延长式地下蓄水结构专利技术现状.pdf

中国科技信息 2024 年第 5 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024-36-专利分析海绵城市是新一代城市雨洪管理概念，国际通用术语为“低影响开发雨水系统构建”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。构建“海绵城市”的关键工作点在于对雨水进行有效的疏通积蓄，地下蓄水结构是构件“海绵城市”的关键技术之一。地下蓄水结构大体上分为箱式结构和延长式结构两部分，箱式结构是从地下蓄水池逐步发展形成而来的；延长式（elongated）地下蓄水结构则是从最初的地下渗透管道发展而来的，其发展的大致技术脉络为：第一阶段：简单的管结构，管壁设置渗水孔，可以将吸纳地表径流，并将雨水渗透到地下；第二阶段：具有储蓄功能的拱形、型结构，集排水、蓄水、渗水作用于一体；第三阶段：将拱形、型结构模块预制化，现场拼接形成多维蓄水结构。相对于箱式蓄水结构，延长式蓄水结构因其长条形的结构特征，能够采集或渗透更长路径的地表径流，且相对箱式蓄水结构更易于清理维护，空间利用率较高，承载性能较优；鉴于单纯的渗透管技术涵盖面十分广，且其几乎不具备储蓄功能，因此，本专利技术分析主要讨论第二阶段和第三阶段的延长式地下蓄水结构。第二阶段发展技术要点在 18901915 年 间，出 现 了 第 二 阶 段 技 术 的 雏形（US535809A、US640077A、US656537A、US780187A）。该阶段的技术研究重点聚焦在地下抗压性能的研究上，为此，其主要解决手段为采用合理的结构形状，例 如 拱 形（US659464A、US3416321A 等）、三 角 形（US3369367A、US3820341A等）、矩形（EP1216328A、CN201031436Y 等）；进一步的为了提高抗压性能，在上述结构的外表面设置了波纹结构（US3495410A、行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度延长式地下蓄水结构专利技术现状张 帆 陈国文张 帆1 陈国文2（等同第一作者）1.国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心2.科德宝宝翎无纺布（苏州）有限公司张帆，女，专利审查员，高级知识产权师，主要从事材料领域专利审查。陈国文，消费品事业部技术经理，主要从事净化材料的研发工作。图 1 延长式地下蓄水结构大体发展结构图-37-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024中国科技信息 2024 年第 5 期专利分析US4523613A 等），且优化了波纹结构的设置方式，例如专利 US3789615A 提供了一种方案：结构外表面的波纹具有环状的波峰和波谷，且壁厚最厚的地方为波谷处；最薄的地方为连接波谷和波峰的侧壁处，波峰的厚度处于上述两者之间；该专利优化了波纹外壁各处的厚薄，提供了高强度的抗压性能，节省了制作材料。除此之外，该领域的技术和研发人员还进行了一些其他方向的改进。例如，专利 US3416321A 在结构内部设置了类似沉淀池的内部渠道，如此能够对待渗透的雨水进行一定的沉淀预处理；专利 CA1133403A 则关注到蓄水结构的收纳性能，将腔体设置为在顶部可折叠的第一腔体和第二腔体，方便了运输。第三阶段发展技术要点第三阶段始于 20 世纪 50 年代，最早的报道见于 1958年的美国专利 US2866319A，其记载了将拱形的延长式地下蓄水结构设置为由若干个拱形单元拼接而成，并给出了具体的拼接构件的结构和拼接方式。1985 年以后，该类技术的申请量大幅增加，蓄水结构的模块化，大大提高了生产、运输和现场施工的便利性，因此，该阶段的技术在后期发展中得以被广泛使用和研究。其技术发展过程中，主要关注点在于“模块单元结构的样式”“拼接手段”“拼接后的样式”这三个方面。模块单元结构的样式模块单元实质上是对已有的结构进行分割后的组合，因此显而易见的，最初的模块单元结构与第二阶段延长式地下蓄水结构的外形类似。