CN103201439B - 结构模块 - Google Patents

Abstract

一种互锁的结构模块具有相对的端，每个端均具有多个基本上平的支撑表面。平的表面包括与成钝角的表面结合的垂直的表面。模块被设置为与其他模块在几个不同组合中是互补的。

Description

结构模块

技术领域

本发明涉及具有互补形状的表面以限制相对运动的结构或建筑模块。

背景技术

在建筑中使用传统的砖和砂浆结构显示出了一些众所周知的缺陷。这些缺陷包括需要技术工人以获得平整、方正的目的；在结构建起应有速度上的缺陷，例如，砂浆固化速度的要求；以及由于砖和砂浆之间硬度的差异导致结构的压力负载承载能力的缺陷。

在最近几年预制混凝土板的使用已经变得越来越普遍，试图改善一些上述缺陷。这些预制混凝土板的使用有其自身的缺陷，包括在调整所述板到特定位置的困难，以及在板的移动和安装过程中对机械设备的需求。

在一些申请中，作为传统砖和砂浆结构的替代物，互锁的建筑模块已经被使用。在专利号为3888060的美国专利中所示的海娜砖的例子。海娜砖是在相邻砖块之间具有互锁的榫槽设计的突起物。可以得到的是一边具有突起物且在相对的一边具有相应的凹部的建筑模块。在专利号为41124961的美国专利中示出了哈贝格砖的例子。这种类型的砖具有互补的上、下表面，在下表面上的突起物位于在上表面上的凹陷部内。

互锁建筑模块的优点是在很大程度上它们是自我定位的，并且不需要砂浆，因此允许由非技术工人快速建造建筑物。

在块料铺路中的使用互锁模块也是公知的。传统的铺砌方法依赖于相邻铺砖之间的摩擦接触以防止铺砌路面在负载作用下的运动。这种有效性依赖于许多因素，包括铺设材料的形状、铺设模式以及连接砂和垫层砂的性能。这些因素很难量化，因而很难控制。

试图改善这些问题，互锁模块系统，例如在专利号为US6988847中所描述的，已经作为铺砌模块所使用。

上述所有的互锁模块系统被设计来适应特定的建筑目的。认为可取的是创造一种结构模块设计，其都能够用于建筑和铺路，以及其他应用。本发明旨在满足这一愿望。

本发明利用拓扑互锁的原理，其中相邻模块的表面具有互补的形状。这一原理的例子可以在专利号为GB1533980的专利中发现，其中提出了具有遵循正弦曲线的侧面的建筑模块。

这个设计重要的缺陷是，除非相邻模块完全对齐的，明显的应力集中发生在所产生的点或线加载点。这个设计还需要制造时高精度。

鉴于现有技术中的困难，本发明提出了可供选择的结构模块设计。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种具有第一端和第二端的结构模块；每个第一端和第二端都具有多个基本上平的支撑表面，至少两个支撑表面是成钝角相对设置的，其中第一模块的第一端的连接部分在形状上与第二模块的第二端的连接部分是互补的，并且模块的第一端包括至少一个最远离第二端的最外侧的支撑表面和至少一个最靠近第二端的最内侧的支撑表面，最外侧的和最内侧的支撑表面是邻近第一端的外周。

优选地，模块的长度是宽度的二倍，且当第一模块相对于第二模块偏移模块长度的一半时，连接部分可以相互连接。可以理解为，在这种设置中连接部分基本上是正方形，并且模块的每一端具有两个并排的连接部分。

进一步优选地，每个连接部分是关于对角线对称的，这样第一模块可以垂直于第二模块设置，并且连接部分相互连接。

在本发明优选地实施例中，一些支撑表面是基本垂直于模块的侧壁的。当侧壁是垂直的时候，这些支撑表面是水平的，水平支撑表面可以位于两个高度，倾斜的支撑表面在不同高度的水平表面之间延伸。可以理解为，当侧壁是垂直的，并且第一端位于模块顶部的时候，最高的水平支撑表面是最外侧的支撑表面，最低的水平支撑表面是最内侧的支撑表面。

