本公开涉及用于制作穹状结构单元的模具和使用其的方法。
背景技术：
类似于半球或空心上半球的结构通常称为穹顶。由各种材料制成的穹顶结构具有很长的建筑世系。它们的普遍使用产生了许多类型和变化，例如洋葱型穹顶、牛腿型穹顶、网格穹顶、椭圆形穹顶、多边形穹顶、帆型穹顶、蝶形穹顶、伞形穹顶等。
应急避难所是为居民建造并且在人为或自然灾害(例如火灾、洪水、龙卷风或地震)期间或之后居住的结构。在例如龙卷风等某些灾害中，幸存在很大程度上取决于应急避难所的机械强度和质量。市场上供应的能适用于个人使用的临时应急避难所(例如廉价的帐篷)缺乏必要的强度、耐用的质量以及在自然灾害期间幸存的环境适应性。克服临时避难所的不足中的一些的应急避难所通常主要是为了其他目的所建造，例如学校、教堂、体育馆等。它们造价更高且更难以建造、实际上并不为家庭所有并且在灾情期间需要生存的人有时在附近找不到它们。
球形球或圆球是三维物体，其具有在三维空间中表征为正圆形几何物体的球面。球面具有点集，其离空间中的指定点全部是相同距离，称为球的半径r。该指定点称为球心。连接完全处于球上的两个点的最短路径是经过那些点的大圆的劣弧。在球上，大圆的弧的圆心角是半径从弧的每端到球的中心所跨越的角度。球的平截面是圆形。球的大圆(也称为大圆弧或黎曼圆)是球与经过该球的中心点的平面的交集，其与平面不需要经过中心的球的广义圆相对。球可以被经过它的中心的任何平面分成两个相等的半球。
球形球在许多方面都是独特的。例如，与其他三维物体相比，球形球对于最小表面面积具有最大体积：球在包封指定体积的所有表面中具有最小表面面积并且它在具有指定表面面积的所有封闭表面中包封最大体积。
由于上面的原因，类似于半球的穹顶结构可以具有较低的构造材料消耗、较低成本、较高封闭空间供使用、较高结构强度和更好的安全性的益处。然而，构造穹顶结构是困难的，因为最大障碍之一是提供与半球的结构相似性。如此，对于预先制造的穹顶结构单元的模具可以解决该问题，并且可以在例如应急避难所、建造建筑物或玩具等领域中提供广泛应用。
技术实现要素：
本文公开用于制作穹顶结构单元的模具，其包括：第一模具件、第二模具件、第三模具件；该第三模具件配置成夹在第一与第二模具件之间并且与它们一起组装；其中第一模具件、第二模具件和第三模具件的装配件配置成形成模具腔；其中第三模具件包括多个侧壁板；其中在第三模具件与第一和第二模具件一起组装时，该多个侧壁板与相同的球面垂直。
根据模具的实施例，第一模具件包括第一球面。
根据模具的实施例，多个侧壁板中的每个包括与第一球面相符的端面。
根据模具的实施例，第二模具件包括第二球面。
根据模具的实施例，多个侧壁板中的每个包括与第二球面相符的端面。
根据模具的实施例，模具腔的横截面在形状上是等边三角形。
根据模具的实施例，模具腔的横截面在形状上是三角形。
根据模具的实施例，模具腔的横截面在形状上是等腰梯形。
根据模具的实施例，第三模具件包括三个或以上侧壁板。
根据模具的实施例，模具进一步包括多个紧固件，其配置成使多个侧壁板彼此联接。
根据模具的实施例，模具进一步包括多个紧固件，其配置成使多个侧壁板与第一模具件或第二模具件联接来形成模具腔。
根据模具的实施例，多个侧壁板包括多个直通孔。
根据模具的实施例，第二模具件包括用于与第三模具件联接的多个定位孔。
根据模具的实施例，多个定位孔包括第一组的四个定位孔，其在第二球面的第一大圆的第一劣弧上。
根据模具的实施例，多个定位孔包括第二组的两个定位孔，其在第二球面的第二大圆的第二劣弧上。
根据模具的实施例，模具进一步包括底座，其配置成支承第一、第二和第三模具件的装配件。
