專利名稱：結(jié)構(gòu)框架的制作方法
有關(guān)本申請(qǐng)的引用文件本申請(qǐng)是1994年11月14日提出的序號(hào)為08/338,408、題為“應(yīng)力調(diào)整結(jié)構(gòu)”的專利申請(qǐng)的部分繼續(xù)申請(qǐng)。
提高強(qiáng)度對(duì)重量比是大多數(shù)設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)，這些設(shè)計(jì)中包括Richard Buckminster Fuller所提出和構(gòu)造的許多設(shè)計(jì)。使用承載框架和桁架時(shí)，在大多數(shù)情況下，失敗的發(fā)生是由于拉力方面的失敗而不是由于壓力方面。即使原來施加的載荷在材料內(nèi)引起壓應(yīng)力，但該應(yīng)力在材料內(nèi)經(jīng)過方向上的分解就會(huì)引出拉應(yīng)力。例如一個(gè)承受載荷的拱頂會(huì)趨向下垂，以致在構(gòu)成拱頂?shù)蔫旒軆?nèi)引起拉應(yīng)力，由于拉應(yīng)力的失敗而導(dǎo)致失敗。人們?cè)煤芏嘧⒁饬戆l(fā)展具有高抗拉強(qiáng)度的材料，以使用在載荷支承結(jié)構(gòu)上，利用這些材料的抗拉強(qiáng)度，使施加的載荷至少有一部分可由這些拉力件內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力來分解。這樣一種方法曾在1967年授于Buckminster Fuller的美國專利3,354,591號(hào)中概要地說明過。該結(jié)構(gòu)的一個(gè)較新的改進(jìn)曾在1980年頒發(fā)的美國專利4,207,715號(hào)中描述過。這種拉力件和壓力件結(jié)合的結(jié)構(gòu)也曾在1987年頒發(fā)的美國專利4,711,062號(hào)中公開過。
簡(jiǎn)要說明本發(fā)明為一由多個(gè)支桿組成的框架式結(jié)構(gòu)。每一支桿理想上具有相等的長度，并被配置成為這樣的形式，使施加在結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力在結(jié)構(gòu)中被分解時(shí)能產(chǎn)生最小的拉應(yīng)力。這些成組的支桿可被分析成為多個(gè)互相連接的成組的結(jié)構(gòu)單元(組件塊)。這些在互連時(shí)構(gòu)成本發(fā)明的框架的結(jié)構(gòu)單元可用三種不同的方式去觀察。即根據(jù)人們把構(gòu)成本發(fā)明框架的成組支桿斷開的地方，人們可以把結(jié)構(gòu)單元?dú)w納到三個(gè)截然不同的組內(nèi)。其中兩個(gè)組是真正的結(jié)構(gòu)單元。另外一組是略帶抽象的組，其中各個(gè)支桿承擔(dān)著雙重職責(zé)并被認(rèn)為是所涉及的兩個(gè)或多個(gè)具體亞框架的構(gòu)成邊。
第一組為二十個(gè)支桿的結(jié)構(gòu)單元，申請(qǐng)人把它稱為“單元方塊(Unicube)”。這是一個(gè)由十二個(gè)支桿構(gòu)成一個(gè)立方體的框架。從立方體八個(gè)角的每一個(gè)角上都有一個(gè)支桿向外伸出并與立方體的三個(gè)相鄰邊的支桿形成相同的角度。將多個(gè)這種單元方塊從立方體八個(gè)角上伸出的支桿的外端連接起來，便可構(gòu)成按照本發(fā)明原理的框架或桁架。
