技术领域
[0001] 本
发明属于浮岛技术领域，特别涉及一种具有气囊和空间网架的人工浮岛及其制备方法。
背景技术
[0002] 为拓展
生存空间或者发展海洋事业，人类一直致
力于人工浮岛的发展和革新。人工浮岛是漂浮于
水面或者海洋上面的人造岛屿。古代的乌鲁斯人利用芦苇在卡卡湖建成岛屿和房屋，罗尼西亚的南
马都尔和苏格兰凯尔特人的湖上
居所crannoge被认为是人类早期所建的人工浮岛。现存的最早期人工浮岛位于玻利维亚和秘鲁交界高原上的喀喀湖。在喀喀湖的一座座漂浮芦苇岛上，人们建起了房屋、学校甚至于广播站。
[0003] 1995年发生阪神大
地震之后，日本人工浮岛的研发进入活跃期，目标是在海面建设成耐震性较高的防灾基地。目前日本有三个原本供羽田海上机场实验用的小型人工浮岛，分别位于是静冈市清水湾的海上垂钓公园、兵库县南淡路市的“涡潮人工浮岛海上垂钓公园”和三重县南伊势町的“熊野滩海上公园”。
[0004] 2010年2月6日在韩国首尔建成的3座浮岛，是世界上首个真正意义上也是目前全球最大的人工浮岛。
[0005] 发展海上人工浮岛具有十分重要的意义。由于
气候变暖造成
冰山融化等因素，全球海洋洋面将会在21世纪上升20到90厘米，为了让100年后人类不遭受灭顶之灾，法国建筑师设计了一艘名为“丽丽派德”(Lilypad，百合花瓣之意)的人工浮岛，它犹如一朵巨大的百合花盛开在海面上，可供5万人同时居住，作为未来版的诺亚方舟。
[0006] 另外，地球上四分之三的面积是海洋，建设海上城市是解决人类居住问题的重要途径。海上城市每一座可容纳3万人左右，美国在离夏威夷不远处的太平洋上计划修建一座海上城市，把机械和动力装置安置在底层，将商业中心和公共设施设置在四面体内部，上层的临海部位是居住区，运动场设置在甲板上，一些无害的轻工业厂房也可以设置在上面。
[0007] 美国、加拿大和日本都先后提出“浮岛式航空母舰”的构想。所谓浮岛式航母其实就是一个浮动的海军战略航空基地。由于浮岛式航母只是一种平台或基地的概念，所以在设计思想上不再强求其他战术技术指标，不要求高航速，不苛求配备强大的攻防火力和武器。加拿大和日本设想的浮岛式航母基本是固定式建筑，相当于在海上建造一个小型飞机场，跑道长1000米左右，可供各种飞机安全起降，而造价只有几亿美元。美国设想建造一个排水量50万吨，全长900米、宽90米、高60米，可搭载300-500架各种类型的陆基飞机，航速6节。它由6个独立的组装模组拼接而成，其飞行甲
板面积比10万吨级的尼米兹级航母还大三倍，进驻的飞机数量当然也多3倍。由于浮岛式航母上起降的飞机作战半径都很远，所以在作战方面，浮岛式航母和类似于冲绳基地这样的海、空军基地一样，远离战区，不进入有威胁的海域，不直接参加战斗任务，因此比较安全。美国海军计划在2020年前建造2-3艘。
[0008] 这种浮岛式航母的原意是“浮动式海上基地”(MOBS)，预计造价12亿美元，可作为海上前进基地或舰船、飞机的运补和维修基地。在浮岛式航母上，包括C-130在内大多数飞机几乎都能安全
起飞和降落，而无须复杂的弹射和阻拦装置。
[0009] 和平时期，可以利用浮出水面的岛礁或不能浮出水面的珊瑚礁盘建造或部署几个这样的固定式海上基地，完全是民用性质，可将其划归某个地方政府管辖，民用
船舶、民航飞机和海洋石油开发部
门都可利用这样的浮岛进行海洋开发、渔业捕捞、空中航运、油气勘探、海洋调查、海上救援、物资补给、机械设备维修和人员的医疗救护等，也可开辟海空旅游航线，当然在需要的时候军队可紧急征用，作为军事基地支援海上作战。
[0010] 2015年，中国开发的桁架式超大型海上平台技术已经获得重大突破，由冀东发展集团开发的国际级重大项目桁架式超大型海上平台项目进展顺利。
