结构和建筑模型

本发明涉及一种三维结构和单元结构模型。更具体地，本发明的模 型适用于居民楼、商业楼、船只结构、航天结构以及家俱、运动场设施、 和装配设备或积木构件的设计、建造和组装。本发明的概念也可被引入 用于设计同类型结构的计算机软件。上面详细列举了本发明的可能应用 场合，经过下述的讨论本发明将会变得更加清楚，对本领域技术人员来 说，附加和更换的应用也会很容易明白。因此，本发明并不局限于上述 应用场合。

人所共知，许多设计专业在设计过程中利用模型。这些模型经常采 用建筑物、工业品和其它结构的形式。建筑师的采用这样的模型或样品 研究一定建筑物形状、轮廓的审美价值。在估价各种工业品如家具的潜 在价值方面，工业设计师也采用模型，国内设计师和艺术师经常使用各 种模型来描述一般的概念，从而在实际制造工作之前就预见顾客。此外， 孩子们喜欢在玩耍和创造性的努力中用积木建造他们自已的建筑物，车 辆，家具和其它产品。

为此，已提供了各种各样的设计元件、积木块和模型。作为一种简 单的积木块这些模型常常带有合理配置的沟槽和开口，其允许一个积木 块与具有互补特征的类似或不同形状的积木块相互连结起来。这些积木 块更普遍的是用于建造墙而不是整体建筑物或结构模型。这种相互连结 的单元结构块的例子如美国专利NO3546792中披露的那样，这些积木块 中的一些，实际上在正确的啮合位置相互咬合在一起，而另外一些依靠 与相邻的块嵌套在一起而形成一稳定结构。

拿更进一步的单元结构块来说，这样的单元建筑结构和系统已被提 出，即，许多预制的单元或盒状单元相互堆叠起来形成了建筑物的连续 楼层。这些单元具有这样的特点，即，允许各个单元相互连结起来并为 附加的或相邻单元所必须的配电系统、管道系统和通风系统提供检修服 务入口。典型地，在这些单元建筑结构中，单个单元预制成盒状，其内 部可被分隔开而形成不同的可变换的工作间和起居室。一些现有的设计 已利用这些单元或成角度的面积来使这些单元在系统构造中直接相互啮 合。美国专利NO3643390已描述了这种单元建筑结构。

然而，上述的结构模型便于对提出的设计进行目测和估价，通常， 它们仅为实验工作提出有限的可能性，在许多情况下，为建造一理想的 建筑物而经过一艰苦的工作过程之后，根据对完整结构的实际目测方 法，结果是被认为是理想的建筑物很多。

考虑到上述现有技术的局限和缺点，以及上面没有具体提到的缺 点，很明显，在建筑和工业设计领域仍需要一种改进的结构模型，可利 用这些模型并与另外的模型合并起来允许许多不同类型和体积的建筑物 和其它结构的安装和建造，这种可能性仅受到设计师的创造力和可得到 的模型数量的限制。

所以，本发明的主要目的是通过提供一三维的结构件或模型来满足 这种需要，该三维结构模型造型与众不同，它能与另外的模型以无限数 量的不同型式相互结合或套叠在一起。

本发明的另一个目的是提供一种结构和建筑模型，当这些模型绕各 种不同的轴转动时每一轮廓提供了另一种潜在的建筑或结构，所以这些 结构和建筑模型会呈现出不同的立体图样或轮廓。

本发明的进一步的目的是提供一种建筑和结构模型，其能够与多个 相同的模型结合和/或套叠起来，或者与其呈相反面的模型结合和/或套叠 起来，在不同的排列和组合中相邻设置或设置在其上方从而创造出体积 和外观不同的许多结构。

本发明的另一目的是提供一种包括九个元件或单元的结构和建筑模 型，(1)这九个单元相互配合并结合起来形成一个模型，这一模型当 其单独设置或与其它模型结合起来都可形成一稳定的模型，(2)它们 可以以单个元件形式被运送到建筑地点而组装形成一整体或部分模型。

本发明的又一个目的是提供一种结构和建筑模型，它能绕其水平中 心轴以每90°的增加量旋转从而显示出不同的轮廓和立体图。

本发明还有一个目的是提供一种由这样的单元形成的模型，即，其 每一单元的高度、宽度和长度具有相同的尺寸比例关系。因此，本发 明的特点是每一单元的高度与宽度基本相同并且约为每一单元长度的 三分之一。

