本发明总的涉及组合式空间构架结构，特别是涉及组件式空间构架支持结构，该结构用以加强所支持的建筑物的抗地震的能力。 诸如大楼、海上平台之类的建筑物，一般包括一个下部结构，诸如基础、支持梁之类，来支持建筑物的上部结构。在高楼大厦的建筑中，结构框架可以与基础系统一起支持荷载。至于海上平台，其支持结构一般包括埋入海底的垂直支持构件，基本上完全设置在海洋表面以下，以支持水面以上的平台上部结构。
按照已有的实践，海上平台的支持结构一般包括垂直支撑构件（例如“千斤顶”式平台），支撑构件的一端与混凝土地锚或类似物一起埋入海底，另一端与平台的上部结构相接触，以支持水面以上的上部结构。横向伸展的横构件一般用于为支持结构提供刚性。支持结构一般具有矩形截面，这样，支持结构的宽度沿支持结构自顶至底基本相同。
这样的矩形支持结构所带来的一个问题是：支持结构地稳定性对给定的支持结构的宽度来讲是随深度的增加而减弱的。如果海上平台座落在一个地震可能性很高的区域，稳定性问题尤其突出。地震引起的海床的水平运动将的平台上产生一个倾覆力矩，倾覆力矩的大小与地震的力及平台高出海床的高度（例如水深）成正比，与支持结构的水平宽度或直径（视情况而定）成反比。在深水中，支持结构的宽度必须显著地增加，这不仅使结构复杂化，而且显著地增加了造价。
矩形框架结构带来的另一个问题是：由于方角和在结构角部周围湍急的气流，使得水平的抗震能力减小。这些缺点不论结构座落在海滩上还是海上都是存在的。
美国专利4，288，947号提出了一种组件式Y形框架结构件。美国专利3，995，897号提出了一种用以连接管子或其他管状结构件的管接头件。美国专利1，090，312;2，959，256;2，982，379;3，347，000;3，407，559;3，999，351;和4，480，414号以及法国专利2，306，318提出了各种类型的框架结构。
本的明的主要目的是提供一种改进的建筑结构。
本发明的另一个目的是加强支持结构的抗地震性能。
本发明还有一个目的是提供一种组件式支持结构，它可以由可连接的标准结构件构成。
本发明还有另外一个目的是提供一种采用相当轻的标准构件的组件式支持结构，它可以在现场作结构上的加强。
本发明进一步的目的是提供一种标准结构件，它可以在工厂中在严格的质量控制下制造，从而减少必须的野外工作量。
本发明还有一个进一步的目的是为减少构筑结构时的时间和成本。
一方面，本发明的具有多个水平空间构架层的组件式结构包括多组分立的组件式结构件，其数量与结构的层数相对应。每组分立的结构件具有基本上等长的第一、第二和第三管状分枝，它们相互连接构成一刚性的Y形的接合件，每对管状分枝之间具有各自的钝空间角。有一个第一连接件用来连接每组分立结构件对应的第一和第二管状分枝，使每组结构件的第一和第二管状分枝在结构的相应层上构成多边框架。有一个第二连接件用来在结构的相继各层处连接对齐的第三管状分枝。第三管状分枝相对于与对应的多边形框架垂直的垂直轴有一个预定的锐角，使对齐的管状分枝的相互连接形成结构的相应倾斜杆。
在一个实施例中，每个多边框架包括多个等长的水平杆，在各组结构件中的每根管状分枝的长度等于由该组结构件所构成的对应的多边框架的一根杆件的一半。在另一个实施例中，第一连接件包括多个第一接头件，每一接头件有一中心空腔，用来容纳第一结构件的第一管状分枝和与第一结构件相邻的第二结构件的第二管状分枝的各自的端，以连接第一和第二结构件的相应的第一和第二管状分枝，从而构成对应多边框架的一娇蚣芄辜Ｔ诨褂幸桓鍪凳├校诙蛹ǘ喔龅诙油芳扛鼋油芳幸恢行目浊唬美慈菽啥云氲囊欢缘谌茏捶种Φ南喽缘亩耍佣纬山峁沟那阈备恕Ｔ诮霞训氖凳├校扛鼋峁辜牡谝弧⒌诙偷谌茏捶种ο嗷チ有纬筛招缘腨形接合件，各个结构件中，每对管状分枝间的空间角为108°，108°和108°。