[0011] 根据以上所述，建设超大型海上人工浮岛，世界各国研究人员对其进行了诸多研究，并提出了多种解决方案，但总体来看，超大型浮岛式航母基地还没有真正建成。
[0012] 中国实用新型
专利“人工浮岛”(公开号：CN209700888U)公开了一种人工浮岛，包括第一
箱体、
钢板、
不锈钢外壳、
角铁、第一槽钢、塑料
泡沫、连接螺丝、沉头螺丝、第二箱体和第二槽钢，第一箱体和第二箱体均有不锈钢外壳组成，第一箱体和第二箱体通过连接螺丝固定连接，第一箱体和第二箱体的顶部均连接有钢板，钢板的顶部等距设有沉头孔，钢板和第一箱体及第二箱体均通过沉头螺丝连接，第一箱体和第二箱体的内壁均固定连接有角铁，第一箱体和第二箱体内部位于角铁的
侧壁均固定连接有第一槽钢，且第一箱体和第二箱体内部均固定连接有第二槽钢，第一箱体和第二箱体内位于第一槽钢和第二槽钢之间均填充有塑料泡沫，此浮岛既能在
海水浸泡约50年不坏，又能承受几十吨压力，结构简单，便于使用；该实用新型通过第一箱体和第二箱体的拼接组成人工浮岛，其承载力以及建设规模仍需提升。
发明内容
[0013] 本发明的目的是针对上述
现有技术的不足，提供一种具有气囊和空间网架的人工浮岛及其制备方法，提高人浮岛的承载能力以及规模。
[0014] 为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0015] 一种具有气囊和空间网架的人工浮岛，它包括至少一个基本单元，基本单元拼接组成人工浮岛且相邻基本单元间采用连接模
块拼装连接；
[0016] 所述基本单元包括气囊装置、空间网架结构以及设于空间网架结构上方的
支撑平台，而空间网架结构固设于气囊装置上方；
[0017] 气囊装置包括沿横向间隔布设的若干气囊以及横向架设于气囊上方的气囊连接板，气囊连接板上开设有若干弧形槽，且气囊对应配设于弧形槽中，而气囊连接板沿气囊的轴向间隔设有多个并将气囊连接在一起；
[0018] 空间网架结构采用双向
正交正方
桁架结构，且双向正交正方桁架结构的上端部与下端部均设有用于固定的连接件，并通过连接件相应的与上方的支撑平台固定以及下方的气囊连接板固定。
[0019] 所述连接模块包括高强
螺栓，且气囊连接板以及各连接件上均开设有
螺纹孔；
[0020] 基本单元拼接时，将气囊连接板及连接件各自相应同轴对应拼接，并采用高强螺栓依次穿过
螺纹孔固定。
[0021] 所述气囊连接板包围气囊的角度大于180°。
[0022] 所述基本单位呈阵列拼接构成使用单元，使用单元呈阵列拼接构成平台基地。
[0023] 所述双向正交正方桁架结构包括上弦层、下弦层、竖腹杆和斜腹杆；
[0024] 上弦层包括沿横向平行间隔排布的上杆件，下弦层包括沿横向平行间隔排布的下杆件，且下杆件与上杆件对应处于同一竖直面并通过沿竖向间隔布设的竖腹杆连接，而上杆件之间还垂直固定搭设有横梁；
[0025] 斜腹杆沿对角线设于相邻的竖腹杆之间且对应面的斜腹杆呈正交状设置。
[0026] 位于双向正交正方桁架结构心部的中间竖腹杆的直径比位于双向正交正方桁架结构外部的临边竖腹杆的直径大。
[0027] 所述上杆件与下杆件均采用H型杆件。
[0028] 所述支撑平台采用
混凝土板并与空间网架结构的上弦层贴合布设。
[0029] 具有气囊和空间网架的人工浮岛的制备方法，包括以下步骤：
[0030] (1)依据设计尺寸制备各构件；
[0031] (2)将各构件运输至码头，并运到
指定位置；
[0032] (3)安装基本单元：
[0033] 首先，摆放气囊连接板，将未充气的三个气囊安装在气囊连接板上，随后进行充气，并根据充气情况适当调整；
[0034] 随后，在气囊连接板上依次安装空间网架结构的下弦层、竖腹杆和斜腹杆以及上弦层；再后，安装支撑平台；