第二組是由兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元組成的。它們是四軸(tetrax frames)和立方體框架。每一個(gè)四軸體框架為從一個(gè)四面體的中心向其四個(gè)角伸出的四個(gè)支桿。每一個(gè)立方體框架為構(gòu)成立方體各邊的十二個(gè)支桿。每一個(gè)四軸體支桿的外端與立方體框架的一個(gè)角連接，相應(yīng)地，立方體框架的每一個(gè)角都與四軸體框架的一個(gè)支桿的外端連接。這樣從立方體框架的八個(gè)角上將有八個(gè)四軸體框架向外伸出。相應(yīng)地在四軸體框架的四個(gè)支桿的外端上將有四個(gè)立方體框架伸出，每一個(gè)立方體框架都以其角與四軸體的支桿連接。由于一個(gè)四軸體上有四個(gè)外端而一個(gè)立方體有八個(gè)角，這種配置需要有為立方體框架數(shù)兩倍的四軸體框架。
第三組正確地說并不是一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，它是一個(gè)截頭菱形十二面體(TRD)的邊框架，在所引用的專利申請(qǐng)文件中有詳細(xì)的揭露。由形成多個(gè)截頭菱形十二面體的邊支桿組成的結(jié)構(gòu)可形成本發(fā)明的框架。但應(yīng)知道，在多個(gè)TRD組裝在一起時(shí)，每一個(gè)邊將為三個(gè)這樣的TRD所共有。而本發(fā)明的框架是這樣的框架，它構(gòu)成共有的支桿，三個(gè)相鄰TRD的三個(gè)邊只用一個(gè)支桿而不是用三個(gè)平行且重合的支桿來代表。
圖1至6示出這三組結(jié)構(gòu)單元。圖1和2示出單元方塊的兩個(gè)視圖。圖3和4分別示出四軸體框架和立方體框架。圖5和6示出TRD框架的兩個(gè)視圖。圖5示出不透明的TRD，因此圖上只畫出可以看到的TRD的邊。
附圖的簡(jiǎn)要說明圖1為單元方塊的透視圖，由于中心立方體是不透明的，因此只有可看到的支桿能被看到。
圖2為實(shí)際的單元方塊的透視圖，圖中示出中心立方體的所有十二個(gè)支桿和八個(gè)向外伸出的角支桿。
圖3示出四支桿四軸體的兩個(gè)視圖，它在本文中也被稱為四軸體框架。
圖4為一立方體框架的透視圖，這個(gè)立方體框架是單元方塊的中心立方體。
圖5為一不透明的截頭菱形十二面體(TRD)的透視圖，從而圖中只畫出一個(gè)不透明的TRD上能看到的邊。
圖6為一實(shí)際的TRD的透視圖，圖中示出其所有邊。
圖7為圖1的單元方塊在二維上的集合，圖中示出相鄰單元方塊的向外伸出的支桿的連接基本上是在一個(gè)殼內(nèi)，該殼相對(duì)于圖8的平面為淺薄的。
定義申請(qǐng)人在這里采用了下列術(shù)語。這些術(shù)語是按照下列定義被用在說明書和權(quán)利要求書之內(nèi)的。單元方塊(Unicube)一個(gè)單元方塊由二十個(gè)相等的支桿互相連接而組成。其中十二個(gè)支桿構(gòu)成一個(gè)立方體的邊，因此是一個(gè)立方體框架。八個(gè)支桿分別從立方體的八個(gè)角上向外伸出，其伸出方向?yàn)槭姑恳粋€(gè)向外伸出的支桿與三個(gè)與它連接的支桿都形成一個(gè)相同的角度。形成立方體的十二個(gè)支桿被稱為立方體支桿，而從立方體角上向外伸出的八個(gè)支桿被稱為外伸支桿。單一的單元方塊的每一個(gè)外伸支桿都有一個(gè)外端。圖2所示即為一個(gè)單元方塊。立方體框架(Cubic Frame)一個(gè)立方體框架由一組構(gòu)成一個(gè)立方體十二個(gè)邊的支桿組成。一個(gè)立方體框架構(gòu)成本發(fā)明最佳結(jié)構(gòu)的兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元中的一個(gè)。