另一方面，本发明的组件式结构件包括第一、第二和第三梁，它们相互连接构成刚性的Y形接合件，每对梁之间具有各自的空间角。在多层空间构架结构的各层中，第一和第二梁构成各自的第一和第二水平框架件的相应部分。第三梁用来构成结构的垂直杆的相应部分，从而连接该层与相邻层。第一和第二梁在第三梁的第一和第二相对端之间的选定位置上与第三梁相交。第一和第二梁在它们各自与第三梁的相交的邻近处开有槽口，以将第三梁的一部容纳在槽口之中，以便至少使第三梁的一部分从槽口处向每个方向沿第三梁的主轴线延伸。在较佳实施例中，第一、第二和第三梁包括各个第一、第二和第三C形槽梁，每根槽梁具有一块基件和一对从基件突出的凸缘。
在又一方面，本发明的多个组件式结构件包括第一、第二和第三梁，如上所述，它们相互连接构成多层结构。结构中每个层包括一组分立的组件式结构件。有一第一连接件用来连接每组结构件的相应的第一和第二梁，以使第一和第二梁在结构的相应层上构成多边框架。第二连接件用来连接结构相继各层处的对齐的第三梁，从而构成结构相应的垂直杆。多个这种多层结构可以安排得使每个结构每层多边框架的被选择的部分基本上与各自相邻结构的的多边框架的对应部分相毗邻。此外，每个结构被选择的第三梁与在邻近结构的各自的角上基本上与相邻结构的相应的被选第三梁相毗邻。毗邻的第三梁相互联结在一起构成建筑结构相应的垂直杆。
再另外一个方面，本发明的具有多层水平空间构架层的组件式结构包括多个组件式结构件，每个结构件包括基本等长的第一、第二和第三管状分枝，它们相互连接构成刚性的Y形接合件，每对管状分枝之间具有各自的钝空间角。第一连接件用来在结构的相应层处连接相邻结构件对应的第一和第二管状分枝，以便使相邻结构件的第一和第二管状分枝的连接在结构的相应层上构成多边框架。第二连接件被用来在结构的相继各层连接对齐的第三管状分枝。第三管状分枝相对于与相应多边框架垂直的轴线成一预定的锐角，以便使对齐的第三管状分枝的连接构成结构相应的倾斜杆。
在一个实施例中，第一连接件包括多个第一接头件，每个接头件具有一中心空腔，以容纳第一结构件的第一管状分枝和与第一结构相邻的第二结构件的第二管状分枝的各自的端，从而连接第一和第二结构件的相应的第一和第二管状分枝，构成多边框架的水平框架构件。接头件包括多组分立的、其数量与结构层数相对应的接头件。所有同一组的接头件被设置在结构的同一层上。由于每一水平框架件的长度在结构中随着层次的降低而增长，所以最低层上的接头件最长，而设置在结构最上层的接头件最短。每个接头件的长度最好足以在沿对应水平框架件的各自的反弯点处连接相邻结构件的对齐的第一和第二管状分枝。
图1是本发明组件式结构件透视图;
图2是本发明的组件式空间构架结构的顶平面视图;
图3是组件式空间构架结构一层的顶平面视图;
图4A和4B分别是接头件的截面视图和端视图，该接头件用于连接组件式空间构架结构一层中的对齐的管状构件;
图5是相继各层对应的管状构件相互连接后的透视图，该连接构成了本发明结构的垂直杆;
图6为一立面图，显示相继各层相应的管状构件的连接，以构成本发明结构的垂直杆;
图7A和7B是接头件的截面视图和端视图，该接头件用于连接结构中相继各层处对应的管状构件，以构成本发明结构的垂直杆;
图8是本发明组件式空间构架结构的透视图;
图9是本发明用来支持海上平台的抗地震结构的立面图。
图10是本发明组件式空间构架结构的透视图，它具有水平的六边形横截面;
图11是个透视图，图中显示多个如图10所示结构联结在一起;
图12a和12b是本发明组件式结构件的另一实施例的透视图;
图12c和12d为组件式结构件相应分枝的各自顶和底的平面视图，这些分枝相互连接构成毗邻结构公共的垂直杆;
图13是图11的结构的透视图，它上面有一自支持可充气的拱形顶;
