一种结构单元、空间单元及其多跨空间结构技术领域
本发明涉及一种结构单元、空间单元及其多跨空间结构。
背景技术
中国古建筑以木材、砖瓦为主要建筑材料，以木构架结构为主要的结构方式，由
立柱、横梁、顺檩等主要构件建造而成，各个构件之间的结点以榫卯相吻合，构成富
有弹性的框架，叫做榫卯结构。
榫卯是极为精巧的发明，这种构件连接方式，使得中国传统的木结构成为超越了
当代建筑排架、框架或者刚架的特殊柔性结构体，不但可以承受较大的荷载，而且允
许产生一定的变形，在地震荷载下通过变形抵消一定的地震能量，减小结构的地震响
应。
榫卯结构广泛用于建筑，同时也广泛用于家具，体现出家具与建筑的密切关系。
榫卯结构应用于房屋建筑后，虽然每个构件都比较单薄，但是它整体上却能承受巨大
的压力。这种结构不在于个体的强大，而是互相结合，互相支撑，这种结构成了后代
建筑和中式家具的基本模式。
另外，孔明锁作为智力玩具被广泛流传，但它也是中国古代传统的土木建筑固定
结合器，这样的结构也被广泛用于土木建筑中。
但是在现有技术中，具有榫卯连接方式的空间结构较为单一，变化形式不够丰富
和多元，建筑形式比较古板，无法满足新时期对新式美感的要求。
发明内容
为了解决前述的技术问题，本案的发明人经过不断探讨和研究，提出了如下的新
颖的结构单元、空间单元及其多跨空间结构。
本发明提供一种结构单元，其包括在X-Y-Z正交坐标系中分别设置在X轴正
负方向上的第一X轴基本构件和第二X轴基本构件、分别设置在Y轴正负方向上
的第一Y轴基本构件和第二Y轴基本构件、以及分别设置在Z轴正负方向上的第
一Z轴基本构件和第二Z轴基本构件，所述六根基本构件在所述坐标系的原点(O)
处相互连接。
在本发明中，在所述坐标系的X轴、Y轴和Z轴中的至少一条轴上的两根基本
构件相对于该轴沿相反方向偏移。
在本发明中，所述第一X轴基本构件的轴线从X轴向Z轴负方向进行偏移；
所述第二X轴基本构件的轴线从X轴向Z轴正方向进行偏移。
在本发明中，所述第一Y轴基本构件的轴线从Y轴向X轴负方向进行偏移；
所述第二Y轴基本构件的轴线从Y轴向X轴正方向进行偏移。
在本发明中，所述第一Z轴基本构件的轴线从Z轴向Y轴负方向进行偏移；
所述第二Z轴基本构件的轴线从Z轴向Y轴正方向进行偏移。
在本发明中，所述偏移的量是在偏移方向上自X-Y-Z正交坐标系的坐标轴到
相应的基本构件的轴线的距离。
在本发明中，所述偏移的量为所述基本构件的横截面在偏移方向上的长度的
一半。
在本发明中，所述六根基本构件通过榫卯连接方式相互连接。
在本发明中，所述第一X轴基本构件、所述第一Y轴基本构件和所述第一Z
轴基本构件的坐标系原点(O)的一端各自有两个卯口；
所述第二X轴基本构件、所述第二Y轴基本构件和所述第二Z轴基本构件的
坐标系原点的一端各自有两个榫头，该两个榫头分别同与该第二基本构件正交设
置的两个第一基本构件上的一个所述卯口形成榫卯连接。
所述基本构件的横截面的形状选自正方形、长方形、圆形、椭圆形、梯形、
半圆形。
本发明提供一种空间单元，其包括八个前述结构单元。
在本发明中，所述八个结构单元连接构成四方空间矩阵结构，其中相连接的
结构单元将其对应的基本构件的自由端面彼此对准抵接。
在本发明中，所述对准抵接通过榫卯连接方式实现。
本发明提供一种多跨空间结构，其由多个前述的空间单元构成。
在本发明中，所述空间单元沿X-Y-Z正交坐标系中的X、Y、Z三轴自由延伸
组装。
前述的结构单元能够用于建筑、家具、玩具、装饰品。