另一個(gè)結(jié)構(gòu)單元為在下面定義的四軸體。一個(gè)立方體框架在圖4中示出。四軸體(Tetrax)四軸體為從四面體的中心點(diǎn)向其四角伸出的四個(gè)尺寸相同的軸。四軸體的任兩個(gè)支桿或腿相互之間的角度都是109.47°。多個(gè)四軸體和多個(gè)立方體框架可組合起來，構(gòu)成本發(fā)明的最佳結(jié)構(gòu)框架。這個(gè)四軸體在本文中也被稱為四軸體框架。圖3所示即為一個(gè)四軸體。四軸體結(jié)構(gòu)(Tetrax Structure)四軸體結(jié)構(gòu)是一個(gè)與四軸體近似的四支桿結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)單元。四個(gè)支桿都連接到一個(gè)共同點(diǎn)上。但這些支桿的長度不一定相等，而且任兩個(gè)支桿相互之間的角度亦可略微偏離109.47°。一個(gè)四軸體結(jié)構(gòu)可作為一個(gè)結(jié)構(gòu)單元用在本發(fā)明的不是最佳的實(shí)施例中。四軸體結(jié)構(gòu)可從四軸體框架偏差多少而仍可用在本發(fā)明的某些實(shí)施例中的偏差限度，將在下面的詳細(xì)說明中作較詳細(xì)的論述。截頭菱形十二面體(TRD)這個(gè)術(shù)語被用在這樣一個(gè)菱形十二面體上，其中各有四個(gè)邊從頂點(diǎn)延伸下來的六個(gè)頂點(diǎn)(角頂)被截去。每一個(gè)菱形十二面體的六個(gè)各帶四個(gè)邊的頂點(diǎn)大約在邊的中點(diǎn)被截去，并拿掉被截去的部分就可得到本文所定義的TRD。關(guān)于TRD的更詳細(xì)的論述可參見序號(hào)為08/338,408的相關(guān)的專利申請(qǐng)。優(yōu)選實(shí)施例的說明圖1和2示出本發(fā)明的結(jié)構(gòu)單元的一種形式，在本文中被稱為單元方塊10。如圖1所示，有十二個(gè)支桿12構(gòu)成一個(gè)立方體的邊，有八個(gè)支桿14從立方體的八個(gè)角上向外伸出。每一個(gè)外伸支桿14都與構(gòu)成支桿14從其伸出的那個(gè)角的三個(gè)立方體邊支桿12中的每一個(gè)支桿形成相等的角度。支桿14和12的長度都相等。
為了使這個(gè)單元方塊10的結(jié)構(gòu)單元看得更清楚，圖1示出的立方體是不透明的。由于結(jié)構(gòu)本身由一系列支桿構(gòu)成，所以圖2是更為正確的表示法。在用圖1的單元方塊構(gòu)造本發(fā)明的框架時(shí)，每一個(gè)支桿14的外端14E被連結(jié)到另外三個(gè)單元方塊的一個(gè)外端14E上。圖7被設(shè)計(jì)用來示出并建議出這種布置方法。在圖7中只有三個(gè)而不是四個(gè)外端1 4E被示出為連接著的，為的是使圖面可表現(xiàn)得更清楚。
多個(gè)圖2的單元方塊10用它們的支桿端14E互相連接起來，便可得出本發(fā)明的一個(gè)最佳的框架實(shí)施例。應(yīng)該注意的是，每一個(gè)外端14E被連接到另外三個(gè)單元方塊的另外三個(gè)外端14E上。這樣任何一組四個(gè)連接起來的單元方塊將只共用一個(gè)公共點(diǎn)。
