月球基地用模块化刚柔混合结构施工方法及刚柔混合结构

1.本发明涉及月球原位建造领域，具体涉及一种月球基地用模块化刚柔混合结构施工方法。


背景技术：

2.随着人类科学技术水平的发展，人类对月球的探索也在不断深入和发展。
3.月表环境与地球环境有较大差异，主要表现在温度、重力场、辐射与流星体环境、风化层、月震等方面，而且人类对月球的了解有限，可能存在其他未知的不利因素。月球上为超真空，人类无法生存，因此建设人居建筑需要构造大气环境，而充气膜结构是压力容器的理想结构方案，纤维复合薄膜是考虑材料性质和运输成本的高效材料，所以近些年复合材料的充气膜结构成为探索外太空的有效工具。但是膜结构存在防护力弱的问题，在月球环境中抵抗风险的能力远不如刚性结构。在月球上采用刚性结构最大的难题将是无法估量的地月运输成本，因此如何利用月球自身资源进行原位建设活动，已成为当下的研究热点。
4.目前，相关研究已提出月球基地的多种结构形式，包含充气式结构、混凝土结构、金属结构、月面表层下的巷道结构等，均采用单一的柔性结构或刚性结构，柔性结构存在防护力弱的问题，抗风险能力差，而刚性结构如不借助月球的原位建造技术，将面临运输成本巨大的难题，无法直接应用于月球基地。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种节约成本、施工方便的月球基地用模块化刚柔混合结构施工方法及混合结构。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
7.一种月球基地用模块化刚柔混合结构施工方法，包括以下步骤：
8.在平整的场地上，利用土月壤砌块进行无需模板支撑的基础及墙壁的搭建；
9.在基础与墙壁中间放置并固定柔性充气膜，柔性充气膜通过充气展开作为需要模板支撑的屋顶的搭建。
10.在基础与墙壁中间放置并固定柔性充气膜，柔性充气膜通过充气展开作为需要模板支撑的屋顶的搭建，包括：
11.在基础与墙壁中间放置并固定柔性充气膜；
12.对柔性充气膜进行充气展开，控制柔性充气膜的压强满足施工模板支撑要求；
13.以充气展开后的柔性充气模作为模板支撑，进行拱形屋顶周向砌块的铺设，使周向砌块与柔性充气膜结构之间形成可靠连接；
14.完成周向砌块铺设后，对柔性充气膜继续充气使充气膜体积膨胀；通过体积膨胀后的柔性充气膜使铺设好周向砌块后预留的顶部砌块位置增大，在增大的顶部砌块位置放入顶部砌块；
15.顶部砌块放入后，对柔性充气膜进行放气使充气膜体积减小，使顶部砌块在重力
作用下下落并与周向砌块嵌合；顶部砌块与周向砌块嵌合后，使顶部砌块与柔性充气膜结构之间形成可靠连接。
16.用于基础及墙壁搭建的月壤砌块为第一砌块；第一砌块在上下两个表面，一个表面为榫卯结构的孔，一个表面为榫卯结构的柱；第一砌块在左右两个侧面，一个侧面为榫卯结构的槽，一个侧面为榫卯结构的棱。
17.用于拱形屋顶周向砌块铺设的月壤砌块为第二砌块和第三砌块；第二砌块在上下两个表面的每一个面均布置有榫卯结构的孔和柱；在左右两个侧面均为平面；第三砌块在上下两个表面，一个表面为榫卯结构的孔，一个表面为榫卯结构的柱；在左右两个侧面均为平面。
18.用于顶部砌块搭建的月壤砌块为第四砌块；第四砌块为圆形，在圆形的外周面设置有一圈榫卯结构的孔。