根据模具的实施例，模具腔配置成用于收容模塑材料来制作穹顶结构单元。
根据模具的实施例，模具进一步包括注入孔，用于收容模塑材料进入模具腔内。
根据实施例，使用模具的方法包括：将多个侧壁板组装来形成第三模具件；将第二模具件和第三模具件组装；将第一模具件与第二模具件和第三模具件一起组装来形成第一级模具的模具腔；将模塑材料注入模具腔内；通过允许模塑材料成型来形成第一级穹顶结构的单元；打开第一级模具；提取第一级穹顶结构的单元。
本文还公开使用一套模具制作穹顶结构的单元的方法，其中每套模具配置成制作穹顶结构的单元；其中该套模具包括第一级模具；其中该第一级模具包括第一模具件、第二模具件和第三模具件；其中第三模具件配置成夹在第一与第二模具件之间并且与它们一起组装；其中第三模具件包括多个侧壁板；其中在第三模具件与第一和第二模具件一起组装时，该多个侧壁板与相同球面垂直；其中第一级模具包括用于收容模塑材料进入模具腔的注入孔；其中方法包括：将多个侧壁板组装来形成第三模具件；将第二模具件和第三模具件组装；将第一模具件与第二模具件和第三模具件一起组装来形成第一级模具的模具腔；将模塑材料注入模具腔；通过允许模塑材料成型来形成第一级穹顶结构的单元；打开第一级模具；提取第一级穹顶结构的单元。
附图说明
图1a是根据实施例的第一模具件的透视图；图1b是其顶视图；并且图1c是其正视图。
图2a是根据实施例的第二模具件的透视图；图2b是其顶视图；并且图2c是其正视图。
图3a是根据第一实施例的第一模具件、第二模具件、第三模具件和底座的装配件的透视图；图3b是其展开图；并且图3c是其第三模具件的说明性视图。
图4a是根据第二实施例的第一模具件、第二模具件、第三模具件和底座的装配件的透视图；图4b是其展开图；并且图4c是其第三模具件的说明性视图。
图5a是根据实施例的侧壁板的透视图；图5b是其顶视图；并且图5c是其正视图。
图6a是根据实施例的紧固件或螺钉q的透视图；图6b是其顶视图；并且图6c是其正视图。
图7a是根据实施例的紧固件或螺钉s的透视图；图7b是其顶视图；并且图7c是其正视图。
图8a是根据实施例的紧固件或螺钉t的透视图；图8b是其顶视图；并且图8c是其正视图。
图9a是根据第一实施例的底座的透视图；图9b是其顶视图；并且图9c是其正视图。
图10a是根据第二实施例的底座的透视图；图10b是其顶视图；并且图10c是底座侧壁伸展的说明性视图。
图11是使用如本文描述的模具的方法的流程图。
图12是穹顶结构的说明性视图，该穹顶结构包括由根据如图3中示出的实施例的模具制成的球面三角形单元。
图13是示出穹顶结构的单元的空间关系的示意图。
图14是示出在组装期间穹顶结构的球面三角形单元的几何关系的示意图。
图15是穹顶结构的说明性视图，该穹顶结构包括由根据如图4中示出的实施例的模具制成的球面等腰梯形单元。
具体实施方式
根据实施例，制作穹顶结构的单元的模具包括第一模具件10、第二模具件20和第三模具件30。根据如图1a-1c中示出的实施例，第一模具件10包括第一球面100。根据如图2a-2c中示出的实施例，第一模具件10包括第一球面100。根据如图2a-2c中示出的实施例，第二模具件20包括第二球面200。
根据实施例，第一球面是具有半径r的球的部分。优选地，具有半径r的球可以与穹顶结构的内半球相符。
根据实施例，第二球面是具有半径r的球的部分。优选地，具有半径r的球可以与穹顶结构的外半球相符。
根据实施例，r的值小于r。