圖3和4示出本發(fā)明的結(jié)構(gòu)單元的另一種形式。其中一個(gè)結(jié)構(gòu)單元為圖4所示的立方體框架16面另一個(gè)結(jié)構(gòu)單元為圖3所示的四軸體框架18。每一個(gè)立方體框架具有構(gòu)成立方體邊的十二個(gè)支桿12。每一個(gè)立方體框架16具有八個(gè)角。而每一個(gè)四軸體框架18由四個(gè)支桿14構(gòu)成。這些支桿為一個(gè)四面體的各個(gè)角的軸。四個(gè)支桿具有相等的長度，它們都從一個(gè)共同相連的中心點(diǎn)14E向外伸出，并且其中任兩個(gè)支桿都有一個(gè)109.47°的相互間角度。那就是說，在四個(gè)支桿中每次取兩個(gè)，共有六個(gè)角度，每一個(gè)角度的值都是109.47°。如果這四個(gè)支桿的四個(gè)端點(diǎn)14C被認(rèn)為是一個(gè)正四面體的四個(gè)頂點(diǎn)(角頂)，那么這四個(gè)支桿就是從四面體的中心延伸到其四個(gè)頂點(diǎn)的四條線。
每一個(gè)四軸體的端點(diǎn)14C被連接到立方體框架的一個(gè)角上，而每一個(gè)立方體框架的角被連接到一個(gè)四軸體的一個(gè)端點(diǎn)14C上。由于每一個(gè)四軸體有四個(gè)端點(diǎn)14C而每一個(gè)立體框架有八個(gè)角，因此在本發(fā)明的這個(gè)結(jié)構(gòu)中，四軸體框架的數(shù)目應(yīng)當(dāng)是立方體框架的兩倍。
在此優(yōu)選的實(shí)施例中，四軸體框架為一真正的四軸體，其中每一個(gè)支桿的長度都相等并且具有109.47°的內(nèi)角。所謂內(nèi)角為四個(gè)支桿中任兩個(gè)支桿之間的角度。單元方塊、立方體框架和四軸體之間的關(guān)系在裝配好的結(jié)構(gòu)中，四軸體的每一個(gè)支桿14就是單元方塊的一個(gè)外伸支桿。圖7可幫助看清這個(gè)關(guān)系。這樣同一標(biāo)號(hào)“14”例被用于支桿。與此類似，單元方塊的立方體支桿12就是在裝配好的結(jié)構(gòu)中的立方體框架16。這樣單元方塊的支桿14的端點(diǎn)14E就是四軸體支桿的中心點(diǎn)，而四軸體支桿的端點(diǎn)14C就是立方體框架16的角點(diǎn)。
與此類似，立方體框架16的中心點(diǎn)就是單元方塊的立方體的中心點(diǎn)。
所有立方體框架16的中心點(diǎn)為一組具有這樣相互關(guān)系的點(diǎn)，它們之中的每一點(diǎn)應(yīng)與該組中心點(diǎn)中其他十二個(gè)鄰近點(diǎn)保持相等的距離。這個(gè)關(guān)系很重要，因?yàn)樵摻M中心點(diǎn)必須總是與成組支桿12、14間隔開，以防止力沿著一個(gè)通過那些中心點(diǎn)的支桿來傳遞。通過防止力通過成組的中心點(diǎn)傳遞，就可使力轉(zhuǎn)向而將拉力的產(chǎn)生減至最小。
結(jié)構(gòu)布置越接近較優(yōu)的實(shí)施例，拉力的產(chǎn)生也就越少。但在支桿12、14的均一長度和四軸體18的中心角以及立方體16的直角等方面的少量偏差是允許的，此時(shí)仍能從本發(fā)明的改進(jìn)中得到不少好處，該改進(jìn)是使在結(jié)構(gòu)的支桿中的拉力的產(chǎn)生極度地減少。因此術(shù)語四軸體結(jié)構(gòu)在本文中被用來指以四軸體18為基礎(chǔ)但具有不是理想的等長的支桿及/或不是理想的相等的內(nèi)角那樣的四支桿結(jié)構(gòu)。這樣四軸體結(jié)構(gòu)就是一個(gè)以四軸體為基型的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能在應(yīng)力的轉(zhuǎn)向方面作出顯著的改進(jìn)。