（1）拱形前述 1958 年美国专利 US2866319A 的其各个模块单元为即为拱形，拱形结构也是现有技术中占比最大的。为了提高地下承载性能，众多专利揭露在拱形结构基础上，在单元结构的外表面设置加强构件。例如 US4759661A、WO2007021715A、US2010059430A、EP1867794A2等在拱形外表面设置了加强肋和/或加强筋。进一步的，为了提高抗压性能，US2011200391A 和 US8672583A 在加强筋之间增加了过渡筋结构。US6679653B1 在加强筋的基础上，在外表面上均匀增设了半球形凸起、多面体凸起、锥体等样式的加强构件。在 拱 形 的 基 础 上，美 国 专 利 US6698975B1、US2004184884A、US5441363A、日本专利JP2006342584A 等对模块单元的结构进行了些许的变形。例如，US5441363A 将常规拱形结构结合加强凸肋整体进行变形成连续的皱褶状结构，水流通道为拱形结构，然其外壁呈不规则的扁平状，包括脊部和肩部，两者相互间隔的设置。专利 US2010329787A1 将模块进一步扁平化，宽度远远大于高度，模块顶部设置脊部和肩部，整体为皱褶状，沿宽度方向。此种结构，相对于原始的拱形结构，提高了承压性能和堆叠时候的稳定性。（2）方形或 型图 2 专利 CA1133403A 示意图图 3 专利 US5441363A 示意图图 4 屋顶状模块示意图韩国专利 KR20070040498A、日本专利JP2006274628A、JP200716582A 公开了模块为方形结构。美国专利 US2014105684A1 也公开了矩形模块，配置成不同的样式，包括内部模块、角模块、边界模块、平行模块、端部模块。JP2015134988A、JP2504690B2、CN105507374A、JPH10131241A、US2010221068A 等公开了模块单元结构为 型，与矩形模块较为类似，通过在不同壁面设置开孔，构成不同功能的模块。US2010226721A公开了一种上下拼接的 型模块单元结构，在拼接时，上、下模块分别拼接，最后上部和下部拼装成整体。（3）屋顶状基 于 抗 压 性 能 的 考 虑，近 些 年 还 开 发 出 屋 顶 状（dome）的模块单元，最早报道见于 2010 年公开的WO2010090755A，其公开了模块单元为屋顶状，每个模块具有三个（当然也可以为其他个数）一体成型结构单元，每个结构单元顶部为屋顶状（看上去更像蒙古包结构），每个结构单元之间通过相对平滑的曲面和加强筋结构连接。若干个模块根据需要拼接成整体蓄水结构。之后，2016 年公开的 US20160281347A 同样报道了模块单元为屋顶状，具体的其顶部为屋顶状结构，且屋顶状顶部外表面设置有凹槽和凸起，以提高抗压性能，顶部下部向下延伸出四个支撑架构；进一步的，每两个支撑构件之间设置有独立的闭合板，闭合板外表面为皱褶状，闭合板设置的目的在于便于连接外部管道。US2016369490A1 进一步改进了屋顶状模块的结构，将每个模块单元进一步设置为拼接组装结构，即包括上部和下部，通过连接件将两者组装。EP3526414B1 则设计了具有连续曲率的雨水腔室模块单元，雨水腔室模块单元包中国科技信息 2024 年第 5 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024-38-专利分析括具有腔室壁，顶点，基部以及第一和第二开口的腔室主体，腔室壁包括从腔室主体的顶点到第一开口和第二开口的连续曲率，以及从腔室主体的顶点到底座的连续曲率，如此减少了需要挖掘的土地面积、重量轻、堆叠良好。拼接手段（1）重叠搭接（overlapping）US2006238434A1、US2010059430A、EP1867794A2 等公开了各模块之间通过相互重叠搭接实现连接，US2011200391A1、US7237981B1 公开了模块与端盖之间也采用这样的连接方式。这种连接方式操作十分简单，并且，因为模块外表面本身为波纹结构，因此重叠搭接的手段能够保证提供所需的连接稳定性。进一步的，为了确保牢固性，US7364394B1 在重叠搭接的基础上增设了螺钉结构。