[0035] (4)将基本单元吊入海面，并重复以上步骤安装下一个基本单元；
[0036] (5)将安装好的下一个基本单元吊入海面，同海面上已有的基本单元进行连接；
[0037] (6)重复步骤(3)～(5)，将基本单元呈阵列拼接构成使用单元；
[0038] (7)采用下锚的方式在安装海域固定：将预制好的铁锚固定在海底，并用多根铁链将其上端与气囊连接板连接；
[0039] (8)重复过程(3)～(6)，将使用单元呈阵列拼接构成平台基地。
[0040] 具有气囊和空间网架的人工浮岛的制备方法，步骤(6)中，使用单元的宽度方向为3个基本单元，使用单元的长度方向为7个基本单元；
[0041] 步骤(8)中，平台基地的宽度方向为10个使用单元，平台基地的长度方向为10个使用单元。
[0042] 本发明的有益效果是：
[0043] (1)该具有气囊和空间网架的人工浮岛及其制备方法，依靠气囊排水提供
浮力，与钢桶排水方案相比，属于柔性结构，气囊轻质高强，可根据需要通过气压调节气囊的排
水体积，不存在
腐蚀问题，受到海底大型动物撞击后可自动弹回形状，通过充气成形的方案便于安装和成形，放气后便于拆卸和更换，备用的气囊占用的体积极小。
[0044] (2)本发明的人工浮岛结构中部承载结构体系采用空间网架结构，网架结构为三向受力的空间结构，受力合理，可以跨越较大的跨度，节约钢材；网架结构整体
刚度大、
稳定性好、安全储备高，能有效地承受各种非对称荷载、集中荷载、动荷载的作用，对局部荷载有较强的适应能力，并有良好的整体性。
[0045] (3)本发明的人工浮岛结构采用装配式结构组装成形，无需大型装备便可以在海上安装成型，由基本单元可以向外任意扩展，尺寸不受限制，通常按照长度方向扩展7个基本单元，宽度扩展3个基本单元，形成119米×51米的使用单元，若干的使用单元再连接在一起形成超大基地平台。
附图说明
[0046] 图1是基本单元的结构示意图；
[0047] 图2是气囊连接板的结构示意图；
[0048] 图3是空间网架结构的结构示意图；
[0049] 图4是基本单元间的装配图；
[0050] 表1是基本单元内构件材料表。
具体实施方式
[0051] 以下由特定的具体
实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本
说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
[0052] 本发明提供了一种具有气囊和空间网架的人工浮岛及其制备方法，如图1至图4所示。
[0053] 该具有气囊和空间网架的人工浮岛，它包括至少一个基本单元，基本单元拼接组成人工浮岛且相邻基本单元间采用连接模块拼装连接；
[0054] 所述基本单元包括气囊装置1、空间网架结构2以及设于空间网架结构上方的支撑平台3，而空间网架结构2固设于气囊装置1上方；
[0055] 气囊装置1包括沿横向间隔布设的若干气囊11以及横向架设于气囊上方的气囊连接板12，气囊连接板12上开设有若干弧形槽121，且气囊11对应配设于弧形槽121中，而气囊连接板12沿气囊11的轴向间隔设有多个并将气囊11连接在一起；优选的，气囊连接板包围气囊的角度大于180°。
[0056] 空间网架结构2采用双向正交正方桁架结构，且双向正交正方桁架结构的上端部与下端部均设有用于固定的连接件，并通过连接件相应的与上方的支撑平台3固定以及下方的气囊连接板12固定。
[0057] 本实施例中，所述连接模块包括高强螺栓，且气囊连接板12以及各连接件上均开设有螺纹孔；基本单元拼接时，将气囊连接板12及连接件各自相应同轴对应拼接，并采用高强螺栓依次穿过螺纹孔固定。
