CN111758640A - 模块化空间桁架结构深远海网箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化空间桁架结构深远海网箱，其特征在于：网箱框架为全封闭的笼形空间桁架结构，由桁架节点和桁架杆件模块化建造和扩展，且为内外方向上的多层桁架，包括浮力可调层和浮力不可调层；桁架节点包括浮力可调节点、浮力不可调的力学节点，浮力可调节点为相较桁架杆件膨大的薄壁空心壳体，用以产生模块化空间桁架结构深远海网箱工作中所需的浮力，以及对模块化空间桁架结构深远海网箱的浮潜、承载量和水中姿态进行调节；养殖网为全封闭养殖网。本发明采用包括浮力可调层和浮力不可调层的多层全封闭的笼形空间密集桁架结构，作为深远海网箱的模块化结构主体，解决了深远海养殖中“抗风浪”和“出效益”这两个突出问题。

Description

模块化空间桁架结构深远海网箱

技术领域

本发明属于海洋工程装置、特别是深远海养殖装备领域，具体涉及一种模块化空间桁架结构深远海网箱。

背景技术

我国海水养殖当前主要集中在滩涂、港湾和湾外浅海海域。近岸海水养殖的过度发展已使得资源环境承载能力达到或接近上限，一些地区的海湾水质富营养化、沉积物多、生物受污染比较严重。因此不少地区将发展深远海养殖作为构筑现代海洋产业体系的重要手段，拓展深远海养殖空间的需求日益强烈，必须依托现代工程科技和信息技术，推动海水养殖由近海向外海拓展，发展离岸深水抗风浪网箱养殖，建设一批深水网箱养殖基地。

我国部分沿海地区在发展深远海养殖方面采取了实质性行动，一批高端装备相继投入使用或正在建造之中。解决好深远海养殖中“抗风浪”和“出效益”这两个突出问题，将为这一渔业新兴业态的发展提供可靠的保障。

2018年，青岛武船重工有限公司建造的世界最大的全潜式网箱“深蓝1号”在青岛下水，该网箱周长180米，直径110米，20层楼高，水下部分45米，重达7693吨，养殖水体5 万立方米，可一次养殖30万条三文鱼。但是4.2亿人民币的极高造价严重制约了其推广普及，使中小型水产养殖企业难以承受。

值得关注的是，无论是“舰船”还是“海洋工程装置”的设计与建造，历来都是由造船部门提供。这样的传承，导致我们现在看到的海工装备，明显带有舰船的身影，以“深蓝1号”为例，可以看到底部为由船体舱室演化而来的大型下浮体、巨大立柱等。这样的设计带来以下二大问题：

其一是，这样的装备只能由专业的大型造船部门建造，这包括专门尺寸和性能的钢材，专门的材料切割加工和焊接设备，专门的船坞和大型吊装设备，专业的劳动密集型产业工人，现场进行的拼装和焊接，所有带来的是建造成本居高不下，这在以海上石油开采为对象高利润行业是可以接受的，但也极大的限制了海洋工程装备在其它领域的应用。

其二是，这种以钢板焊接成各个功能舱室再拼接而成的海洋工程装备的总体力学性能并不好，箱式浮体的热点应力分布集中在箱体连接的特定应力集中节点。箱式浮体的固有频率为0.5rad/s附近，极易和海浪、浪涌等产生共振，此时浮体关键节点的应力幅值最大。当应力过大导致箱体材料疲劳断裂时，箱式浮体舱室结构变形或水密封性能失效，导致整个海洋工程装备倾覆或失浮沉没。“深蓝1号”测试期间遭遇重大挫折，已拖回港口维修，三文鱼被移到别处；经维护改进后再次下水，新“深蓝1号”在外观上有重大改变，网箱加装了一条高30米的中心立柱，使网箱整体高度达到65米。因为这根柱子，整个网箱安装的方法就有很大不同，变成了坐底式的网箱，必须安装在水深60-70米的海区，否则顶部就会露出水面太多。增设一条柱子将增加300-350吨的重量，对整体结构产生更大的压力。一旦网箱开始下沉，就可能变得非常不稳定。重新设计修改网箱的费用，加上运输费大约耗资 400-500万美元；设备重新设计后收鱼的方法也会进行调整，网箱放置在更深的海床，收鱼时必须将整个网箱上浮，收鱼工作要持续24小时，而且只能在天气良好的条件下进行。

产业链不配套问题成为深远海养殖“走出去”的重大牵绊。我国水产养殖还是以家庭式、小规模的生产方式为主，且没有形成规模效应，装备难以支持深远海养殖的规模化生产方式。

由于深远海养殖成本和风险高，投资方对相关装备的建造投入十分敏感，提高装备的投资收益。是能否全面推广大型化、集约化、自动化、智能化深远海养殖工程的关键所在。

在相对较深的海域(通常为水深20米以上)，开展深水网箱养殖，需要具有较强的抗风、抗浪、抗海流的能力。“抗风浪”是我国发展深远海养殖面临的一个最大难题。在西北太平洋和南海每年平均有28次台风发生，其中对我国沿海有影响的台风平均有7次。同时，我国很多湾外海域风大浪高、海水流速较快。在我国海水养殖发展过程中，高密度聚乙烯(HDPE) 浮式网箱成为主导装备，但抗风浪问题一直没有得到根本解决。2011年9月，“纳沙”“尼格”两大台风相继登陆海南，海南省临高县深水养殖网箱几乎全军覆没，根本无法正面抵御超强台风。