优选地，每个连接部分具有两个最高的水平支撑表面位于连接部分的斜对角处；两个最低的水平支撑表面位于连接部分的其他的角处。水平支撑表面可以均是正方形的，且边长大约等于模块宽度的四分之一。

优选地，每个连接部分具有一点，在该点处至少四个支撑表面相交。这个点可以位于中心，并且可以代表拐点。

相邻的连接部分优选地反映模块的中间，这样位于沿着模块端中间的支撑表面在两个连接部分之间基本上是连续的。

优选地，模块是关于位于第一端和第二端之间的中间的对称面对称的，并垂直于侧壁。

附图说明

通过本发明的结构模块涉及的优选实施例便于进一步地描述本发明。其他的实施例也是可能的，因此以下讨论的特殊性不应理解为取代本发明前面描述的通用性。在附图中：

图1是根据本发明所述的结构模块的透视图；

图2是图1的结构模块的俯视图；

图3是用图1的模块建造的建筑物的墙角的透视图；

图4是用图1的模块建造的柱形物的一部分的透视图；

图5（a）是用图1的模块做铺砌面的一部分的透视图；

图5（b）是用图1的模块做可供选择的铺砌面的透视图；

图6是根据本发明所述的可供选择的结构模块的透视图；

图7是根据本发明所述的进一步可供选择的结构模块的透视图；

图8是用图7的结构模块构成的双叶墙的一部分的透视图；

图9是用图7的结构模块构成的空心墙的一部分的透视图；

图10是根据本发明类似的原理构成的结构模块的透视图。

具体实施方式

参照附图，如图1所示，结构模块10具有第一端12、第二端14、两个第一侧壁16和两个第二侧壁18。当模块10保持在图1中的位置时，第一和第二侧壁16、18都是垂直的，平的表面。

第一侧壁16是第二侧壁18宽度的两倍，这意味着，如果水平横截面通过模块10的中心，结果将是长度是宽度的两倍的矩形。

第一端12有多个支撑表面，包括水平的支撑表面和将在下面更详细的描述的倾斜的支撑表面。倾斜的支撑表面均相对于水平的支撑表面成钝角。在某些情况下倾斜的支撑表面之间也会相对于彼此成钝角。

为了描述的目的，第一端12可以被分成两个连接部分20，通过绘制一条平行于第二侧壁18的假想的分界线22，并从中间通过第一侧壁16。当俯视时，每一个连接部分20都是正方形。

每个连接部分20都有四个水平的支撑表面：第一个高的水平支撑表面24位于第一端12的外侧角处；第二个高的水平支撑表面26，其位于连接部分20斜对角处，其沿着分界线22，并与第一个高的水平支撑表面24位于相同的高度；第一个低的水平支撑表面28位于第一端12的其他的外侧角；以及第二个低的水平支撑表面30位于第一个低的水平支撑表面28的斜对角处，并与第一个低的水平支撑表面28位于相同的高度。四个水平支撑表面的每一个都是正方形，并且边长等于模块10宽度的四分之一。

高的水平支撑表面24、26可以被描述为第一端12的最外侧的支撑表面。低的水平支撑表面28、30可以被描述为第一端12的最内侧的支撑表面。每一个最外侧和最内侧的支撑表面都位于第一端12的边缘31。

每一个连接部分20都有四个平的倾斜支撑表面。当俯视时，如图2所示，这些表面中的每一个都是在连接部分20内被对角线所限定的四分之一范围内。

第一个倾斜表面32位于由第一个高的水平支撑表面24和第二个低的水平支撑表面30所限定的四分之一范围内。第一个高的水平支撑表面24和第一个倾斜支撑表面32之间的夹角α是水平支撑表面之间高度差Δh的函数，tan(180°–α)=Δh/(w/2)，其中w是模块10的宽度。

第二个倾斜表面34位于由第一个高的水平支撑表面24和第一个低的水平支撑表面28所限定的四分之一范围内。第三个倾斜表面36位于由第二个高的水平支撑表面26和第一个低的水平支撑表面28所限定的四分之一范围内。第四个倾斜表面38位于由第二个高的水平支撑表面26和第二个低的水平支撑表面30所限定的四分之一范围内。