前述的空间单元能够用于建筑、家具、玩具、装饰品。
前述的多跨空间结构能够用于建筑、家具、玩具、装饰品。
本发明的结构单元、空间单元及其多跨空间结构的设计，因其结构在X-Y-Z正交
坐标系中存在偏移(偏心)，形式新颖，具有空间错位觉，满足人们对新式美感的要
求。
再者，本发明的结构单元、空间单元及其多跨空间结构在满足人们对视觉美感的
要求的同时，它们还保留了榫卯结构的优点，作为特殊柔性结构体，不但可以承受较
大的荷载，而且允许产生一定的变形，在地震等的外力荷载下能够通过变形，抵消一
定的外力能量，减小结构对外力的响应。
本发明的结构单元、空间单元及其多跨空间结构具有科学合理性，耐久性。
本发明的结构单元、空间单元及其多跨空间结构因其具有前述的优点，所以能够
被广泛用于建筑、家具制作、玩具制作、装饰品的制作上。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例的结构单元的基本构件为长方体的示意图；
图2是本发明较佳实施例的结构单元的基本构件在X-Y-Z正交坐标系中的示意
图；
图3是本发明较佳实施例的的结构单元的从X轴的正方向向X轴的负方向看过去
的视图；
图4是本发明较佳实施例的结构单元的从Y轴的正方向向Y轴的负方向看过去的
视图；
图5是本发明较佳实施例的结构单元的从Z轴的正方向向Z轴的负方向看过去的
视图；
图6是本发明较佳实施例的结构单元的六根基本构件在连接端的配置关系的示
意图；
图7是本发明较佳实施例的结构单元的六根基本构件在连接端的拼装顺序的示
意图；
图8是本发明较佳实施例的结构单元的基本构件的卯口的形状和尺寸的示意图，
其中的图8－1是卯口的轴视图，图8－2是该卯口的俯视图，图8－3是该卯口的
正视图；
图9是本发明较佳实施例的结构单元的基本构件中的榫头的形状和尺寸示意图，
其中的图9－1是榫头的轴视图，图9－2是该榫头的俯视图，图9－3是该榫头的
正视图；
图10是本发明较佳实施例的结构单元的基本构件中的榫头的特殊形状和尺寸的
示意图，其中的图10－1是榫头的轴视图，图10－2是该榫头的俯视图，图10－3
是该榫头的正视图；
图11是本发明较佳实施例的结构单元所构成的空间单元的示意图；
图12是本发明较佳实施例的空间单元中的结构单元进行旋转的示意图；
图13是本发明较佳实施例的结构单元所构成的空间单元的不同角度的示意图；
图14是本发明较佳实施例的由多个空间单元所构成的多跨空间结构的示意图；
图15是本发明较佳实施例的空间单元的结构平衡受力示意图。
具体实施方式
首先，对本发明所出现的一些术语进行定义：
1.轴线
本发明中的“轴线”包括如下的定义：
基本构件的轴线是由基本构件的两个横截面的几何中心点所连接起来的线。
结构单元的轴线是以三维正交坐标系的X、Y、Z三根坐标轴作为轴线的。
另外，将三维正交坐标系的X、Y、Z坐标轴称为坐标轴线。
2.轴心
本发明中“轴心”有基本构件的轴心和结构单元的轴心。
基本构件的轴心为其几何中心点。
结构单元的轴心是其几何中心点。
3.轴线偏移(即偏心)
基本构件的轴线不与正交坐标系的X坐标轴、Y坐标轴或Z坐标轴重叠，而以
一定偏移量相对于坐标轴线进行偏移。
4.原点
X-Y-Z正交坐标系的三根坐标轴的交集点，是坐标系的原点(O)。
该原点是结构单元的几何中心点。
5.三维正交坐标系
三维正交坐标系为X-Y-Z正交坐标系。
6.六根基本构件的命名