在深远海养殖，要将养殖装备固定在某一区域，需要具有较强的抗风浪能力、较强的能源自给能力和自持力，在极端风浪来临前，需能够躲避。

深水网箱受海流产生变形问题不容忽视，普通重力式网箱在水流1米/秒的情况下，网箱体积损失率可高达80％，大大压缩了养殖水体，不利于鱼类生长。

网衣清洗和更换主要依靠人工操作，水下作业难度较高，防污损技术要求高。

水产养殖中鱼类的应激反应问题同样突出，深远海养殖的环境更为复杂，风、气压、水流、温度、光照、盐度等等因素众多且不确定，现有的网箱限制了鱼类为克服应激反应的自然动作，又缺乏对环境适应和调整的技术手段和能力，因此鱼类应激反应危害更严重且不可控，导致鱼类生长发育缓慢、繁殖能力下降、免疫机能低下以致发病率升高、甚至突然死亡等。

发明内容

针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，本发明提供了一种模块化空间桁架结构深远海网箱，采用包括浮力可调层和浮力不可调层的多层全封闭的笼形空间密集桁架结构，作为深远海网箱的模块化结构主体，解决了深远海养殖中“抗风浪”和“出效益”这两个突出问题。完全满足强度要求和安全性，设计成熟、制造施工难度低，施工周期短、实体结构投资小，将其引入到养殖工程中，可用作智能化新能源深远海养殖综合体。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种模块化空间桁架结构深远海网箱，包括网箱框架、养殖网，其特征在于：

所述网箱框架为全封闭的笼形空间桁架结构，由桁架节点和桁架杆件模块化建造和扩展，且为内外方向上的多层桁架，包括浮力可调层和浮力不可调层，最内层为所述浮力不可调层，最内层的外侧至少含一层所述浮力可调层；

所述桁架节点包括浮力可调节点、浮力不可调的力学节点，所述桁架杆件包括浮力可调节点间连杆、力学节点间连杆、层间节点间连杆；

所述浮力可调层包括所述浮力可调节点和所述浮力可调节点间连杆，所述浮力不可调层包括所述力学节点和所述力学节点间连杆；各层之间通过相对应的桁架节点之间的所述层间节点间连杆连接；

所述浮力可调节点为相较桁架杆件膨大的薄壁空心壳体，用以产生模块化空间桁架结构深远海网箱工作中所需的浮力，以及对模块化空间桁架结构深远海网箱的浮潜、承载量和水中姿态进行调节；

所述养殖网为固定在最内层的所述浮力不可调层的全封闭养殖网，形成封闭的养殖水体空间。

进一步地，内外方向上的多层桁架中，所述浮力可调层和所述浮力不可调层依次交替。

进一步地，所述浮力可调节点的尺寸大于所述力学节点的尺寸；

和/或，所述浮力可调节点间连杆的尺寸大于所述力学节点间连杆的尺寸。

进一步地，位于网箱底部的所述力学节点为盘形结构；

优选地，所述全封闭养殖网包括网衣和设置在所述盘形结构上硬质的格栅网底；

优选地，所述格栅网底上设有网底清扫机器人。

进一步地，水中姿态调节包括大致竖直状态、大致水平状态和竖直面内的滚翻状态三者中任意两者之间的切换。

进一步地，以调节壳体内进排气量、进排水量的相互比例的方式，对所述浮力可调节点的浮力进行调节。

进一步地，所述浮力可调节点包括壳体，所述壳体内设有中心气管，所述壳体与所述中心气管之间设有弹性气囊，所述中心气管上设有进排气口，所述中心气管的至少一端连接气源，所述壳体上、所述弹性气囊之外设有进排水口，所述进排水口可连通所在的外部水体；

通过调节所述弹性气囊的进排气量来调节气囊膨胀程度，以此调节所述壳体与所述弹性气囊之间的进排水量，进而调节节点浮力。

进一步地，所述中心气管作为所述壳体的内部加强支撑结构；

优选地，所述中心气管与中空的所述浮力可调节点间连杆相互贯通；

优选地，气源与所述中心气管之间的供排气管路设置在中空的所述浮力可调节点间连杆中。

进一步地，所述桁架节点还包括储物节点；

部分所述浮力可调节点替换为所述储物节点，为相较桁架杆件膨大的薄壁空心壳体，用以存贮模块化空间桁架结构深远海网箱工作中所需的物资，包括气态物资或液态物资或固态物资；