为实现上述目的，根据本发明提供一种可互锁连接的结构和建筑 模型包括：九个单元，它们具有基本上相同的长度、宽度和高度，所 述单元沿长度方向具有相对的第一和第二端；两个所述单元相互之间 并排设置形成底层单元，所述底层单元的所述第一端部相邻并相互对 齐从而确定第一公共面，所述底层单元的第二端部相邻并相互对齐从 而确定第二公共面；三个所述单元形成中间层单元并置于所述底层单 元之上，其中两个中间层单元与所述底层单元相对应，并紧挨在其上 设置且从所述的底层单元沿长度方向偏移，使得所述两个中间层单元 向外延伸超出所述底层单元的所述第一端一定距离，形成一纵向外伸 部分，所述的中间层单元的第三个相对于另外两个中间层单元和所述 底层单元横向延伸，所述中间层单元的所述第三个单元的一部分延伸 超出所述底层单元之一的一横侧面并相对它形成一横向外伸部分并具 有一侧面，所述中间层单元的第三个单元具有与由所述底层单元确定 的第二公共平面齐平的一侧表面；三个所述单元形成顶层单元，它们 一起确定了所述模型的一共同的顶表面，每一个所述顶层单元基本上 直接位于所述的每个中间层单元的上方，因此直接与其相对应；以及 一最后单元，它沿与由所述底层、中间层和顶层单元确定的平面垂直 的轴延伸，所述最后单元置于使其侧面的一部分与由所述底层单元的 第一端确定的所述公共平面相重合且齐平，所述最后单元与由所述中 间层和顶层单元的第三个单元确定的横向外伸部分相距一段距离，该 距离与所述最后单元的宽度对应，且通常在它们之间形成一沟槽，所 述的最后单元也具有一对端面，其中一个端面与由顶层单元确定的顶 表面相重合且齐平，另一端面与由底层单元确定的底面相重合且齐平， 因此所述模型适合于与一个或多个其它模型互锁配合，从而能够设计 和构置包括陆地、海上和航天结构在内的各种各样不同结构。

简单地说，本发明的这样或那样的目的将通过提供一种可相互连 结或套叠的结构和建筑模型来实现，该模型包括由九个元件或单元组 成的物体。这九个单元以预定的方式相互联系并放置，以便形成基础 模型本身并也能允许单元的连续设置从而形成一部分模型，如果需要， 该部分模型可被随后完成，来满足一定的经济条件。

该基础模型包括九个矩形单元。每个单元可认为是由三个相同的 立方体组成，每个立方体与一个测量单位有关。因此，每一单元和模 型的平行面在各个方面都是相同的，根据该测量单位，它们以相同的 比例在相同的方向上膨胀或缩小。

对于整个基础模型的测量单位，当它们堆叠或放置在相互的旁边 时，也符合同样的方式。这个规则的一个例外是这种排列，即，同样 高度的两个模型堆叠起来并紧靠第三个模型，它们的整体高度等于堆 叠起来的模型高度在这种情况下，堆叠模型的测量单位等于二分之一 的相邻模型的测量单位。

该模型能够绕其x或y轴的任一轴旋转，呈“home”或“F” 轮廓(这样称是因为该模型的顶面类似字母F)，沿长度方向将两个单 元并排起来而形成该模型的底层。在中间层两个中间单元设置在该底 层单元的上方并沿长度方向与该底层单元对准，但是沿轴向这样位移， 即这两个中间单元相对于底层单元的一端形成一外伸部分。第三个中 间单元与该外伸部分相对设置并相对于底层单元横向排列，从而也形 成一横向外伸部分。三个顶层单元与三个中间层单元相一致设置。最 后一个单元相对于其它单元纵向排列，并设置成其一个侧壁与紧挨在 由沿长度方向排列的中间单元形成的外伸部分下方的底层单元形成的 那些端面共同形成一个平面。因此该纵向单元的对面一侧与由横向排 列的中间单元和顶层单元确定的横向外伸部分相隔开一个测量单位。 这样就在它们中间构成一沟槽。因此该最后的单元形成了“F”轮廓 的中间柱。

该模型适合于其一个模型的外伸部分和沟槽能与与其相同或相对设 置的另一模型套叠或者相互结合起来。此外，模型可以以相同的取向或 以90°的递增量绕X轴和Y轴旋转后而堆叠在另一模型上或相邻设置。 通过在一组结合起来的模型的最上端加上不同的屋顶轮廓线，就可以看 到各种各样不同结构、体积、和复杂程度及剖面的建筑物，可得到的不 同形状的数量仅受到用在建筑设计中的模型数量的限制。在不损害设计 结构整体性的前提下，还可以增加其它的模型。