图14为图13所描述结构的顶平面视图;
图15为一种组件式空间构架结构的顶平面视图，它有一个基本上呈矩形的屋顶与之连接;
图16为一连接器的立面图，该连接器用于连接矩形屋顶与图15中所示的结构;
图17a与17b为一抱合式管接头的透视图，该管接头用于连接多层构筑物中构成框架组件的毗邻的管状分枝;
图18为本发明组件式结构件的另一实施例的透视图;
图19为组件式空间构架结构中各层上用以连接对齐的管状分枝的接头件的另一实施例的截面图;
图20为本发明组件式空间构架结构的另一实施例的顶平面视图。
在下述说明书的各附图中，相同的部件用相同的编号表示。图不一定按比例，在某些例子中，比例予以夸大，以便更清楚地描述出本发明的特征。
参见图1，组件式结构件10包括等长的第一、第二和第三管状分枝12、14和16，它们相互连接构成刚性的Y形接合件，每对管状分枝之间具有各自的钝空间角。每根管状分枝的端部是锥形（有一定斜度）的，以便能插进连接件之中，这一点将在后面作更详细的描述。每根分枝的近末端处设置有环绕的槽15，以配合连接件中的对应部分。每对分枝之间设置有凸出的耳状部分17，用来使系杆（支撑杆）或类似物与结构件10相连接，这一点后面将参照图8更详细地加以描述。在图1所示的实施例中，三个空间角可以从90°到120°变化。作为举例说明，图中（图1～图9）假定三个空间角各为108°。
参见图3，多个结构件10被相应的接头件18相互连接形成五角形的水平框架20。在图3中，五个结构件10在五角框架20的各自的角A、B、C、D和E处相连，使得相应的每个构件10的第三管状分枝16从框架20所确定的平面上向外向下悬垂，相应的第一和第二管状分枝相互连接形成框架20的构件。例如，被设置在框架20的角E处的结构件10的第一管状分枝12E与被设置在框架20的角D处的结构件10的相应的第二管状分枝14D对齐。每个接头件18有一个贯通延伸的中心孔腔，用于容纳每对对齐的管状分枝的相对端，就象的图4A中清楚地图示的那样。每个接头件18把一个构件10的相应的第一管状分枝12与一个相邻的构件10的相应的第二管状分枝14连接起来形成五角框架20。框架20的每一构件的长度近似地是每根管状分枝长度的两倍。
参见图4A和4B，每根管状分枝12或14的一端呈锥形，以便插进相应的接头件18的中心孔腔内。在每根管状分枝12、14的近末端处设置有环绕相应的管状分枝12、14的槽（见图1），以便配合接头件18的空腔中的相应的凸起部分22，从而把相应的管状分枝12、14锁定在接头件18中相应的预定位置上。在另一个实施例中，凸起部分可以设置在分枝12、14和16上，来替代凹槽15，用来与对应的接头件18的中心腔中的对应的凹槽相配合。一个中心孔24空着，以便预应力钢丝缆索的通过。接头件18有一个刚性隔板26夹在对齐的第一和第二管状分枝12、14的相对端之间。相应的凹槽与凸缘22之间的锁定在美国专利4，288，947号中有更详细的描述，援引在这里以供参考。
参见图5和图6，相应的第三管状分枝16通过相应量的接头件28相互连接在一起，形成基本上竖直的杆。每个接头件28最好与相应的结构件10形成整体，使接头件28的一部分延伸出相应结构件10的第一、第二和第三管状分枝12、14和16的交叉点之外，如图6中清楚地图示的那样。
参见图7A和7B，接头件28包括一个设置在中心鞍形物30，它在接头件28内形成了两个空腔32A和32B，用来容纳接头件28内的相应的第一和第二管状分?2和14。接头件28还包括一个中心隔板34，该隔板夹在邻近的结构件10的相应的第三管状分枝16与鞍形物30之间。上述结合图4A和4B描述的锁定结构，也用于把第三管状分枝16锁定在相应的接头件28中。