[0058] 同时，所述基本单位呈阵列拼接构成使用单元，使用单元呈阵列拼接构成平台基地；具体的，基本单位拼接时，使用单元的宽度方向为3个基本单元，使用单元的长度方向为7个基本单元。
[0059] 所述双向正交正方桁架结构包括上弦层、下弦层、竖腹杆24和斜腹杆25；上弦层包括沿横向平行间隔排布的上杆件21，下弦层包括沿横向平行间隔排布的下杆件23，且下杆件23与上杆件21对应处于同一竖直面并通过沿竖向间隔布设的竖腹杆24连接，而上杆件21之间还垂直固定搭设有横梁22；优选的，位于双向正交正方桁架结构心部的中间竖腹杆的直径比位于双向正交正方桁架结构外部的临边竖腹杆的直径大，且上杆件21与下杆件23均采用H型杆件，方便拼接时杆件之间的架设以及固定。
[0060] 斜腹杆25沿对角线设于相邻的竖腹杆24之间且对应面的斜腹杆25呈正交状设置；所述支撑平台3采用混凝土板并与空间网架结构2的上弦层贴合布设。
[0061] 本发明所举实例中，超大人工浮岛平台总长1190米，总宽度510米，其
中底部气囊11直径为5米，由气囊11中心到支撑平台3表面高度位8.8米。
[0062] 具有气囊11和空间网架的人工浮岛的制备方法，包括以下步骤：
[0063] (1)依据设计尺寸制备各构件，具体尺寸如表1所示；
[0064] (2)将各构件运输至码头，并运到指
定位置；
[0065] (3)安装基本单元：
[0066] 首先，摆放气囊连接板12，将未充气的三个气囊11安装在气囊连接板12上，随后进行充气，并根据充气情况适当调整，且气囊11的端部均
外延设有连接部并通过高强螺栓与气囊连接板12固定；
[0067] 随后，在气囊连接板12上依次安装空间网架结构的下弦层、竖腹杆24和斜腹杆以及上弦层；再后，安装支撑平台，即混凝土板；
[0068] 表1基本单元内构件材料表
[0069]
[0070] (4)将基本单元吊入海面，并重复以上步骤安装下一个基本单元；
[0071] (5)将安装好的下一个基本单元吊入海面，同海面上已有的基本单元进行连接；
[0072] (6)重复步骤(3)～(5)，将基本单元呈阵列拼接构成使用单元；
[0073] (7)采用下锚的方式在安装海域固定：将预制好的铁锚固定在海底，并用多根铁链将其上端与气囊连接板12连接；
[0074] (8)重复过程(3)～(6)，将使用单元呈阵列拼接构成平台基地。
[0075] 其中，步骤(6)中，使用单元的宽度方向为3个基本单元，使用单元的长度方向为7个基本单元；步骤(8)中，平台基地的宽度方向为10个使用单元，平台基地的长度方向为10个使用单元。
[0076] 该实施例中，气囊处于气囊连接板12下部的弧形槽内，气囊未充气膨胀前，通过高强螺栓与气囊连接板12的下翼缘连接，之后充气达到预定气压后与气囊连接板12紧密
挤压，且气囊连接板12包围气囊的角度优选为240°，可有效防止气囊在海水的冲击下离开气囊连接板12，使用的气囊在河南天元装备股份有限公司厂房内生产，该种气囊已经生产了多批，并已应用于
水坝等工程实践中。
[0077] 气囊连接板12把气囊连接在一起，沿着气囊的长度方向每隔5米设置一道，气囊连接板12的上部安装空间网架结构。优选的，气囊连接板12选用
耐候钢Q355NH钢材，由上部翼缘、
腹板、下部环向翼缘在钢结构工厂内
焊接组成，上部翼缘的钢板长度为17米，宽度为400mm，厚度为40mm；翼缘在与网架的竖腹杆24连接处开设有螺栓孔，螺栓孔的直径21.5mm，螺栓孔的中心距离边缘25mm；腹板的厚度为40mm，长度为17米，高度为4.25米，开设有三个大孔，孔的直径为5米，用于包住气囊的三分之二周；下部环向翼缘沿着圆孔边界设置，厚度
40mm，宽度200mm，在孔的弧顶处开设两个螺栓孔，直径21.5mm，孔的中心距离外边缘50mm，对称布置，螺栓通过该孔连接气囊。