根据如图3a-3c中示出的实施例，第三模具件30配置成夹在第一模具件10与第二模具件20之间并且与它们一起组装。第一模具件10、第二模具件20和第三模具件30的装配件配置成形成模具腔300。
如图3b中示出的，根据实施例，第三模具件30包括三个侧壁板301、302和303。在第三模具件30与第一和第二模具件10和20一起组装时，三个侧壁板301、302和303与第一球面100并且与第二球面200垂直。
如图3c中示出的，根据实施例，多个侧壁板301、302和303中的每个分别包括与第一球面100相符的第一端面3011、3021和3031。另外或备选地，多个侧壁板301、302和303中的每个分别包括与第二球面200相符的第二端面3012、3022和3032。
根据实施例，当多个侧壁板301、302和303的尺寸相同时，模具腔300的横截面在形状上是等边三角形。备选地，侧壁板301和302的尺寸可以相同并且303的尺寸可以与301和302不同，使得模具腔300的横截面在形状上可以是等腰三角形。
如图4a-4c中示出的，根据实施例，制作穹顶结构单元的模具包括第一模具件11、第二模具件21和第三模具件40。该第一模具件11包括第一球面101。第二模具件21包括第二球面201。第三模具件40配置成夹在第一模具件11与第二模具件21之间并且与它们一起组装。第一模具件11、第二模具件21和第三模具件40的装配件配置成形成模具腔400。第三模具件40包括四个侧壁板401、402、403和404，在第三模具件40与第一和第二模具件11和21一起组装时，这四个侧壁板与第一球面101且与第二球面201垂直。
如图4c中示出的，根据实施例，多个侧壁板401、402、403和404中的每个分别包括与第一球面101相符的第一端面4011、4021、4031和4041。另外或备选地，多个侧壁板401、402、403和404中的每个分别包括与第二球面201相符的第二端面4012、4022、4032和4042。如图4a-4c中示出的，根据实施例，模具腔400的横截面在形状上是等腰梯形。
可以在图3-4中使用的侧壁板301的一个实施例在图5中示出。如图5中示出的，侧壁板301包括第一端面3011和第二端面3012，两者都是类似弧形的并且同心。如图5a-5c中示出的，侧壁板301进一步包括其第三端3013上的铰链111和第四端3014上的铰链112。铰链(例如111和112)配置成用于允许不同的侧壁板彼此联接在一起，和/或在模具的组装期间与第一模具件和/或第二模具件联接。
根据实施例，多个侧壁板可以包括侧壁板的末端上的多个直通孔，其可以配置成用于收容紧固件。如图5a中示出的，侧壁板301包括第三端3013上的直通孔1111、1112和第四端3014上的直通孔1121、1122和1123。如图5b中的顶视图中示出的，直通孔在相应端上对齐，用于收容紧固件。如图5c中示出的，第三端上的铰链111和第四端上的铰链112设计成互补。优选地，一个侧壁板的第三端和另一个侧壁板的第四端配置成彼此连接或配合以用于邻近侧壁板的组装。
根据模具的实施例，模具进一步包括多个紧固件，其配置成使多个侧壁板彼此联接。如图3-4中示出的，多个侧壁板配置成通过紧固件互连或组装到第三模具件内。各种紧固件可以用于组装。紧固件的示例可以包括螺钉和螺栓，例如紧固件或螺钉q和/或紧固件或螺钉s。根据如图6a-c中示出的实施例，螺钉q具有两个平滑头，以及圆柱体，该圆柱体配置成适应通过两个邻近侧壁板的对齐的直通孔以用于使两个邻近侧壁板互连。螺钉q不必具有外螺纹。