设置在坐标系X轴正方向上的基本构件可被命名为第一X轴基本构件；
设置在坐标系X轴负方向上的基本构件可被命名为第二X轴基本构件；
设置在坐标系Y轴正方向上的基本构件可被命名为第一Y轴基本构件；
设置在坐标系Y轴负方向上的基本构件可被命名为第二Y轴基本构件；
设置在坐标系Z轴正方向上的基本构件可被命名为第一Z轴基本构件；
设置在坐标系Z轴负方向上的基本构件可被命名为第二Z轴基本构件。
另外，可将第一X轴基本构件、第一Y轴基本构件和第一Z轴基本构件统称
为第一基本构件；可将第二X轴基本构件、第二Y轴基本构件和第二Z轴基本构
件统称为第二基本构件；或将所有的第一和第二X轴、Y轴和Z轴基本构件统称为
基本构件。
图1是本发明较佳实施例的结构单元的基本构件为长方体的示意图。
本发明的“基本构件”为一个具有空间体积的物体。在一些实施例中，可以是正
方体、长方体、圆柱体。当然，也可以是其他所需要的形体。
所述基本构件的横截面的形状可选自正方形、长方形、圆形、椭圆形、梯形、半
圆形或其他所需要的形状。
所述基本构件的材质可为木质、金属材质、塑料材质或其他所需要的固体材质。
所述基本构件的尺寸为工业加工工艺可获得的所有尺寸，对此无特别限定。
将前述的基本构件拼装成图2所示的结构单元。图2是本发明较佳实施例的结构
单元的基本构件在X-Y-Z正交坐标系中的示意图。
各个基本构件所在坐标轴以及对该坐标轴的偏移方向
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即，所述第一X轴基本构件a的轴线从X轴向Z轴负方向进行偏移；所述第
二X轴基本构件-a的轴线从X轴向Z轴正方向进行偏移。
所述第一Y轴基本构件b的轴线从Y轴向X轴负方向进行偏移；所述第二Y
轴基本构件-b的轴线从Y轴向X轴正方向进行偏移。
所述第一Z轴基本构件c的轴线从Z轴向Y轴负方向进行偏移；所述第二Z
轴基本构件-c的轴线从Z轴向Y轴正方向进行偏移。
所述六根基本构件在X-Y-Z正交坐标系的原点处(这里的“原点处”并非局限
于一个点，而是围绕原点的一个区域)相互连接。
前述的基本构件的配置偏移关系也可通过图3～5明确图示出来：
图3是本发明较佳实施例的结构单元的从X轴的正方向向X轴的负方向看过去的
视图，图4是本发明较佳实施例的结构单元的从Y轴的正方向向Y轴的负方向看过去
的视图，图5是本发明较佳实施例的结构单元的从Z轴的正方向向Z轴的负方向看过
去的视图。
对于基本构件的偏移的量，本发明的基本构件的偏移的量是从X-Y-Z正交坐
标系的坐标轴沿偏移方向至相应的基本构件的轴线的距离。
基本构件的轴线的位置取决于其横截面的形状和尺寸，所以基本构件的偏移
的量可根据基本构件的横截面的形状和尺寸的不同而不同。
在该较佳实施例中，基本构件的偏移的量为基本构件a，b，c，-a，-b，-c
的横截面在偏移方向上的长度的一半。
例如，在基本构件的横截面是正方形时，其偏移的量是基本构件横截面在偏
移方向的长度的一半。
在图3～5中也图示了基本构件a，b，c，-a，-b，-c的偏移的量，其中的
“dy”、“dz”和“dx”分别表示基本构件c、-c，基本构件a、-a和基本构件b、
-b的横截面分别在y、z、x坐标轴的偏移方向的长度。
而其中的“dy/2”、“dz/2”和“dx/2”分别表示基本构件c、-c，基本构件
a、-a和基本构件b、-b的横截面分别在y、z、x坐标轴的偏移方向的长度的一半。