[0078] 气囊连接板12的上方为空间网架结构，本实施例中，空间网架结构的形式采用双向正交正方桁架类型的网架，如图3所示，正中间的网格长度为5米，宽度为5米，四个角处网格长度6米，宽度为6米，其余位置的网格长度6米，宽度5米；网架的高度为5米；双向正交正方桁架结构分为上弦层、下弦层、竖腹杆24和斜腹杆，H400×400×20×40mm截面钢布置于气囊连接板12上面，作为网架的下
弦杆件；最中间的四根中间竖腹杆采用直径300mm，厚度12mm的钢管，其余临边竖腹杆采用直径200mm，厚度10mm的钢管；斜腹杆统一采用直径
180mm，厚度6mm的钢管；杆件材料采用耐候钢Q355NH；网架的上弦杆采用H400×400×20×
40mm截面钢，相垂直的方向布置320×320×20×20mm的横梁，在上弦
节点及跨中共设置7榀，上面铺40mm厚、宽度100mm的钢板，使得混凝土板的下表面与钢梁上表面平齐无缝隙；竖腹杆24的上下端部边缘设置
法兰，通过8个高强螺栓与上下翼缘连接；竖腹杆24端部侧面焊接有
耳环，斜腹杆两端设置耳板，通过螺栓与耳环连接。
[0079] 空间网架结构的上面布置预制
钢筋混凝土楼板，楼板厚度200mm，采取双向配直径12mm的受力筋，HRB400级别，钢筋间距150mm；边长5米的方形楼板1块，边长6米的方形楼板4块，边长5和6米的矩形楼板4块，每块楼板的边缘下侧预埋M20的螺栓，安装时通过下部型钢的上翼缘预留孔，拧紧后与下部钢结构稳固连接。
[0080] 上述基本单元安装完成后，两个基本单元通过高强螺栓连接，向外扩展，按照长度方向扩展7个基本单元，宽度扩展3个基本单元，形成119米×51米的使用单元；采用上述方法，可重复安装下一个使用单元，使用单元与使用单元之间通过荷载缓和连接的方式连接在一起，如图1所示；若干个使用单元连接后，形成超大基地平台。
[0081] 根据以上所举实例，经过数据计算分析可知，本发明的超大型可装配的人工浮岛2
排水量大，单位面积排水量达到12.2立方米，设计使用荷载达到30kN/m ，可满足各种使用需求，且结构自重轻，基本单元的钢结构用量120.01吨，用钢量较低，具有良好的抗击台
风能力，适用于深海养鱼、人造城市、海洋资源开发、中转平台等各种海上作业平台。
[0082] 本发明的人工浮岛结构依靠气囊排水提供浮力，与钢桶排水方案相比，属于柔性结构，气囊轻质高强，可根据需要通过气压调节气囊的排水体积，不存在腐蚀问题，受到海底大型动物撞击后可自动弹回形状，通过充气成形的方案便于安装和成形，放气后便于拆卸和更换，备用的气囊占用的体积极小。
[0083] 本发明的人工浮岛结构中部承载结构体系采用空间网架结构，网架结构为三向受力的空间结构，受力合理，可以跨越较大的跨度，节约钢材；网架结构整体刚度大、稳定性好、安全储备高，能有效地承受各种非对称荷载、集中荷载、动荷载的作用，对局部荷载有较强的适应能力，并有良好的整体性。
[0084] 本发明的人工浮岛结构采用装配式结构组装成形，无需大型装备便可以在海上安装成型，由基本单元可以向外任意扩展，尺寸不受限制，通常按照长度方向扩展7个基本单元，宽度扩展3个基本单元，形成119米×51米的使用单元，若干的使用单元再连接在一起形成超大基地平台。
[0085] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的发明范围内。本发明要求保护范围由所附的
权利要求书及等同物界定。
[0086] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“中心”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