（2）设置卡扣结构US4759661A、US5156488A、KR20070040498A公开了一种最为简单的卡扣结构，即模块一端设置凸起，另一端设置容纳槽，平行移动两块模块，使凸起结合到容纳槽内即可实现连接。US5087151A 公开了在模块一端成型短管件，短管件设置为凹凸结构，从而卡扣连接。为了实现更加稳固的连接，US2004042855A1、US2005111915A 公开的卡扣结构，包括凸起和凹槽，实现扣合。以US2004042855A1为例：模块单元端部设置有端盖，在其最前端的冠顶有前部，包括前边缘和覆盖墙，覆盖墙为拱形，其上设置有开口和突起。另一模块单元最后端的冠顶设置有后部，包括后边缘和覆盖墙，覆盖墙上设置有立柱和槽口，在储存腔拼接的时候，开口接受立柱，槽口接受突起，从而实现连接。并且在端盖上也设置有开口，以接受储存腔上的立柱。（3）通过连接件US2866319A 公开了使用板状连接件将各个模块单元连接，模块的两侧边的拱形边缘上开设有长槽，板状连接件插过长槽，且长槽上顶端还设置有切口，相应的在板状连接件顶端设置凸缘，凸缘可以结合到切口内，从而实现连接。US2004013469A1 公开了一种连接件，可以实现模块的成角度连接，如图 5 所示：图 5（a）为连接件的形状和结构，其外表面为褶皱状，一端宽度大于另一端；图 5（b）给出了连接示意图，通过调节连接位点以调节两模块之间的连接角度，从而模块的安装能够适应更复杂的地貌，易于产品的推广。拼接后的样式较多的拼接方式大致分为：（1）一维拼接：模块单元沿着一个方向线性排列；（2）二维拼接：同时沿长度方向和宽度方向排列，形成矩阵结构。除此之外，日本热衷于在此基础上，向垂直方向增加一维维度的拼接方式，以提高蓄水能力。例如专利JP2005036569A 公开了将拱形元件上下拼接形成管状构件，后两个管状构件水平拼接构成一层，后两层或多层堆叠，形成多层蓄水结构。另一篇日本专利 JP2006342584A 也具有相似的发明构思：其具有形状完全一样的上部构件和下部构件，两者连接，且中间还设置格栅板，能够对水流起到一定的消能作用，模块单元单层拼接完成后，进行堆叠拼接。德国专利 DE202005012192U 也公开了将模块堆叠提高蓄水能力。构筑物的设计在大体结构的基础上，该领域还进行了相关构筑物的设计和/或结构细节的改进，以提高了产品的综合性能。例如 1995 年 US5419838A 公开了在模块内设置过滤层，对 进 水 进 行 处 理；2003 年 US2003095838A 和 2008年 US2008181725A 公开了在模块的进水端设置沉沙斗结构；2009 年 DE202009000040U 公开了在进水段设置独立的沉沙室，雨水先进行一定的沉淀处理，后再进入主 体 模 块 内；US7008138B 和 US2007264082 A1 意识到雨水降落携带大量的能量，会对土地造成冲击，激起泥土会混入雨水中，因此，在雨水模块的端盖底部设置了消能板；US9580898B2 将模块单元侧壁的常规渗透孔改进为长形中空嵌入件，设置在模块单元内部，与侧壁成角度设置，以避免模块埋入地下时土壤里的泥土进入模块内部；US2008181725A 在模块内部插入分流器结构，改变 雨 水 的 流 向；US5839844A 和 US7273330 B1 公 开了在端盖上设置弯头结构，便于与进水管、出水管连接；US9016979B1 公开了将拱形模块单元设置为左单元和右单元，两者在顶部通过连接构件实现了可拆卸连接，该专利给出了较多种连接方式；US2016186423A 和 US9233775B公开了将模块单元顶部设置为铰接样式，通过提拉操作即可实现结构的成型或收纳。总结和展望本文梳理了延长式地下蓄水结构发展脉络中第二阶段和第三阶段的技术要点，对其中的重要专利进行了详细的阐述。已有专利技术对第三阶段的技术研究较为透彻，不仅关注结构实际使用过程中的技术问题，还关注到结构在运输、储存等各个方面的问题，即改进方向的维度较多。与此同时，已有的研究十分热衷对细节结构的改进。图 5 卡扣连接结构示意图图 6 专利 JP2006342584A 示意图