本发明的基本构件之间的相互连接可以采用任何需要的公知连接方式，在该较佳
实施例中，采用榫卯连接方式将基本构件进行相互连接。
所述榫卯连接方式，通常可使用常规的榫头和卯口进行相互衔接。
在该较佳实施例中，第一X轴基本构件a、第一Y轴基本构件b和第一Z轴基
本构件c的坐标系原点的一端(即连接端)各自有两个卯口，如图8－1所示。
所述卯口可为例如槽、切口等的凹部。卯口的形状可以是长方体、梯台等常
规的卯口形状。第一基本构件a，b，c中的每根基本构件的两个卯口形状，可相
同，也可不同。
再者，第一基本构件a，b，c中的三根基本构件的连接端的卯口的形状也可
都一样。
第二X轴基本构件-a、第二Y轴基本构件-b和第二Z轴基本构件-c的坐标系
原点的一端(即连接端)各自有两个榫头，该两个榫头分别同与该第二基本构件
-a，-b，-c正交设置的两个第一基本构件a，b，c上的一个所述卯口形成榫卯连
接。
第二基本构件-a，-b，-c的三根基本构件在坐标系原点的一端(即连接端)
各自有两个榫头。
所述榫头可为例如齿、舌等的任何凸起。榫头的形状可以是长方体、正方体
等。
第二基本构件-a，-b，-c的每根基本构件中的两个榫头的形状，可相同，也
可不同。
前述榫头例如可以是如图9－1和10－1所示的榫头。
再者，第二基本构件-a，-b，-c的三根基本构件的连接端的榫头的形状也可
都一样。
在本发明中，较好是第二Z轴基本构件-c的连接端的榫头的形状不同于第二
X轴基本构件-a和第二Y轴基本构件-b的连接端的榫头的形状。
榫头的形状只要能与前述卯口进行匹配嵌入连接，任何形状都可以，对此无
特别限定。
图6是本发明较佳实施例的结构单元的六根基本构件在连接端的配置关系的
示意图。
六根基本构件的空间连接的位置关系如表2所示：
表2
基本构件
相连的基本构件
相连的基本构件
a
-b
-c
b
-a
-c
c
-a
-b
-a
b
c
-b
a
c
-c
a
b
即，对于第一基本构件a，b，c的三根基本构件，其连接关系为：
基本构件a与基本构件-b和基本构件-c相互连接在坐标系的原点(即连接
处)；基本构件b与基本构件-a和基本构件-c相互连接在所述连接处；基本构件
c与基本构件-b和基本构件-c相互连接在所述连接处。
另外，对于第二基本构件-a，-b，-c的三根基本构件，其连接关系为：
基本构件-a与基本构件b和基本构件c相互连接在所述连接处；基本构件-b
与基本构件a和基本构件c相互连接在所述连接处；基本构件-c与基本构件b和
基本构件c相互连接在所述连接处。
即，第二基本构件-a，-b，-c的每根基本构件要与其他坐标轴线方向的二根
第一基本构件a，b，c在连接处进行连接。
而对于第一基本构件a，b，c来说，也是第一基本构件a，b，c的每根基本
构件要与其他坐标轴线方向的二根第二基本构件-a，-b，-c在连接处进行连接。
将六根基本构件拼装成结构单元的顺序和方法：
图7为本发明较佳实施例的结构单元的六根基本构件在连接端的拼装顺序的示
意图。
按照图7的虚线所指示的步骤1～5进行各个基本构件的拼装，最后形成图2
所示的结构单元。
本发明的空间单元的结构：
图11是本发明较佳实施例的结构单元所构成的空间单元的示意图，是由八个前
述制得的结构单元构成。
图12是本发明较佳实施例的空间单元中的结构单元进行旋转的示意图。
图13是本发明较佳实施例的结构单元所构成的空间单元的不同视角的示意图。
所述八个结构单元构成四方空间矩阵结构，其中相连接的结构单元将其对应