当用实际建筑物的单元结构时，可保证建筑物结构的整体性，因为 没有一个该模型的外伸部分比超过紧挨在其下面的单元的端部的单元的 整个长度的三分之一长。值得注意地，无论模型绕两个指定轴的一个以 90°的递增量怎样旋转，至少一个单元按纵向延伸方向设置。因此，本 发明的结构和建筑模型总是具有一纵向检修井，它可用作结构的连续楼 层之间的检修服务井，电梯井或升降机井。

各单元的基本形状可在矩形盒状、圆柱形和半椭圆形之间改变。半 椭圆形可与其相邻和类似的半椭圆形结合而形成一合成的椭圆单元。这 些不同的单个单元形状可合并在一个模型中，进一步提供另外的设计能 力。此外，模型本身和各个单元可被扩大和拉伸或者缩小和压缩而提供 一具有另外的设计形状的模型。如果扩大或者压缩，每个单元长度与宽 度的比例应达到保证其最终模型或设计结构的结构整体性，并且保证其 与相邻的模型能合适地结合起来。

通过对本发明优选实施例和附加的权利要求的描述并结合附图，本 领域技术人员很容易明白本发明的优点和益处。

图1是本发明的两个设计模型的立体分解透视图，其中一个模型绕 另一模型纵轴Y旋转180°，并表示出这些模型的一种可能的相互有关 的配置；

图2是本发明的三维设计结构模型透视图，其中两个模型已相互连 接在一起，第三个模型堆积在其上；

图3表示图2所示的三个相互连接模型的带有屋顶轮廓，窗户和阳 台围栏的建筑物模型；

图4是采用本发明的四个设计模型的另外一种建筑物模型；

图5是当采用圆柱体结构单元建造时，按本发明的设计模型的另一 实施例的透视图；

图6是一航天模型，其中本发明的结构和建筑模型由圆柱体结构单 元构成；

图7是本发明设计模型的第三个实施例的透视图，其中一般由椭圆 复合单元构成的模型采用了半椭圆结构单元；以及

图8是采用图7所示的多个模型件模型。

现在详细看图，图1表示实施本发明原理的两个结构和建筑模型， 通常由标记号10表示。模型10表示具有各种结构特征(例如凸肩、切 口、槽及沟)的三维体12，这些特征允许一个模型10与另一模型的相 同面和相对面相互连接和叠垒在一起。如图1所示，模型10的左面呈 “F”轮廓。这样标计的轮廓易于由字母F的形状来辨认，字母F的形 状是由在这一位置的模型10的顶面形成的。

绕通常标记号为14的X轴和标记号为18的Y轴的两轴中的任一轴 以90°的递增量旋转，模型10会呈现出许多不同的轮廓或立体形状。 如图1所示，图右边的模型10已绕Y轴16相对于该图左边的模型10旋 转大约180°。

如图1中可更好地看出，模型10是由9个相同的成形单元组成。在 一个优选实施例中，该单元通常呈矩形或盒状，形状为这些矩形或盒的 长度是其宽和高的3倍。然而对于这些单元本身来说，它们可以是其它 的形状，并在下面进一步讨论，为清楚起见，这里特别描述呈矩形的类 似盒这种形状。相信在根据这种呈矩形的盒状单元进行讨论后，本领域 技术人员将会更加易于理解这些单元的其它可能形状。

在其F轮廓中且静止位置，构成模型10的九个单元中的八个通常 在三个平行的水平面内延伸排列。因此，该模型10有三层。两个单元形 成底层，下文中称为F轮廓中模型10的底层单元B1和B2。这些底层 单元排列成它们的长轴基本上平行于X轴14，并且相互之间并排相邻放 置。底层单元B1和B2通常包括第一端20和第二端22。这些底层单元 B1和B2互相相邻设置，这样一底层单元B1的第一端20与另一底层单 元B2的相应第一端20齐平从而形成了一构成。第一公共面24的平面， 类似地，底层单元B1和底层单元B2的第二端22相齐平，从而形成了构 成模型10的一端的第二公共面26。

置于每一底层单元B1和B2之上且沿长度方向与其交错排列的是两 个中间单元I1和I2。由于这些中间单元I1和I2相对于底层单元B1和 B2沿长度方向交错排列，因此，中间单元I1和I2的一部分形成了超出 第一公共面24和底层单元B1和B2的第一端20的外伸部分30。外伸部 分30的外伸量相当于该单元的宽度，因此仅仅是中间单元I1和I2整个 长度的三分之一。这就保证了利用模型10而设计的结构的结构完整性。