19.本发明提出的模块化刚柔混合式结构施工方法，使用刚柔混合的结构方案，能够充分发挥刚性和柔性结构的优势。既能解决膜结构存在防护力弱、抗风险能力差的问题，又能借助月球的原位建造技术，避免刚性结构材料运输成本巨大的难题。本发明施工方法巧妙的利用柔性充气膜增压、减压的方式来控制刚性砌块组装辅助施工，使刚柔性混合结构体系形成施工设计一体化，能最大化发挥原位建造的优势，且施工工序简单、操作方便。本发明使用月壤成型技术制作刚性结构模块化构件，安装简单，施工方便。轻质柔性充气膜结构作为模块化刚性结构的永久性模板，一方面在施工时能够支撑上部刚性结构的建造，避免大量的支撑部件，分担刚性结构的承载，另一方面可以形成密封环境，作为施工时的临时料场及施工完成后的人居环境。
20.本发明施工完成后的柔性充气膜结构既可以作为砌块组成的刚性结构的永久性模板，承担其产生的荷载又能作为内部空间的一层围护结构，增强月球基地的密封性。
21.本发明施工方法中在刚性结构外覆盖的月壤，能够抵挡部分高能宇宙射线和太阳耀斑，同时也能削弱流星体撞击对月球基地的影响。
22.本发明的有益效果：
23.(1)模块化刚柔混合结构方案。膜结构存在防护力弱的问题，抗风险能力差，而刚性结构如不借助月球的原位建造技术，将面临运输成本巨大的难题，无法直接应用于月球基地，本发明采用刚柔混合结构，能够充分发挥刚性和柔性结构的优势。
24.(2)柔性充气膜结构作为模块化刚性结构的永久性模板。施工时，柔性充气膜可以通过自身增压、减压的方式辅助外部刚性砌块的安装和对接，操作简单、方便，并与刚性结构共同承担施工荷载；施工完成后，柔性充气膜可以承受刚性结构传递的外部荷载。
25.(3)操作简单便捷。采用现有最先进的3d原位打印月壤技术，设计合理尺寸的砌块进行装配，既能够避免使用大型3d打印设备，又能够兼顾安装的便捷性。内部柔性充气膜结构在施工阶段作为刚性结构的施工模板，施工时两者同时承受施工荷载，施工完成后，柔性充气膜可构建人居环境；外部刚性结构能够有效减弱太阳辐射和陨石撞击对基地内部的影响。
26.(4)密封性强。安装完成后，柔性膜结构参与构建人居环境，承担内部气压负载，能够分担刚性结构的荷载，同时也使月球基地具有更好的密封性。
附图说明
27.图1是本发明的整体示意图。
28.图2是本发明的一个月壤成型砌块构件示意图。
29.图3是本发明的又一个月壤成型砌块构件示意图。
30.图4是本发明的再一个月壤成型砌块构件示意图。
31.图5是本发明的另一个月壤成型砌块构件示意图。
32.图6是附图中a部分的局部放大示意图。
33.图7是本发明实施过程中充气膜增压前的示意图。
34.图8是本发明实施过程中充气膜增压后的示意图。
35.图9是本发明实施过程中充气膜降压后的示意图。
36.图10是本发明的结构施工过程示意图。
37.附图标记：1-月壤成型砌块构件，2-柔性充气膜，3-螺栓，4-铝制压板，5-橡胶垫片，6-螺母。
具体实施方式
38.下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能给予实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
39.本发明实施例公开一种月球基地用模块化刚柔混合结构施工方法。如图1所示，发明所提出的模块化刚柔混合结构月球基地由内部柔性充气膜结构、外部砌块构件构成的刚性结构、连接组件三部分组合而成。其中，内部柔性充气膜结构由高强度织物基材和聚合物涂层构成的复合材料在地球车间预制成型，经过折叠压缩运输到月球表面；砌块对月球表面的原位资源采用烧结成型或熔融技术烧结而成，且设置有榫卯构件；连接组件为连接柔性充气膜结构和刚性结构的螺栓夹板。