参见图2和图8，形如截去头的金字塔的组件式空间构架结构40是由多个结构件10相互连接而形成的，结构件10被分成N组分立的结构件10，对应结构40中的N层。在图2和图8中，结构40显示出了四层，每层由一个分立的五角框架组成。结构40的竖直的杆与相应的垂直于五角框架平面的垂直轴线有一个预定的倾角（锐角），以加强结构40的稳定性与抗地震性能。结构40的最上层五角框架在所有的框架中面积最小，层次越低，五角框架的面积越大。倾斜的杆由结构40中每层的对齐了的管状分枝16相互连接构成。
每个分立组中的每个构件10的管状分枝12、14和16的长度基本相等。例如，如果最上层的每根管状分枝12、14和16长L，则结构40中每层上的每根管状分枝12、14和16的长度近似为1.309（N-1）×L，其中N为整数，表示结构40中由最顶层数至最底层的层数。所以，结构40自顶至底的每个相继层之间，每根管状分枝12、14和16的长度近似增加30.9%。相似地，径线D′（如图3所示）在结构40中自顶至底的每个相继层之间近似增加30.9%。这可以通计算来算出，即每个五角框架的径线D′近似为3.0777乘以结构40中具体层次的管状分枝12、14和16的长度（例如：3.0777×1.309（N-1）×L）。所以，结构40最底层（例如N-4）的径线D′近似为6.9031L，而结构40的最上层（例如N＝1）的径线D′近似为3.0777L。
结构40可以通过在五角框架之间设置支撑件来加强，如图8所示，特别是在有地震、冰、水流、波浪和风力作用于结构之上的那些区域，这是必需的。还可以用板材复盖五角框架之间的空间。为了达到结构的刚性，如图6所示，管状分枝和接头件有一中心孔，可供预应力缆44穿过。填充材料，例如混凝土，可以注入管状分枝以进一步加强结构。
本发明的组件式空间构架结构40特别适合于支持结构在不利条件下进行的海上作业。参见图9，结构40可以作为海面下的结构来支持上部工作平台结构42。结构40一部分可以在岸上组装，然后运到工作地，在工地上装配，或者，结构40可以用构件10在作业地点就地装配。
结构的抗地震力可以用ph/Db来表示，其中，p为地震作用于结构上的横向力，h为结构的高度，Db是结构底层的直径。按照本发明的金字塔形结构使得结构的重心降低，通过增加基底直径，可以大大减少对结构抗地震力的需求。例如：一个自顶至底具有相同的约为3.0777L直径的矩形结构，其抗震力的需求约为ph/3.0777L。而一个按照本发明的六层金字塔形结构，当其顶层直径D′与前述的矩形结构相同时，其抗震力的需求约为ph/15.4833L。所以，基本上具有相同的顶层结构D′的本发明结构，其抗震力的需求约为一般矩形结构的五分之一。
组成本结构每一层的五角框架在圆形框架对水平力的抵抗能力与矩形框架结构的简便之间提供了一种最优的平衡。本发明的组件式空间框架的另一个优点是结构的每一层的角上由刚性组件式结构件所提供的刚性。与一般的销钉和螺栓连接相比较，组件式结构的对齐的分枝可以很快很方便地连接起来。本结构构件可以在工厂里按统一的规格在严格的质量控制之下制造，减少了在工地上的工作量。
刚性Y形结构构件的另一个优点在于水下焊接降至最少。众所周知，在海上平台结构中，野外焊接引起局部脆性区问题和热影响区问题，这造成了许多昂贵的海上平台的结构上的失败和损失。对岸上的结构施工来说，情况也是一样。
参见图10，一个组件式空间构架结构50包括垂直的杆和结构50中每层上的六边形空间框架，以形成一垂直的墙塔结构50。结构50基本上以与上述图1-9所描述的方式相同的方式构成，只是组件式结构件的管状分枝被设置成各自的空间角为120°、90°和90°，以形成一个具有六边形横截面和垂直杆的塔，而不是如上述图8所述的108°、108°和108°空间角。结构50适用于岸上的塔式结构。