圖7示出按照本發(fā)明的原理而構(gòu)造的約為兩個(gè)單元方塊深的板塊。這個(gè)支桿12、14的網(wǎng)格能被用來制造許多范圍很廣的建筑結(jié)構(gòu)如墻壁桁架、地板桁架、拱頂和拱以及許多其他結(jié)構(gòu)部件。比起用其他技術(shù)制出的可比結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)能夠做得極輕，因?yàn)楸景l(fā)明是將載荷分解成為壓縮載荷而不是成為拉伸載荷。這樣本結(jié)構(gòu)便可在高抗壓強(qiáng)度對(duì)重量的比率與低得多的抗拉強(qiáng)度對(duì)重量的比率的對(duì)比下取得充分的利益。
可以注意到，支桿能用任何合適的材料制成，如同鋼、鋁、纖維增強(qiáng)塑料或普通塑料制成的支桿。支桿材料以及其長度和橫截面尺寸將隨所涉及的結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)要求而變。支桿可用任何一種已知的技術(shù)，如螺栓連接、焊接，互相連結(jié)在一起或鑄造成為一個(gè)整體的立方體和四軸體的結(jié)構(gòu)單元。
按照本發(fā)明構(gòu)造成的結(jié)構(gòu)框架的表面通常都被封閉起來并在某種意義上最好是光滑的。這樣在界面上，支桿12或14將與不屬于本發(fā)明框架結(jié)構(gòu)部分的某些結(jié)構(gòu)連接。應(yīng)力轉(zhuǎn)向的假說本發(fā)明的框架能將由載荷而產(chǎn)生的應(yīng)力轉(zhuǎn)向到這樣一個(gè)程度，使拉力的產(chǎn)生減為最小并將這些應(yīng)力分解成為壓應(yīng)力。
申請(qǐng)人認(rèn)為要了解為什么這事會(huì)發(fā)生最好是從考察圖5和6所示的TRD布置中取得認(rèn)識(shí)。TRD為一封閉的結(jié)構(gòu)，具有六個(gè)方形框架和十二個(gè)六角形框架。成對(duì)的方形框架和成對(duì)的六角形框架互相平行。所有邊的長度都完全相等。形成本發(fā)明的一個(gè)理想實(shí)施例(即所有支桿都相同的真正的立方體框架和四軸體)的成組的支桿12，14也將構(gòu)成多個(gè)TRD。這些TRD嚴(yán)格地說并不是結(jié)構(gòu)單元，因?yàn)槊恳粋€(gè)支桿12和14都是三個(gè)TRD所共有的。
顯然可認(rèn)為這個(gè)截頭菱形十二面體(TRD)的體積與TRD的內(nèi)內(nèi)接的正球體的體積非常接近相等。把許多獨(dú)立的球體集合起來，它們將只能通過壓縮來傳力。當(dāng)然，除非它們?cè)诙祟^被限制住，否則它們是會(huì)散開的。把本發(fā)明的框架看作是由許多互連的TRD構(gòu)成可給出這樣一種啟示，框架之所以能使應(yīng)力轉(zhuǎn)向，正象框架是由許多獨(dú)立的球體組成所會(huì)發(fā)生的情況那樣。但是由于這些TRD都是互連的，所以它們不會(huì)散開。
人們還認(rèn)為，不符合上述支桿模式的外加的增強(qiáng)支桿通常不會(huì)提供有用的效益，并且常會(huì)使效能從最佳狀態(tài)多少降低。例如，沿著立方體框架16的表面加設(shè)的對(duì)角線支桿似乎能夠增加剛度和強(qiáng)度。但申請(qǐng)人認(rèn)為這種另加支桿的主要結(jié)果是，由本發(fā)明的支桿12、14產(chǎn)生理想的力轉(zhuǎn)向功能下降，從而在某些支桿件中會(huì)增加拉力的產(chǎn)生。在最好的情況下，這種另加的支桿不僅不會(huì)在減少拉力方面作出改進(jìn)，而且會(huì)增加另外的費(fèi)用和重量。
另外，通過立方體框架16的中心或通過其所限定的點(diǎn)的另加的支桿等于是在挖本結(jié)構(gòu)目標(biāo)的墻腳，因?yàn)樗鼘⑹沽υ诜纸鈺r(shí)拉力趨向于得到發(fā)展而不是極度減小。