40.如图1至图10所示，本发明公开的月球基地建造用模块化刚柔混合结构施工方法，包括以下步骤：
41.s1：平整场地：通过机械手臂辅助对拟建月球基地的场地进行场地平整；
42.s2：构件制备：收集月壤并采用放电等离子烧结技术进行月壤成型砌块构件的制备，月壤成型的砌块构件1包括第一砌块11，第二砌块12，第三砌块13以及第四砌块14，分别如图2、图3、图4和图5所示，砌块与砌块相邻的面上设置有榫卯结构。
43.第一砌块11参见图2，包括上表面、下表面、左侧面、右侧面、内表面及外表面共6个面，其中内表面和外表面为圆弧面，左右两个面均为平面且两平面呈一与拱形屋顶所在位置半径相一致的微小夹角。在上下两个表面一个为榫卯结构的孔111，一个为榫卯结构的柱112；在左右两个侧面一个为榫卯结构的槽113，一个为榫卯结构的棱114。
44.第二砌块12参见图3，包括上表面、下表面、左侧面、右侧面、内表面及外表面共6个面。在上下两个表面均有一个榫卯结构的孔121，两个榫卯结构的柱122；左右两个面均为平面且两平面呈一与拱形屋顶所在位置半径相一致的微小夹角。上下两层的第二砌块12错位安装，相邻两上层第二砌块12的相邻两个柱122共同插入到下层第二砌块12的孔121中。
45.第三砌块13参见图4，包括上表面、下表面、左侧面、右侧面、内表面及外表面共6个面。在上下两个表面一个为榫卯结构的孔131，一个为榫卯结构的柱132；左右两个面均为平
面且两平面呈一与拱形屋顶所在位置半径相一致的微小夹角。
46.第四砌块14参见图5，包括上表面、下表面圆周面，共3个面。在圆周面设置有一圈榫卯结构的孔141。上表面和下表面为为球型面。
47.各相同砌块之间的孔与柱通过孔与柱的连接构成榫卯结构。第一砌块11上表面的孔111与第二砌块下表面的柱122构成榫卯结构。第二砌块12的上表面的柱122与第三砌块13下表面上的孔131构成榫卯结构，第二砌块12与第三砌块13连接时，两个第二砌块12相邻的柱122一起插入到第三砌块13的孔131中。第三砌块13的上表面的柱132与第四砌块14外周面上的孔141构成榫卯结构。
48.第一砌块11用于基础及墙壁搭建。第二砌块12和第三砌块13用于拱形屋顶周向砌块的搭建，第四砌块外两层为第三砌块，其余为第二砌块。第四砌块14作为顶部砌块用于拱形屋顶顶部的搭建。
49.为了满足柔性充气膜气密性的要求，砌块与柔性充气膜之间采用螺栓夹板连接，砌块与柔性充气膜接触的一面设置螺栓夹板连接的预埋件，如图6所示；
50.s3：基础及墙壁搭建：基坑开挖，并进性基础部分与墙壁部分第一砌块11的铺设，第一砌块11如图2所示，并将第一砌块11榫卯连接部位对齐安装；
51.s4：充气膜布置及充气：在基础与墙壁中间放置并通过螺栓夹片固定柔性充气膜，如图6所示，柔性充气膜通过充气展开，压强满足施工模板支撑的基本要求；
52.s5：屋顶搭建：用机器手臂吊装第二砌块12，并从四周开始进行拱形屋顶第二砌块12的铺设，将第二砌块12的与第一砌块11的榫卯对接，并将第二砌块12榫卯连接部位对齐安装。在第二砌块12的基础上用机械手臂进行第三砌块13的铺设，将第三砌块13的与第二砌块12的榫卯对接，并将第三砌块13榫卯连接部位对齐安装。第二砌块12如图3所示，第三砌块13如图4所示，第二砌块12和第三砌块13与柔性充气膜结构之间通过螺栓夹板连接，如图6所示；
