方体框架构成本发明最佳结构的两个结构单元中的一个。另一个结构单元为在下面定义的四轴体。一个立方体框架在图4中示出。

四轴体(Tetrax)

四轴体为从四面体的中心点向其四角伸出的四个尺寸相同的轴。四轴体的任两个支杆或腿相互之间的角度都是109.47°。多个四轴体和多个立方体框架可组合起来，构成本发明的最佳结构框架。这个四轴体在本文中也被称为四轴体框架。图3所示即为一个四轴体。四轴体结构(Tetrax Structure)

四轴体结构是一个与四轴体近似的四支杆结构或结构单元。四个支杆都连接到一个共同点上。但这些支杆的长度不一定相等，而且任两个支杆相互之间的角度亦可略微偏离109.47°。一个四轴体结构可作为一个结构单元用在本发明的不是最佳的实施例中。四轴体结构可从四轴体框架偏差多少而仍可用在本发明的某些实施例中的偏差限度，将在下面的详细说明中作较详细的论述。

截头菱形十二面体(TRD)

这个术语被用在这样一个菱形十二面体上，其中各有四个边从顶点延伸下来的六个顶点(角顶)被截去。每一个菱形十二面体的六个各带四个边的顶点大约在边的中点被截去，并拿掉被截去的部分就可得到本文所定义的TRD。关于TRD的更详细的论述可参见序号为08/338,408的相关的专利申请。

具体实施方式

图1和2示出本发明的结构单元的一种形式，在本文中被称为单元方块10。如图1所示，有十二个支杆12构成一个立方体的边，有八个支杆14从立方体的八个角上向外伸出。每一个外伸支杆14都与构成支杆14从其伸出的那个角的三个立方体边支杆12中的每一个支杆形成相等的角度。支杆14和12的长度都相等。

为了使这个单元方块10的结构单元看得更清楚，图1示出的立方体是不透明的。由于结构本身由一系列支杆构成，所以图2是更为正确的表示法。在用图1的单元方块构造本发明的框架时，每一个支杆14的外端14E被连结到另外三个单元方块的一个外端14E上。图7被设计用来示出并建议出这种布置方法。在图7中只有三个而不是四个外端14E被示出为连接着的，为的是使图面可表现得更清楚。

多个图2的单元方块10用它们的支杆端14E互相连接起来，便可得出本发明的一个最佳的框架实施例。应该注意的是，每一个外端14E被连接到另外三个单元方块的另外三个外端14E上。这样任何一组四个连接起来的单元方块将只共用一个公共点。

图8和4示出本发明的结构单元的另一种形式。其中一个结构单元为图4所示的立方体框架16面另一个结构单元为图3所示的四轴体框架18。每一个立方体框架具有构成立方体边的十二个支杆12。每一个立方体框架16具有八个角。而每一个四轴体框架18由四个支杆14构成。这些支杆为一个四面体的各个角的轴。四个支杆具有相等的长度，它们都从一个共同相连的中心点14E向外伸出，并且其中任两个支杆都有一个109.47°的相互间角度。那就是说，在四个支杆中每次取两个，共有六个角度，每一个角度的值都是109.47°。如果这四个支杆的四个端点14C被认为是一个正四面体的四个顶点(角顶)，那么这四个支杆就是从四面体的中心延伸到其四个顶点的四条线。

每一个四轴体的端点14C被连接到立方体框架的一个角上，而每一个立方体框架的角被连接到一个四轴体的一个端点14C上。由于每一个四轴体有四个端点14C而每一个立体框架有八个角，因此在本发明的这个结构中，四轴体框架的数目应当是立方体框架的两倍。

在此优选的实施例中，四轴体框架为一真正的四轴体，其中每一个支杆的长度都相等并且具有109.47°的内角。所谓内角为四个支杆中任两个支杆之间的角度。

单元方块、立方体框架和四轴体之间的关系

在装配好的结构中，四轴体的每一个支杆14就是单元方块的一个外伸支杆。图7可帮助看清这个关系。这样同一标号“14”例被用于支杆。与此类似，单元方块的立方体支杆12就是在装配好的结构中的立方体框架16。这样单元方块的支杆14的端点14E就是四轴体支杆的中心点，而四轴体支杆的端点14C就是立方体框架16的角点。

与此类似，立方体框架16的中心点就是单元方块的立方体的中心点。

所有立方体框架16的中心点为一组具有这样相互关系的点，它们之中的每一点应与该组中心点中其他十二个邻近点保持相等的距离。这个关系很重要，因为该组中心点必须总是与成组支杆12、14间隔开，以防止力沿着一个通过那些中心点的支杆来传递。通过防止力通过成组的中心点传递，就可使力转向而将拉力的产生减至最小。

结构布置越接近较优的实施例，拉力的产生也就越少。但在支杆12、14的均一长度和四轴体18的中心角以及立方体16的直角等方面的少量偏差是允许的，此时仍能从本发明的改进中得到不少好处，该改进是使在结构的支杆中的拉力的产生极度地减少。因此术语四轴体结构在本文中被用来指以四轴体18为基础但具有不是理想的等长的支杆及/或不是理想的相等的内角那样的四支杆结构。这样四轴体结构就是一个以四轴体为基型的结构，该结构能在应力的转向方面作出显著的改进。