参见图11，把多个垂直墙塔结构50，通过用钢缆或类似物联结各个结构50间的相邻的框架件，可以构成蜂房形结构60，以显著地加强整个结构60的抗地震性能。如图17a和17b所示的抱合式管接头61可以环绕相邻塔50的相邻管状分枝，以连接相邻的塔50，还可一个接一个地连接每一塔的管状分σ怨钩擅扛隽强蚣艿母髯缘墓辜１Ш鲜焦芙油?1可用来代替如图1-9中的圆柱状接头件18。抱合式管接头最好由绕在管接头61外面的钢带63加固。管接头61可包括凹槽61A，用来与相邻管状分枝上的互补的凸起部分相匹配，管接头61就绕在这些管状分枝上，或者，管接头61包括一个凸缘61B，用来与毗邻管状分枝上的互补的凹槽部分相匹配。
参见图12a-12d，一包括三个C形槽梁64、66和68的组件式结构件62，可替代具有管状分枝12、14和16的结构10来构成塔50和结构60。梁64、66和68基本等长且相互连接形成一个彼此间具有空间角的刚性Y形接合件。在实施例中，第一和第二梁64与66间的空间角为120°，第三梁68与第一和第二梁64与66间的各自空间角约为90°。梁64、66和68可以制造成一体，或者，第一和第二梁64和66可以制造成一体，在两根梁的交叉处开一个槽，以允许两根梁装配在第三梁68上并通过焊接或类似方法联接起来。第一梁和第二梁64和66与第三梁68的联接点在第三梁68的各自相对的两端之间，以便第三梁68的各自部分从开槽区沿第三梁68的轴线向两个方向突出。第一和第二梁64和66可以以各自的槽向内的方式设置，如图12a所示;也可以槽向外，如图12b所示。在这种方式中，第一和第二梁64和66构成结构中相应层上的各自水平框架件部分，第三梁68构成结构的相应的垂直杆部分。
本发明的另一方面如图12c和12d所示。蜂房结构60在相邻的塔50间可以有公共的垂直杆。一个公共杆可以通过端与端衔接的许多杆构件67构成。每个杆构件67包括三根梁68，它们最好沿它们各自的凸缘焊接在一起，在杆构件67上构成三个相连接的面68A，68B和68C，如图12C所示。三对相应的水平梁64A和66A，64B和66B以及64C和66C被连接在相应的连接面68A、68B和68C上，相邻的梁彼此邻接，如图12d所示，构成结构60的相应的角。焊条69至少部分向上延伸，从梁68各自的底端沿着三根梁68，在相邻的凸缘之间。焊条69把梁68稍微分开，使得三根梁68的底部（如图12d所示）比顶部宽（如图12c所示）。这个宽度上的不同能够使相应的一根杆构件67的顶部被容纳在相应的另一根杆构件67的底部内，以构成结构60的公共垂直杆。杆构件67可以通过焊接手段焊在一起。
相邻的一对梁64和66最好相互联接且与另一对梁通过角撑板（未画出）或类似物相互端与端连接，以构成结构60中每一层上的水平框架件。角撑板可用螺栓连接在梁的各个面上。角撑板横跨了相邻的一对梁之间的端与端的连接，以连接结构60各个角之间的一对梁。本领域的技术人员可以理解，角撑板有与如图1-9所示的接头件18相类似的功能。结构60可以通过穿过由相邻梁形成的闭合通道的钢丝缆索来预加应力。
参见图13，蜂房结构60可用来安装一个如在美国专利4，288，947和4，583，330中所述的预制可充气拱形结构。这两个专利援引在此以作参考。拱形结构70最好包括一六边形的顶72，以及相互交替的六边形和五边形板74和76，它们各自把顶72与结构60的最上层相连。一个专门的连接器（未画出）或类似物用于实现拱形结构70与结构60的最顶层之间的连接。图14示出了九个不同的连接点1-9，在这些点上，充气拱形结构70被连接在结构60的最顶层的相应的框架构件上。