53.s6：充气膜增压：柔性充气膜增压前第三砌块13间，榫卯对接紧密，如图7所示；柔性充气膜充气增压，增压后充气膜体积膨胀使第三砌块13之间产生间隙，持续增压到第三砌块13之间的间隙满足第四砌块14的放入，如图8所示；
54.s7：充气膜降压：第四砌块14如图5所示，放入作为顶部砌块的第四砌块14后，所有砌块完成搭建，此时降低充气膜结构内的压强，降压后充气膜体积减小，第四砌块14在重力作用下下落，第四砌块14与第三砌块13间的榫卯结构自动连接并产生自锁现象，使第四砌块14和第三砌块13之间的连接更紧密，柔性充气膜停止降压，如图9所示；
55.s8：覆盖月壤：结构施工完成后，砌块组成的刚性结构外部覆盖月壤。
56.施工完成，月球基地建造完成。
57.在一些实施例中，对月面进行场地平整、月壤收集、砌块构件的制备、基坑开挖、砌块搭建、月壤覆盖均采用机械手臂辅助操作。
58.在一些实施例中，砌块与砌块的连接为榫卯连接，榫卯的设置预先通过三维软件设计，并通过烧结成型技术或熔融成型技术一体化制备，如图2、图3、图4和图5所示。
59.在一些实施例中，基础形式为月壤成型砌块构成的刚性基础。
60.在一些实施例中，柔性充气膜为高强度织物基材和聚合物涂层构成的复合材料，且在地球车间预制成型，经过折叠压缩运输到月球表面，采用机械辅助和充气辅助展开。
61.在一些实施例中，柔性充气膜结构和砌块组成的刚性结构之间的连接通过螺栓夹板实现，如图5所示，需要说明的是砌块上需预埋连接螺栓，柔性充气膜上需预设螺栓孔洞。
62.在一些实施例中，柔性充气膜增压方式为充气增压，增压后的压强在充气膜承载范围之内，且柔性充气膜体积的增大使上部砌体构件之间产生的间隙满足顶部砌块的放入。
63.在一些实施例中，柔性充气膜降压方式为排气降压，降压后的柔性充气膜能够承担砌块组成的刚性结构传递的荷载。
64.在一些实施例中，施工完成后的柔性充气膜结构既可以作为砌块组成的刚性结构的永久性模板，承担其产生的荷载又能作为内部空间的一层围护结构，增强月球基地的密封性。
65.在一些实施例中，刚性结构外覆盖的月壤，能够抵挡部分高能宇宙射线和太阳耀斑，同时也能削弱流星体撞击对月球基地的影响。
66.本发明的施工方法采用模块化刚柔混合结构方案。膜结构存在防护力弱的问题，抗风险能力差，而刚性结构如不借助月球的原位建造技术，将面临运输成本巨大的难题，无法直接应用于月球基地。而本项目采用混合结构，能够充分发挥刚性和柔性结构的优势。根据现有最先进的3d原位打印月壤技术，设计合理尺寸的砌块进行装配，既能够避免使用大型3d打印设备，又能够兼顾安装的便捷性。基于月球上重力约为地球上六分之一的性质，利用柔性充气膜增压、减压的方式来控制刚性砌块组装的施工方法，操作简单、方便，使刚柔性混合结构体系形成施工设计一体化，能最大化发挥原位建造的优势。

技术特征：
1.一种月球基地用模块化刚柔混合结构施工方法，其特征在于，包括以下步骤：在平整的场地上，利用土月壤砌块进行无需模板支撑的基础及墙壁的搭建；在搭建好的基础与墙壁中间，放置并固定柔性充气膜，柔性充气膜通过充气展开作为需要模板支撑的屋顶的搭建。2.