根据如图7a-c中示出的实施例，螺钉s具有六角头，和圆柱体，该圆柱体配置成适应通过两个邻近侧壁板的对齐的直通孔以用于使两个邻近侧壁板互连。螺钉s具有外螺纹。除用于使两个邻近侧壁板互连外，如图3-4中示出的，螺钉s的螺纹部分还配置成用于使第三模具件的多个侧壁板与第二模具件和/或第一模具件连接。
根据如图2中示出的实施例，第二模具件可以可选地包括多个定位孔，用于定位第三模具件并且与之联接。紧固件(例如螺钉s)可以用于定位第三模具件并且通过使用定位孔来紧固或固定而将第三模具件与第二模具件一起组装。根据实施例，多个定位孔包括第一组的四个定位孔a1、b1、a2和b2，其在第二球面的第一大圆的第一劣弧上。第二模具件还可以包括在相同的第二球面的第一大圆的第一劣弧上的额外n对定位孔，例如an和bn，其中n是穹顶结构的级数。每对定位孔配置成用于定位级特定第三模具件。例如，定位孔a1和b1配置成用于定位第三模具件以用于为穹顶结构制作第一级球面三角形单元；定位孔a2和b2配置成用于定位第三模具件以用于为穹顶结构制作第二级球面三角形单元；定位孔an和bn配置成用于定位第三模具件以用于为穹顶结构制作n级球面三角形单元；其中n是穹顶结构的级数。根据实施例，a1与b1之间的弧长是l1，并且表达为l1＝la1,b1；a2与b2之间的弧长是l2，并且表达为l2＝la2,b2；an与bn之间的弧长是ln，并且表达为ln＝lan,bn。根据实施例，多对定位孔a1和b1、a2和b2、an和bn各自相对于o’(第二模具件的第二球面的中心)对称分布。
如图2中示出的，第二模具件可以可选地进一步包括第二组的两个定位孔c1和d1，其在第二球面的第二大圆的第二劣弧上。第二模具件还可以包括在相同的第二球面的第二大圆的第二劣弧上的额外n对定位孔c2和d2以及cn和dn，其中n是穹顶结构的级数。第二组定位孔连同第一组定位孔一起用于制作穹顶结构的等腰梯形单元。具体地，定位孔a1、b1、c1和d1配置成用于定位第三模具件以用于为穹顶结构制作第一级球面等腰梯形；定位孔a2、b2、c2和d2配置成用于定位第三模具件以用于为穹顶结构制作第二级球面等腰梯形单元；定位孔an、bn、cn和dn配置成用于定位第三模具件以用于为穹顶结构制作n级球面等腰梯形单元；其中n是穹顶结构的级数。根据实施例，c1与d1之间的弧长是l2，并且表达为l2＝lc1,d1；c2与d2之间的弧长是l3，并且表达为l3＝lc2,d2；cn与dn之间的弧长是l(n+1)，并且表达为l(n+1)＝lcn,dn。另外，l1＝lc1,a1＝ld1,b1；h2＝lc2,a2＝ld2,b2；hn＝lcn,an＝ldn,bn。根据实施例，多对定位孔c1和d1、c2和d2、cn和dn各自相对于o’(第二模具件的第二球面的中心)对称分布。
根据实施例，定位孔a1、b1、a2、b2、an、bn、c1、d1、c2、d2、cn和dn可以包括内螺纹。这样的内螺纹可以与相应的螺钉s或其他类型的螺钉的互补螺纹配合。此外，可选地，当不在使用中时，如图8a-8c中示出的，定位孔a1、b1、a2、b2、an、bn、c1、d1、c2、d2、cn和dn中的一些可以收容螺钉t，其具有互补外螺纹。螺钉t是全螺纹的并却没有伸出越过定位孔的开口的头，使得未使用的定位孔被螺钉t填充。