的基本构件的自由端面彼此对准抵接。
所述对准抵接可通过榫卯连接、卡合连接、紧固件连接、粘接、焊接或其他合乎
需要的结合方式实现。
在图11中，以基准结构单元1的正交坐标系为基准，将结构单元绕Z轴旋转180
度形成结构单元2，并将其位于基准结构单元1的X轴的负方向上；将结构单元绕Y
轴旋转180度形成结构单元3，并将其位于基准结构单元1的Y轴的正方向上；将结
构单元绕X轴旋转180度形成结构单元4，并将其位于基准结构单元1的Y轴－X轴负
方向所构成的平面的对角线一端，使其与结构单元2和结构单元3相连，以形成一组
四边平面结构。
另外，由结构单元1’、结构单元2’、结构单元3’、结构单元4’的结构是：
将基准结构单元1’配置在结构单元2的Z轴的负方向上，并以此为基准，将结
构单元绕Z轴旋转180度形成结构单元2’，并将其位于基准结构单元1’的X轴的正
方向上；将结构单元绕Y轴旋转180度形成结构单元3’，并将其位于基准结构单元
1’的Y轴的正方向上；将结构单元绕X轴旋转180度形成结构单元4’，并将其位于
基准结构单元1’的X轴正方向－Y轴正方向所构成的平面对角线一端，以形成另一组
四边平面结构。
将基准结构单元1与结构单元2’、结构单元2与基准结构单元1’、结构单元4
与结构单元3’、以及结构单元3与结构单元4’按照对应的自由端面彼此对准抵接的
方式，利用榫卯连接形成四方空间矩阵结构的空间单元。
通过上述连接位置和拼装方法，将八根结构单元形成为图13所示的空间单元。
图14是本发明较佳实施例的由多个空间单元所构成的多跨空间结构的示意图。
将多个空间单元沿着X、Y、Z三轴的方向，进行多个空间单元的任意延伸组合，
以形成多跨空间结构，以任何所需的连接方式进行连接，包括榫卯连接、卡合连接、
紧固件连接、粘接、焊接等。
本发明的结构单元可用于建筑、玩具、装饰品等的技术领域。
本发明的空间单元可用于建筑、玩具、装饰品等的技术领域。
本发明的多跨空间结构可用于建筑、玩具、装饰品等的技术领域。
本发明不局限于上述实施方式，可利用其他各种方式来实施。
实例
以下，举出实例来对本发明进行更具体的说明。但是，本发明显然不能解释
为限定于这些实例。
实例1：
(1)、基本构件的制备：
将木头加工成木制的横截面为300mm(宽)x300mm(高)的正方形、长为1.5米的长
方体，相同制备成六根基本构件a，b，c，-a，-b，-c。
(2)、基本构件的连接端的卯口和榫头的制备加工：
(2)－1、各自具有两个卯口的基本构件a，b，c的制备：
将一根前述所制得的基本构件的坐标系原点的一端如图8(1－3)那样制成具有两
个卯口。同样将另外二根前述所制得的基本构件的坐标系原点的一端加工制成具有两
个卯口。
将所制得的各自具有两个卯口的三根基本构件分别作为基本构件a、基本构件b
和基本构件c。
(2)－2、各自具有两个榫头的基本构件-a，-b，-c的制备：
将二根前述所制得的基本构件的坐标系原点的一端如图9那样加工制成具有两个
榫头以作为基本构件-a和基本构件-b。
将一根前述所制得的基本构件的坐标系原点的一端如图10那样制成具有两个榫
头以作为基本构件-c。
(3)、基本构件的组装：
按照每根基本构件的偏移的量各自为150mm(横截面的偏移方向长度300mm
的一半)的方式，以图7的顺序将前述制得的基本构件a、基本构件b和基本构件c以
及基本构件-a、基本构件-b和基本构件-c拼装，以形成结构单元1。