根据权利要求1所述的一种月球基地用模块化刚柔混合结构施工方法，其特征在于，在基础与墙壁中间放置并固定柔性充气膜，柔性充气膜通过充气展开作为需要模板支撑的屋顶的搭建，包括：在基础与墙壁中间放置并固定柔性充气膜；对柔性充气膜进行充气展开，控制柔性充气膜的压强满足施工模板支撑要求；以充气展开后的柔性充气模作为模板支撑，进行拱形屋顶周向砌块的铺设，使周向砌块与柔性充气膜结构之间形成可靠连接；完成周向砌块铺设后，对柔性充气膜继续充气使充气膜体积膨胀；通过体积膨胀后的柔性充气膜使铺设好周向砌块后预留的顶部砌块位置增大，在增大的顶部砌块位置放入顶部砌块；顶部砌块放入后，对柔性充气膜进行放气使充气膜体积减小，使顶部砌块在重力作用下下落并与周向砌块嵌合；顶部砌块与周向砌块嵌合后，使顶部砌块与柔性充气膜结构之间形成可靠连接。3.根据权利要求2所述的一种月球基地用模块化刚柔混合结构施工方法，其特征在于，柔性充气膜与基础和墙壁的固定方法为：在基础和墙壁的第一砌块内预埋螺栓；在预埋的螺栓上套入第一压板；将柔性充气膜穿过预埋螺栓；在从柔性充气膜穿出的预埋螺栓上套入第二压板；在预埋螺栓上安装螺母并紧固。4.根据权利要求3所述的一种月球基地用模块化刚柔混合结构施工方法，其特征在于，在预埋螺栓上还套有与紧贴在柔性充气膜两侧的橡胶垫片。5.根据权利要求1-4任一所述的一种月球基地用模块化刚柔混合结构施工方法，其特征在于，屋顶搭建完成后，在土月壤砌块组成的刚性结构外部覆盖月壤。6.根据权利要求2所述的一种月球基地用模块化刚柔混合结构施工方法，其特征在于，用于基础及墙壁搭建的月壤砌块为第一砌块；第一砌块在上下两个表面，一个表面为榫卯结构的孔，一个表面为榫卯结构的柱；第一砌块在左右两个侧面，一个侧面为榫卯结构的槽，一个侧面为榫卯结构的棱。7.根据权利要求6所述的一种月球基地用模块化刚柔混合结构施工方法，其特征在于，用于拱形屋顶周向砌块铺设的第一种月壤砌块为第二砌块；第二砌块在上下两个表面每个表面均有榫卯结构的孔和柱；在左右两个侧面均为平面；第二砌块下表面的柱与所述第一砌块的孔形成第一砌块与第二砌块连接的榫卯结构。8.根据权利要求7所述的一种月球基地用模块化刚柔混合结构施工方法，其特征在于，用于拱形屋顶周向砌块铺设的第二种月壤砌块为第三砌块；第三砌块在上下两个表面，一个表面为榫卯结构的孔，一个表面为榫卯结构的柱；在左右两个面均为平面；
第三砌块下表面的孔与所述第二砌块上表面的柱形成第二砌块与第三砌块连接的榫卯结构。9.根据权利要求8所述的一种月球基地用模块化刚柔混合结构施工方法，其特征在于，用于顶部砌块搭建的月壤砌块为第四砌块；第四砌块为圆形，在圆形的外周面设置有一圈榫卯结构的孔；第四砌块外周面上的孔与所述第三砌块上表面的柱形成第四砌块与第三砌块连接的榫卯结构。10.月球基地用模块化刚柔混合结构，其特征在于，由权利要求1-9任一所述月球基地建造用模块化刚柔混合结构施工方法建筑而成。

技术总结
本发明公开了一种月球基地用模块化刚柔混合结构施工方法及刚柔混合结构，施工方法包括：在平整的场地上，利用土月壤砌块进行无需模板支撑的基础及墙壁的搭建；在搭建好的基础与墙壁中间，放置并固定柔性充气膜，柔性充气膜通过充气展开作为需要模板支撑的屋顶的搭建。本发明提出内部柔性充气膜与外部刚性结构共同作用的结构形式；利用月球上重力约为地球的六分之一的性质，创造性地提出利用柔性充气膜增压、降压的方式来控制刚性砌块组装的施工方法。使刚柔性混合结构体系形成施工设计一体化，能最大化发挥原位建造的优势，且施工工序简单、操作方便。操作方便。操作方便。


技术研发人员：蔡建国 李永威 姚伟 赵少凡 周雅 张骞 冯健
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.03.07
技术公布日：2023/7/19