参见图15和16，另外五个塔结构50加到了如图11所示的组成蜂房结构60的七个塔结构50上，以形成十二塔蜂房结构80。一个基本上是矩形的屋顶结构82可用来复盖蜂房结构80，如图15所示。图16图示了一个连接器84，它具有多个向上和向下突出的接头件86，以连接屋顶82和下面的结构80。拱顶70与矩形顶82从顶部到屋顶结构的连接点到其下的房屋结构有一定的坡度，以加强排水。由塔结构的六边形框架形成的屋顶结构的曲率与曲面角分散了吹在结构上的风力，减少了风力的影响。各个塔结构沿它们的公共垂直杆的相互连接和水平框架件在选择点上的相互连接加强了整个结构的抗风力与抗地震能力。
参见图18，图中所示的是本发明组件式结构件的另一实施例90。结构件90与上述图1-9所述的组件式结构件10基本相似，只是结构件90的管状分枝92、94和96具有有螺纹的端部92a，94a和96a，各自用来配合延伸件98的第一端98a的内螺纹并与之联接。延伸件98的第二端98b是锥形的，具有一环形部分99，如图19所示，用来配合接头件102内部的与之相匹配的槽103。以这种方式，结构件90的一根或多根管状分枝92，94和96是有效长度可根据需要增加，但仍然保持结构件90的组件式的特点，它简化了操作且提供了结构件90大规模生产的固有优点。耳状凸起部分100设置在管状分枝92、94和96之间各自接合点的邻近处，用以允许横向和纵向的撑杆（见图20）通过螺栓与之连接。
参见图19，接头件102用以连接塔形结构的相应层上邻近结构件90的对齐的管状分枝。在倾斜的塔形结构中，如上述图1-9所描述的结构40，每个水平框架件的长度取决于结构的层次数，就象前面所描述的那样。所以，当采用具有基本等长的管状分枝的组件式结构件90时，各个连接用的接头件102的长度就随它们在结构中所处的层次而变化，如图20中所清楚显示的那样。接头件102在每个端的附近有一环形槽103，以便与对齐的管状分枝92和94上的各自的环状部分相配合，从而在塔形结构的各个层上连接各个邻近的结构件90的对齐的管状分枝92和94。管状分枝各个被连接的相对端92a和94a可以是基本上在接头件102的内部相接触，或者，在对齐的管状分枝的各自的相对端92a和94a之间可留有一定的空隙，这取决于各个管状分枝的长度，由那些管状分枝确定的水平框架构件的长度，以及连接用的接头件的长度。接头件102具有多个从其上延伸的耳状凸起的部分，用以允许横向和纵向的撑杆（见图20）通过螺栓或其他方式与之连接。
参见图20，塔形结构106基本上与图2及图8中所示的结构40相似，只是相应的接头件102的长度随着其在塔形结构106中所处的层次的变化而变化。塔形结构106具有倾斜的杆，从而每根水平框架构件108的长度自结构的最上层至最下层相继地增加。这样，设置在结构最下层的接头件102的长度最长，而设置在最上层的接头件102长度最小，每个接头件102最好具有足够的长度，以连接沿相应的水平框架层的转折点附近的对齐的管状分枝。例如，转折点可以是相应的水平框架构件108，上从各个端起算的近四分之一（1/4），从而相应的接头件102的长度将至少为相应的水平框架构件108长度的二分之一（1/2）。如果水平框架构件108的长度及相应重量过大，那么，与图4A和4B所示相似的较短的接头件18可用来连接对齐的分枝，以构成相应的水平框架构件108。延伸部分109具有一锥形端，用以配合横跨在相邻接头件18之间的相邻接头件18的相匹配部分。撑杆件110被连接在接头件102的各个耳状凸起部分104和结构件90的耳状突起部分100上，以加强塔形结构106的结构刚性。
以上描述了本发明的种种实施例，很明显，对上述最佳实施例可以有多种变化和改变，但这些改变和变化仍落在本发明的本质、精神和范围之内，故本发明不限于上述举例说明的种种实施例，在下面的权利要求中所提出的，才是本发明的保护范围。