横向排列的中间单元I3设置在中间层且沿长度方向在外伸部分30 的对面。该横向中间单元I3横向延伸过两个底层单元B1和B2，一般在 外伸部分30的对面，因此，该横向排列的中间单元I3的长度的三分之 一确定一离开底层单元B1和B2一侧的横向外伸部分32。并且，该横向 外伸部分相当于一个单元的宽度，因而约为横向排列中间单元I3长度的 三分之一。此外，横向中间单元I3的外侧对应于底层单元B1和B2的第 二端22且与之齐平，而且位于第二公共面26。

模型10的顶层与中间层重复。因此，该顶层类似地包括一对并排的 顶层单元T1和T2，其纵轴与X轴14平行，和一个横向顶部单元T3， 其相对于纵向的顶层单元T1和T2横向延伸。因此该顶层直接位于中间 层之上，以便其基本上与中间层相一致，且确定一公共周界。

模型10的第九个即最后一单元这样设置，即，其长轴平行于Y轴 16，在这里被称作纵向单元V9。当该纵向单元V9相对于其余的单元合 适地放置时，它有一端或一表面与顶层单元T1-3的最上部表面一起确 定了该模型10的顶表面38。类似地，该纵向单元V9的下端与底层单元 B1和B2的底面一起确定了该模型10的底表面。而且该纵向单元V9设 置成使其纵向一侧与由底层单元B1和B2的第一端20确定的第一公共面 相齐平且相一致。因此，该纵向单元V9的相对的另一纵向侧与构成横向 外伸部分32的横向中间单元I3和横向顶层单元T3的那些部分相隔一个 单元的宽度，这就在它们之间构成一沟槽。

如由图1中所提出的那样，如图2所示，二个或多个模型10可相互 连接套叠，堆积在一起，以便获得所建议的设计的模型，因而使其视觉 印象可被测定和估价。如在图1中提出的那样，两个模型10绕Y轴16 相对于另一个旋转180 °，可被连接成这样，即，由纵向单元V9确定的 “F”的两个下方柱置于在对面的模型10上的沟槽38内，“ F”或横 向伸出部分32的上方柱形成最终结构的外侧部分。在这种最终结构中， 可以很容易地想到位于该结构中央的纵向单元V9将起到建筑物的升降 机井、电梯井、和各种用电、通风和电话系统的检修井的作用。此外， 根据与最终结构或建筑物的一层相应的每一层的需要，底层单元B1和 B2，中间单元I1-I3以及顶层单元T1-T3可被分隔成多个房间和门 厅。通过仅仅变更该结构的房顶线并在各种不同位置增加窗户，就可易 于预见并描述出一建筑物。这在图3和图4中进一步描述。

在图2中，利用三个模型就可完成图3中更详细地表示的模型建筑 物结构40。如图2所示，图1中右边的模型10′已沿X轴14移动相当 于两个单元宽度的距离，然后它与对面的模型10相配合，因此，右边的 模型10′的横向伸出部分32置于另一模型10的沟槽38内。此外，第 三个模型10”以相同的排列方向叠加在第一个模型10的上方。这就在纵 向增加了最终结构40的高度。

如图3所示，通过组合变化的房顶轮廓线42窗户44以及象阳台围 栏46、门48、凉蓬50和电梯52这样的其它结构，就可很容易建造出 一完成的建筑物40。实际上，仅仅在给由多个模型10确定的结构上增 加房顶轮廓线允许一有经验的建筑设计师用肉眼说明和评价这一最终建 筑物的建筑艺术。

这可由图4得到进一步的证实，图4中利用4个模型10建造一更复 杂的模型建筑物60。

模型60是由4个模型10绕X轴14和Y轴16经过多种旋转并相互 叠加而成的最终结构。前面两个模型10分别具有相同的排列方向并相互 堆叠起来。所以，图1中的前面模型沿逆时针方向绕X轴旋转180°， 绕Y轴旋转90°。后两个模型10具有相反轮廓且顺时针旋转90°的相 对着的模型。