图7示出按照本发明的原理而构造的约为两个单元方块深的板块。这个支杆12、14的网格能被用来制造许多范围很广的建筑结构如墙壁桁架、地板桁架、拱顶和拱以及许多其他结构部件。比起用其他技术制出的可比结构，本发明的结构能够做得极轻，因为本发明是将载荷分解成为压缩载荷而不是成为拉伸载荷。这样本结构便可在高抗压强度对重量的比率与低得多的抗拉强度对重量的比率的对比下取得充分的利益。

可以注意到，支杆能用任何合适的材料制成，如同钢、铝、纤维增强塑料或普通塑料制成的支杆。支杆材料以及其长度和横截面尺寸将随所涉及的结构的具体设计要求而变。支杆可用任何一种已知的技术，如螺栓连接、焊接，互相连结在一起或铸造成为一个整体的立方体和四轴体的结构单元。

按照本发明构造成的结构框架的表面通常都被封闭起来并在某种意义上最好是光滑的。这样在界面上，支杆12或14将与不属于本发明框架结构部分的某些结构连接。

应力转向的假说

本发明的框架能将由载荷而产生的应力转向到这样一个程度，使拉力的产生减为最小并将这些应力分解成为压应力。

申请人认为要了解为什么这事会发生最好是从考察图5和6所示的TRD布置中取得认识。TRD为一封闭的结构，具有六个方形框架和十二个六角形框架。成对的方形框架和成对的六角形框架互相平行。所有边的长度都完全相等。形成本发明的一个理想实施例(即所有支杆都相同的真正的立方体框架和四轴体)的成组的支杆12，14也将构成多个TRD。这些TRD严格地说并不是结构单元，因为每一个支杆12和14都是三个TRD所共有的。

显然可认为这个截头菱形十二面体(TRD)的体积与TRD的内内接的正球体的体积非常接近相等。把许多独立的球体集合起来，它们将只能通过压缩来传力。当然，除非它们在端头被限制住，否则它们是会散开的。把本发明的框架看作是由许多互连的TRD构成可给出这样一种启示，框架之所以能使应力转向，正象框架是由许多独立的球体组成所会发生的情况那样。但是由于这些TRD都是互连的，所以它们不会散开。

人们还认为，不符合上述支杆模式的外加的增强支杆通常不会提供有用的效益，并且常会使效能从最佳状态多少降低。例如，沿着立方体框架16的表面加设的对角线支杆似乎能够增加刚度和强度。但申请人认为这种另加支杆的主要结果是，由本发明的支杆12、14产生理想的力转向功能下降，从而在某些支杆件中会增加拉力的产生。在最好的情况下，这种另加的支杆不仅不会在减少拉力方面作出改进，而且会增加另外的费用和重量。

另外，通过立方体框架16的中心或通过其所限定的点的另加的支杆等于是在挖本结构目标的墙脚，因为它将使力在分解时拉力趋向于得到发展而不是极度减小。

四轴体和立方体框架的支杆结构单元是这样连接的，即四轴体腿或支杆的每端点都和立方体支杆框架的一个角连接，而立方体支杆框架的每一角都和四轴体支杆的一个端点连接。

应注意的是，这个将立方体框架和四轴体结构单元组合起来的说明不能按字面照搬到构架的表面区域上。那就是说，构架必须在某些地方达到一个尽头。

Claims (6)

1.一种结构框架用的结构单元，它包括：

一个具有八个角和十二个刚性的承受压力的支杆的立方体框架，和

八个向外伸出的刚性的承受压力的支杆，每一个支杆都从所说八个角中一个分开的角向外伸出，每一个所说向外伸出的支杆都有一个外端。

2.按照权利要求1的结构单元，其特征为，每一个所说十二个支杆都具有相等的长度。

3.按照权利要求1的结构单元，其特征为，每一个所说向外伸出的支杆和与它连接的三个立方体支杆之间的角度都相等。

4.按照权利要求3的结构单元，其特征为，每一个所说十二个支杆都具有相等的长度。

5.一种承受载荷的结构框架，它包括：

多个如权利要求1所述的结构单元，每一个所说向外伸出的支杆的每一个外端被连接到另外三个结构单元上的一个相应的外伸支杆的外端。

6.制造一种承受载荷的结构框架的方法，它包括下列步骤：

选择一组具有合适强度并且尺寸基本相等的刚性的承受压力的支杆，

用所说支杆组制出一组单元方块，每一个单元方块具有十二个立方体支杆和八个从立方体支杆的八个角的每一个角上向外伸出的斜角支杆，每一个所说八个向外伸出的支杆都有一个外端，

装配所说单元方块组，办法是连接四个分开的单元方块的一个向外伸出的支杆的所说外端，使从每一个单元方块的每一个角上的向外伸出的支杆与另外三个相邻单元方块的三个向外伸出的支杆形成一个四轴体。

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