根据实施例，模具可以可选地进一步包括底座，其配置成支承第一、第二和第三模具件的装配件。底座的实施例可以是图9中示出的柱型底座，或如图10中示出的平截头体型底座。底座可以是实心或空心的。如图10中示出的，空心平截头体型底座60具有顶边601、底边602和侧壁603。底座60进一步在它的侧壁603的外表面上沿它的边601和602用校准标记来标记。当底座位于侧边上并且滚动时，这些校准标记可以用于测量。优选地，如图10c中示出的，侧壁603在从一边到另一边延伸成为扇形形状时具有内径r和外径r。此外，优选地，底座的内径r和外径r分别是要由包括这样的底座的模具制作的单元所组装的穹顶结构的内径和外径。
在备选实施例中，模具的底座可不必是独立件。相反，第二模具件可以具有建造到其底部的它自己的支承部分。该支承部分可以是脚、平基或支架等。
根据如图11中示出的实施例，使用如图3或图4中描述的模具的方法包括：将多个侧壁板组装来形成第三模具件；将第二模具件和第三模具件组装；将第一模具件与第二模具件和第三模具件一起组装来形成第一级模具的模具腔；将模塑材料注入模具腔；通过允许模塑材料成型来形成第一级穹顶结构的单元；打开第一级模具；提取第一级穹顶结构的单元。
本文还描述使用一套模具制作穹顶结构的单元的方法，其中每套模具配置成用于制作穹顶结构的单元；其中该套模具包括第一级模具；其中该第一级模具包括第一模具件、第二模具件和第三模具件；其中第三模具件配置成夹在第一与第二模具件之间并且与它们一起组装；其中第三模具件包括多个侧壁板；其中在第三模具件与第一和第二模具件一起组装时，该多个侧壁板与相同的球面垂直；其中第一级模具包括用于收容模塑材料进入模具腔的注入孔；其中方法包括：将多个侧壁板组装来形成第三模具件；将第二模具件和第三模具件组装；将第一模具件与第二模具件和第三模具件一起组装来形成第一级模具的模具腔；将模塑材料注入模具腔；通过允许模塑材料成型来形成第一级穹顶结构的单元；打开第一级模具；提取第一级穹顶结构的单元。
当待制作的穹顶结构具有n个级别时，该套模具包括n个级特定第三模具件，用于制作具有n个级别的单元。这样的单元可以是球面三角形单元，并且由多个级特定球面三角形单元组装的穹顶结构的示例在图12中示出。或者，这样的单元可以是球面等腰梯形单元，并且由多个级特定球面等腰梯形单元组装的穹顶结构的示例在图15中示出。如本文使用的，球面三角形单元或球面等腰梯形单元是由本文描述的经组装的模具制成的穹顶结构的单元。
经组装的穹顶结构还可以包括穹顶顶部处的天窗。经组装的穹顶结构在它用作避难所或建筑物时可以进一步包括窗和入口通道。窗或入口通道可以设计在穹顶结构的专用单元内。
根据实施例，不同级穹顶结构的单元共享共同特性，即，穹顶结构的单元共享穹顶结构的相同内径和外径。因此，不同级单元由共享相同的第一模具件和第二模具件的模具制成。图13示出穹顶结构单元的空间关系。第一模具件10和第二模具件20假设放置在虚线内，其示出它们到穹顶的模塑单元的假定空间布置。在实施例中，第一模具件10和第二模具件20分别各自包括与假想球相符的两个球面。在实施例中，第一模具件10具有与半径为r1的假想球相符的第一表面，和与半径为r2的假想球相符的第二表面；第二模具件20具有与半径为r3的假想球相符的第一表面，和与半径为r4的假想球相符的第二表面，其中o是所有前面提到的假想球的共同球心。穹顶结构单元的深度(d)(即，穹顶的厚度)则确定为d＝r3-r2。