现在看图5，描述了一模型100，其中与前述的盒状矩形形状不同， 每一个单元呈圆柱形。同以前的单元类似，图5中每一单元的直径是该 单元长度的三分之一。模型100呈F轮廓且类似设置的单元用类似的标 记号表示。在图6中，描述了一由许多个图5中所述的模型100设计而 成的航天结构140。很明显，结构140中的一些模型100已绕它们各自 不同的轴旋转和/或提供了与其相对着的模型，从而形成了所示结构。可 以相信，每个单元的圆柱体特性提供了一适合应用于航天的可行的单元 形状。例如，人所共知，圆柱体结构当空气充入支撑结构时适合于使它 们合并起来，这就提供了高度的结构完整性，易于在航天容器内输送， 例如象单一功能的火箭和象N.A.S.A宇宙飞船这样的多功能轨道飞行 器。这种圆柱体结构也可由两层或者打气膨胀起来或者充满泡沫绝缘体 的外部物形成。

按照本发明的模型的第三个实施例通常由图7来描述并用标记号 200来表示。在第三个实施例中，大部分的单元具有半椭圆或半圆形结 构，该结构允许与其最邻近的单元结合起来而形成一圆柱体结构或椭圆 体结构。另外，在中间层和顶层的一些单元既可以和在同一层邻近的单 元相结合又可以与相邻层的纵向邻近单元相结合。与前述实施例一样， 为了便于理解和更加清楚，各种相应的单元用类似的标记号来表示。

图8表示一结构240，该结构由许多如图7所示的模型200形成。 这种椭圆体形状的复合单元构成了具有更加现代的外观的最终结构 240，某一个人和/或文化团体会发现这种结构比前面提到的矩形盒状单 元或圆柱体单元更加令人满意。然而，容易理解，本发明的每一单元可 采用各种不同的形状，且每一具体形状并不局限于某一给定的应用场 合。

这里所示的是，只要每一单元的长度和宽度也相应地伸长而满足它 们之间理想的尺寸比例关系，模型10可沿Y轴拉长，该尺寸比例关系允 许一个模型10与已类似地伸长的另一模型10相互配合。

当实际上建造一建筑物时，本发明的模型这一概念可用于首先建造 九个单独的单元并将它们组装成模型的样式从而形成一最终结构。因 此，没有将每一单元置于一特殊位置这种具体需要，因为所有的单元可 相互交换，所需遵守的唯一系统工艺规程是保持这九个单元的整体性。 然而，实际上省略一些个别单元(如顶层)而进一步改变这一最终结构 也是可以的。因为当合适地给出这一模型10，无论其绕各轴如何旋转， 它总是具有一纵向单元，任何的最终结构都可以将这一纵向单元用作最 终建筑物的检修井、电梯或升降机井。对于前面提到的设计模型，各个 单元的尺寸比例关系保证了最终的整个建筑物具备结构完整性。进一 步，在不破坏前面结构完整性的前提下，该建筑物可进一步增加一些其 它东西。一旦已完成单元的一层，分隔这些单元的内部隔墙可更改而增 加或改变每层的地板空间，以便提供门厅和工作间。这对于航空和海上 基本应用方面也是同样可以的，在这些领域，只能运送相互分离的各个 单元然后将其组合起来而形成一模型结构。

在建筑施工中，预制和/或传统的建筑施工工艺均可被采用。从质量 控制观占出发，前者被证明是更加经济、有效和可协调的，因为预制结 构和格子组件易于进行批量生产从而保证具有相同的长度、体积和轮廓 造型。同样的原理适用于长度与宽度之比和长度与高度之比已增加或缩 小的单元或模型。这种基础模型的比例为结构的柱/横梁位置作好准备， 这是预先确定的。这些结构元件在整个模型中是连续的且与相邻模型的 类似结构元件相一致。

当上述的基础模型在前述的长度方向、横向、纵向中的任一方向或 在前述的所有方向同时被延伸时且当模型或单元被伸长时，所有的横梁 和柱的位置保持相互之间成比例设置。这种基础的比例关系及相应的伸 长或缩小也适合于一个以上的模型堆叠在另一模型之上的情形。通过控 制最下层模型的尺寸，位于其上面的模型也相应地被控制，一个模型相 对于另一模型的柱或横梁的位置之间的关系保持不变。

按本发明建造的纵向竖井也可包括比模型本身高的纵向柱或框架。 这就允许使该柱用作结构塔或升降架的一部分，建造在结构的上方部 分，并且允许由正在建造的建筑物的上方部分占据该建筑物的下方部 分。该柱也可用于组成该模型的两个结构之间的建筑物的“悬挂”部分。

上面描述的是本发明的优选实施例，可以理解，在不超出附加的权 利要求的范围和精神的前提下，本发明允许作一定的改进和变形。