按照前述的(1)～(3)的步骤，同样制得结构单元2～4。
另外，按照前述的(1)～(3)的步骤，同样制得结构单元1’～4’。
(4)、空间单元的制备：
按照附图11，将前述的结构单元1～4和结构单元1’～4’进行组装，以形成空
间单元1。
按照前述步骤，同样制得空间单元2～9。
(5)、多跨空间结构的制备：
将空间单元1～9按照坐标三轴进行装配，以形成多跨空间结构。
其他实例：
除了将基本构件的横截面分别变化为长方形、圆形、椭圆形以外，与实例1
同样制得相应的结构单元、空间单元和多跨空间结构。
再者，对实例1所形成的空间单元1，进行结构平衡受力分析。
先考虑空间单元1在自重下的受力情况：
如图15所示，在图15中，竖向基本构件的竖向力对于空间单元1来说是同一条
直线上的。若每根基本构件的长度均为L，由于各基本构件都是一样的材料、横截面
和长度，则N＝L·q。
则空间单元1的力平衡方程为：
F＝4N+(4+4)L·q＝12L·q。
每个六向偏移结构单元的自重是6L·q，空间单元1底部的反力等于其上偏心结
构单元的自重总和(每个F力承担两个六向偏移结构单元)。
而因空间单元1的对称性，其倾覆力矩为零，空间单元1是自我平衡的。
当空间单元1由于受到不对称的外荷载时，每个空间单元1的底部的力的大小也
不对称，底部力的合力对空间单元1几何中心的力矩可以用来抵消外力产生的倾覆力
矩。空间单元1在不对称外力作用下也可达到平衡。
即空间单元1就像具有四条腿的桌子，在竖向力作用下有较好的空间稳定性。
本发明该较佳实施例的结构单元、空间单元及其多跨空间结构的设计，因其结构
在X-Y-Z正交坐标系中存在偏移(偏心)，形式新颖，具有空间错位觉，满足人们对
新式美感的要求。
再者，本发明该较佳实施例的结构单元、空间单元及其多跨空间结构在满足人们
对视觉美感的要求的同时，它们还保留了榫卯结构的优点，作为特殊柔性结构体，不
但可以承受较大的荷载，而且允许产生一定的变形，在地震等的外力荷载下能够通过
变形，抵消一定的外力能量，减小结构对外力的响应。
本发明该较佳实施例的结构单元、空间单元及其多跨空间结构具有科学合理性，
耐久性。
再者，本发明该较佳实施例的结构单元、空间单元及其多跨空间结构由于所用基
本构件可以统一尺寸成批加工，并以此形成结构单元化，因此能够以非常低的生产成
本进行批量加工，批量组装。
再者，因为基本构件的单件化，便于运输且可到现场进行拼装成各种单元，所以
运输成本也非常低，组装也非常便捷，现场施工效率得到了提高，保质保量进行施工
生产。
本发明该较佳实施例的结构单元、空间单元及其多跨空间结构因其具有前述的优
点，所以能够被广泛用于建筑、家具制作、玩具制作、装饰品的制作上。
尽管以上通过实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明的实施并不局限
于所描述的实施方式，本领域技术人员可以对其进行各种变化。例如，在所描述的较
佳实施例中，三组基本构件的三组偏移方向均是彼此正交的，但也可以将这三组偏移
方向设置成仅其中两组是正交的。又例如，在所描述的较佳实施例中，三组基本构件
的每一组均有相反方向的偏移，但也可以设置成仅有其中的一组或两组具有偏移。再
例如，在所描述的较佳实施例中，每一组基本构件的偏移量为基本构件的横截面在
偏移方向上的长度的一半，但也可以采用其他的偏移量。因此，本发明的保护范
围并不局限于所描述的具体实施方式，而应由权利要求书来合理地限定。