如本文描述，穹顶结构的单元具有级特定的尺寸。一般，低级单元在其尺寸上一般大于上级单元。单元可以使用级特定或具有级特定部件(例如级特定第三模具件)的模具来制作。根据实施例，即使在相同级穹顶结构上(如图12中示出的)，每个级别典型地可以包括两个类型的单元：通过等腰球面三角形单元互连的等边球面三角形单元。根据图14，由球面三角形单元制成的穹顶结构包括第一级等边球面三角形单元δafc和δche；其中lac＝laf＝lfc＝lce＝lch＝lhe＝l1；其中l是两个端点之间的弧长，并且l1是球面三角形单元δafc和δche的侧边的长度。当oac的环面分成m个部分时，则l1×m＝2πr，其中r是穹顶结构的底部处圆的半径。另外，lgc＝h1，其中g是两个点f与h之间的弧的中点，并且l是g与c之间的弧长。当m和r被预定时，则从上面可以得到l1。此外，可以对于与等边球面三角形单元δafc和δche呈逆向定位的等腰三角形单元δcfh得到h1。相似地，在第二级穹顶结构上，ljf＝lfh＝lhj＝l2，其中l是两个端点之间的弧长；并且l2是第二级上球面三角形单元δjfh的侧边的长度。另外，lhk＝h2，其中k是两个点l与j之间的弧的中点，并且l是h与k之间的弧长。相似地，在第三级穹顶结构上，ljl＝llm＝lmj＝l3，其中l是两个端点之间的弧长；并且l3是第三级上球面三角形单元δmjl的侧边的长度。因此，可以制作额外的级别，其包括由模具产生的级特定单元，并且每个单元的具体尺寸可以基于制造之前每个单元的预定r、m和深度而得到。
穹顶结构可以具有较低的构造材料消耗、较低成本、较高封闭空间供使用、较高结构强度和更好的安全性的益处。然而，构造穹顶结构是困难的。对于预先制造的穹顶结构单元的模具解决了在构造承载完美的与半球的结构类似性的穹顶方面的困难。穹顶结构的单元可以在例如应急避难所、建造建筑物或玩具等领域中提供广泛应用。
穹顶结构单元的模塑材料可以基于穹顶结构的期望应用领域来选择。根据实施例，模具腔配置成用于收容模塑材料以用于制作穹顶结构的单元。例如，当模具应用是在玩具领域时，模塑材料可以是在建造和雕刻中使用的可锻造物质，例如橡胶类型、模塑粘土，其可以包括陶瓷粘土、基于油的粘土(例如橡皮泥)、聚合物粘土(例如fimo、katopolyclay、sculpey和modello)、塑料、浆土、纤维或其组合。由这样的模塑材料制成的单元用于教育、训练和运动或趣味活动。如此制作的单元可以容易通过各种手段来组装，例如通过使用热胶或双面胶带。
在另一个示例中，当模具应用是在制作应急避难所领域时，模塑材料可以是冰和雪，并且制成的穹顶结构是冰屋型结构。由冰或雪制成的单元可以通过使接缝堆叠或用雪填充接缝而组装。
另外，当模塑应用是在工业建造领域时，模塑材料可以是更耐用材料，例如金属、木头、泡沫材料、塑料、水泥、混凝土、玻璃纤维、碳纤维或其组合。由其制成的穹顶结构将是更持久型建筑。可以根据工业标准来组装单元。还设想单元可以通过对穹顶结构预先制造的框架而进一步联接。
根据实施例，模具进一步包括用于收容模塑材料进入模具腔的注入孔。注入孔可以在第一、第二或第三模具件中的任一个或模具装配件的额外部分上提供。
根据实施例，模具可以由多种类型的材料制成，例如金属、木头、塑料、pvc、玻璃、泡沫材料、碳纤维等。优选地，为便于携带、使用，模具由低成本、耐用且轻量的材料制成。
尽管本文描述的模具提供为包括第一、第二和第三模具件，本领域内技术人员可设想部件可以组合或集成到较少量的件内，或设计为数量更多的件，并且其全部仍可以提供与说明书中说明的相同或相似的功能。
关于权利要求，规定当例如“一”、“至少一个”或“至少一部分”等词用于加在特征前面时，绝不意在将权利要求限制在仅仅一个这样的特征，除非相反地在权利要求中专门规定。
上文的描述意在为说明性而非限制性的。本发明的其他实施例、使用和优势将从本文公开的本发明的说明书和实践的考量中对本领域内技术人员变得明显。说明书应视为仅仅示范性的，并且本发明的范围因此意在仅受下列权利要求的限制。