相邻的倾斜支撑表面沿高的水平支撑表面24、26之间的对角线形成峰线33，且沿低的水平支撑表面28、30之间的对角线形成谷线35。连接部分20的中心37是拐点。

两个连接部分20的支撑表面是以分界线22镜像设置的。两个连接部分20各自的第二个高的水平支撑表面26是相连续的，各自的第二个低的水平支撑表面30和各自的第四个倾斜表面38也是同样相连续的。

第二端14的形成与第一端12相同，这样如果模块10被颠倒，它也会是同样的。在第二端14上高的和低的支撑表面的设置是这样的以使得模块10的第一侧壁16均是关于两条对称线：垂直线（与分界线22对齐）和对称水平线对称的。也就是说，如果模块的平均高度是h，在高的水平支撑表面24、26之下的模块的高度的是h+Δh，而在的低的水平支撑表面28、30之下的模块的高度是h–Δh。

因此，模块10的第一端12与模块10的第二端14在形状上不是互补的。另一方面，模块10的第一端12的每个连接部分20与模块10的第二端14的连接部分的另一个在形状上是互补的。也就是说，当偏移模块10长度的一半时，模块10的第一端12与第二端14是互补的。

显然模块10是关于水平对称平面对称的。

在结构中这种设置的效用在图3中可以看到，其显示出用结构模块10建造的建筑物40的墙角。可以看到模块10通过使每个单个模块10偏移其一半长度的连续的过程，产生完全互锁结构。

此外，可以看出，每个啮合部分都是关于它的每条对角线对称的，当相对旋转90°时，第一端12和第二端14各自的连接部分20是互补的。因此，图3中所示的墙角不需要其他类型的模块。

其他有用的设置是显而易见的。图4显示了完全由互锁模块10建造的柱形物42。图5（a）和图5(b)显示了两个用互锁模块10铺砌路面的可能设置。

可以理解的是，当正确构建时每一个支撑表面将接触另一个模块的支撑表面，使负荷跨越分布在模块的端部。在相邻模块没有正确对齐的位置，不是所有的支撑表面都将在一个可以转移负荷位置的。然而，由于使用平的表面，不管怎样，至少一对表面是相互接触的，并能够在整个接触表面区域分布负荷。相比之下，对于弯曲的拓扑表面，未对准一般会导致集中负荷。

本发明的其他实施例提供进一步的优点。图6显示了可供选择的结构模块50，为了有助于建造物，相邻的支撑表面之间的边缘被打磨呈圆形。

图7显示了进一步可供选择的结构模块60，具有沿着每个倾斜支撑表面中间延伸、其内可以容纳水平钢筋66的水平凹槽62，和通过每个连接部分20中心的垂直插槽64，穿过垂直插槽64可以容纳垂直钢筋68。这个样本允许用结构模块建造更加坚固的结构。例子包括如图8中的双叶墙70和如图9中的空心墙80。

图1-9所示的结构模块是更一般类型的模块的具体例子。这样的模块，其特征在于具有根据方程式限定的上表面：

和根据方程式限定的下表面：

其中，h是在它的中线之上的模块的平均高度；Δh是模块的最高高度与平均高度之差；a是模块的宽（所以2a是模块的长，是满足对称性、周期性和边界线的条件的任意函数：

通过这些术语的表示，图1中模块的上表面限定如下：

z(x,y)=h+Δh由于0≤x≤0.25a,0≤y≤0.25a;1.75a≤x≤2a,0≤y≤0.25a;且0.75a≤x≤1.25a,0.75a≤y≤a;

z(x,y)=h-Δh由于0≤x≤0.25a,0.75a≤y≤a;1.75a≤x≤2a,0.75a≤y≤a;且0.75a≤x≤1.25a,0≤y≤0.25a;

由于0.25a≤x≤0.75a,0≤y≤0.5a,x≥y,x≤a-y;

由于0.25a≤x≤0.75a,0.5a≤y≤a,x≤y,x≥a-y;