四軸體和立方體框架的支桿結(jié)構(gòu)單元是這樣連接的，即四軸體腿或支桿的每端點(diǎn)都和立方體支桿框架的一個(gè)角連接，而立方體支桿框架的每一角都和四軸體支桿的一個(gè)端點(diǎn)連接。
應(yīng)注意的是，這個(gè)將立方體框架和四軸體結(jié)構(gòu)單元組合起來的說明不能按字面照搬到構(gòu)架的表面區(qū)域上。那就是說，構(gòu)架必須在某些地方達(dá)到一個(gè)盡頭。
權(quán)利要求
1．一種結(jié)構(gòu)框架用的結(jié)構(gòu)單元，它包括一個(gè)具有八個(gè)角和十二個(gè)剛性的承受壓力的支桿的立方體框架，和八個(gè)向外伸出的剛性的承受壓力的支桿，每一個(gè)支桿都從所說八個(gè)角中一個(gè)分開的角向外伸出，每一個(gè)所說向外伸出的支桿都有一個(gè)外端。
2．按照權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)單元，其特征為，每一個(gè)所說十二個(gè)支桿都具有相等的長度。
3．按照權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)單元，其特征為，每一個(gè)所說向外伸出的支桿和與它連接的三個(gè)立方體支桿之間的角度都相等。
4．按照權(quán)利要求3的結(jié)構(gòu)單元，其特征為，每一個(gè)所說十二個(gè)支桿都具有相等的長度。
5．一種承受載荷的結(jié)構(gòu)框架，它包括多個(gè)如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)單元，每一個(gè)所說向外伸出的支桿的每一個(gè)外端被連接到所說向外伸出的支桿的另外三個(gè)外端上。
6．制造一種承受載荷的結(jié)構(gòu)框架的方法，它包括下列步驟選擇一組具有合適強(qiáng)度并且尺寸基本相等的剛性的承受壓力的支桿，用所說支桿組制出一組單元方塊，每一個(gè)單元方塊具有十二個(gè)立方體支桿和八個(gè)從立方體支桿的八個(gè)角的每一個(gè)角上向外伸出的斜角支桿，每一個(gè)所說八個(gè)向外伸出的支桿都有一個(gè)外端，裝配所說單元方塊組，辦法是連接四個(gè)分開的單元方塊的一個(gè)向外伸出的支桿的所說外端，使從每一個(gè)單元方塊的每一個(gè)角上的向外伸出的支桿與另外三個(gè)相鄰單元方塊的三個(gè)向外伸出的支桿形成一個(gè)四軸體。
全文摘要
一種由一系列支桿(12、14)按照特殊形式布置而構(gòu)成的結(jié)構(gòu)框架能使施加在框架上的應(yīng)力轉(zhuǎn)向從而使拉力極少發(fā)展并最大程度地使應(yīng)力分解成為壓力。該框架是由多個(gè)單元方塊構(gòu)成的,每一個(gè)單元方塊具有十二個(gè)等長的支桿(12)排列成一個(gè)立方體的邊和八個(gè)另外的等長支桿(14)分別從立方體的每一個(gè)角上伸出。八個(gè)向外伸出的支桿(14)中每一個(gè)都與它所連接的立方體三個(gè)邊支桿(12)中的每一個(gè)形成相等的角度。這些向外伸出的支桿(14)的外端(14E)是這樣連接在一起的,使四個(gè)這樣的支桿外端(14E)連接成為一個(gè)組,許多這樣的組連接成為這些單元方塊(10)的網(wǎng)絡(luò),從而構(gòu)成結(jié)構(gòu)框架。
文檔編號(hào)E04B1/19GK1312419SQ01116538
公開日2001年9月12日 申請(qǐng)日期2001年4月12日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月14日
發(fā)明者查爾斯·R·歐文斯 申請(qǐng)人:查爾斯·R·歐文斯