由于0.25a≤y≤0.75a,0≤x≤0.5a,x≤y,x≤a-y;

由于0.25a≤y≤0.75a,0.5a≤x≤1.5a,x≥y,x≥a-y,x≤y+a,x≤za-y;

由于1.25a≤x≤1.75a,0≤y≤0.5a,x≥y+a,x≤za-y;

由于1.25a≤x≤1.75a,0.5a≤y≤a,x≤y+a,x≥za-y;

由于0.25a≤y≤0.75a,1.5a≤x≤2a,x≥y+a,x≥2a-y;

图10显示了可供选择的结构模块90，其运用了根据方程式限定的曲面：

$z(x,y)=\frac{A^{\′}(\sqrt{r^2-{(x-B^{\′}a)}^2}-r+0.5\mathrm{\Δh})(\sqrt{r^2-{(y-C^{\′}a)}^2}-r+0.5\mathrm{\Δh})}{0.5\mathrm{\Δh}}$

其中

A'=1由于0≤x≤0.5a,1.5a≤x≤2a0≤y≤0.5a,0.5a≤x≤a.5a且0.5a≤y≤a;

A'=-1由于0.5a≤x≤1.5a0≤y≤0.5a,0≤x≤0.5a,1.5a≤x≤2a且0.5a≤y≤a;

B'=0由于0≤x≤0.5a且0≤y≤a;

B'=1由于0.5a≤x≤1.5a且0≤y≤a;

B'=2由于1.5a≤x≤2a且0≤y≤a;

C'=0由于0≤x≤2a且0≤y≤0.5a;

C'=1由于0≤x≤2a且0.5a≤y≤a;

这个模块具有图1-9的结构模块的许多特性，本质的区别是当连续的模块未对齐时集中负荷的倾向性。

本领域的技术人员所做出的显而易见的改良和变化被认为是落入本发明的范围内的。

Claims (11)

1.结构模块，具有第一端和第二端；每个第一端和第二端都具有多个基本平的支撑表面，支撑表面中至少两个是成钝角相对设置的，其中第一模块的第一端的连接部分与第二模块的第二端的连接部分在形状上是互补的，并且模块的第一端包括最远离第二端的最外侧的支撑表面和最靠近第二端的最内侧的支撑表面，最外侧的支撑表面和最内侧的支撑表面均是邻近第一端的边缘，最内侧的支撑表面具有至少两个沿边缘连接到最内侧支撑表面的中间支撑表面，两个中间支撑表面沿边缘彼此连接并且分别以钝角形式设置，两个中间支撑表面均以钝角形式设置到最内侧支撑表面。

2.如权利要求1所述的结构模块，其中模块的长度是宽度的二倍，当第一模块相对于第二模块偏移模块长度的一半时，连接部分可以相互啮合。

3.如权利要求1或2所述的结构模块，其中每个连接部分是以对角线对称的，这样第一模块可以垂直于第二模块设置，并且连接部分相互连接。

4.如权利要求1或2所述的结构模块，其中相邻的连接部分关于模块的中间映射，这样位于沿着模块端的中间的支撑表面在两个连接部分之间是连续的。

5.如权利要求1或2所述的结构模块，其中一些支撑表面是基本上垂直于模块的侧壁的，当侧壁垂直时支撑表面是水平的。

6.如权利要求5所述的结构模块，其中水平支撑表面是位于两个高度，倾斜的支撑表面在不同高度的水平表面之间延伸。

7.如权利要求6所述的结构模块，其中每个连接部分具有两个最高的水平支撑表面作为最外侧的支撑表面，位于连接部分的斜对角处；和两个最低的水平支撑表面作为最内侧的支撑表面，位于连接部分的其他的角处。

8.如权利要求5所述的结构模块，其中水平支撑表面是正方形，并且边长等于模块宽度的四分之一。

9.如权利要求1或2所述的结构模块，其中连接部分具有交点，在交点处至少四个支撑表面相交。

10.如权利要求9所述的结构模块，其中交点是拐点。

11.如上述权利要求1或2所述的结构模块，其中模块是关于第一端和第二端之间中间的对称面对称的。