当所述储物节点存贮气态物资时，用于存贮压缩气体，每一个这样的储物节点为周边的一个或多个所述浮力可调节点的浮力调节提供气源；

当所述储物节点存贮液态物资时，用于存贮油料或淡水；

当所述储物节点存贮固态物资时，用于存贮颗粒饲料或包括电池、电子设备在内的功能性设备。

和/或，

所述桁架节点还包括增重节点；

部分所述浮力可调节点替换为所述增重节点，为相较桁架杆件膨大的薄壁空心壳体，内装比重大于水的内容物，以克服浮力增大自重，从而增加整个模块化空间桁架结构深远海网箱的平衡和稳定性。

进一步地，其姿态调节的方法，包括如下步骤：

S1、确定姿态调节的方向和整个模块化空间桁架结构深远海网箱的重力平衡中纵面；

S2、对处于重力平衡中纵面的姿态调节方向前方的浮力可调节点减小其浮力，对处于重力平衡中纵面的姿态调节方向后方的浮力可调节点增大其浮力；

S3、整个模块化空间桁架结构深远海网箱进行滚翻，并达到中间临时再平衡状态；

S4、重复步骤S1-S3直到达到预定的姿态。

上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供的模块化空间桁架结构深远海网箱，采用包括浮力可调层和浮力不可调层的多层全封闭的笼形空间密集桁架结构，作为深远海网箱的结构主体，确保实现全封闭式养殖水体空间有效空间最大化。由于采用了模块化的设计思想，同模数的网箱框架结构件具有通用性，而且种类简单，标准零部件占比大，零件的尺寸相对较小，生产加工相对容易，以上特点，使得其制造成本相对较低，在市场化条件下，这就降低了深远海养殖网箱的养殖成本。

该结构主体有效地分散了工作状态所产生的结构应力,并能在部分结构杆件或节点失效的情况下保持总体结构的完整性，从而极大的提高了网箱的结构力学性能，保证了整个网箱的安全性，能抗17级台风。

这种分散密集钢结构主体有着较高的固有频率，不易与外部工况产生共振，这也大大提高了结构的疲劳极限，保证了网箱的安全工作年限。

多层全封闭的笼形空间密集桁架结构可以防止鲨鱼或大型鱼类破坏，保护养殖对象。

通过同步或分布调节网箱中至少部分浮力可调节点的浮力，根据养殖工况要求实现网箱上浮、半潜、坐底、超浮的工况调节；实现网箱在水中的吃水深度或承载量的调整；实现网箱姿态的调节，包括大致竖直状态、大致水平状态和竖直面内的滚翻状态三者中任意两者之间的切换。这里的切换既可以完全在水中完成，利用水下相对平静的洋流环境，避免海上风浪的影响；也可以在正常全浮工作状态与超浮工作状态下完成，例如海上风浪较小时，更利于利用海面以上部分自身的重力配合水下浮力。

在深海养殖中，网箱姿态的翻滚切换能够将不同的面依次朝上甚至浮出水面，既不影响网箱内的水产，又非常有利于网箱的附着物在滚翻中自行脱落、浮出水面的清洗作业、网箱部件的水上及时维修等，以及根据太阳方位、网箱遮阳物(如附着物)的朝向、水产光照方案调整姿态，利用网箱遮阳物的遮光挡流效应，自主控制网箱内的光照时长、方向以及控制流速，避免鱼类应激反应，提高水产质量和产量。由此创造的主动改善养殖环境带来的好处不再一一列举。

由于网箱具有坐底工况，故网箱坐底由软制的锥状网衣改为平面硬质的金属或聚合物栅格网底，顶底面双层桁架的所述力学节点为盘形结构，方便在底层桁架上安装硬质模块化的格栅网底，并在栅格网底上运行的网底清扫机械，负责各类残渣和死鱼的清理工作。

附图说明

图1是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的工作示意图；

图2是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的工况变化示意图；

图3a是本发明的网箱框架为球形时的示意图；

图3b是本发明的网箱框架为圆柱形时的示意图；

图3c是本发明的网箱框架为四棱柱形时的示意图；

图3d是本发明的网箱框架为五棱柱形时的示意图；

图3e是本发明的网箱框架为六棱柱形时的示意图；

图3f是本发明的网箱框架为八棱柱形时的示意图；正六棱柱形

图4是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的正六棱柱形轴测图；

图5是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的顶底面模块示意图；

图6a是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的顶底面单层桁架结构的正视示意图；

图6b是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的顶底面单层桁架结构的立体示意图；

图7a是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的顶底面双层桁架结构的正视示意图；

图7b是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的顶底面双层桁架结构的立体示意图；

图8a是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的顶底面三层桁架结构的正视示意图；

图8b是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的顶底面三层桁架结构的立体示意图；

图9a是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的顶底面五层桁架结构的正视示意图；

图9b是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的顶底面五层桁架结构的立体示意图；

图10是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的侧面模块示意图；

图11a是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的侧面单层桁架结构的正视示意图；

图11b是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的侧面单层桁架结构的立体示意图；

图12a是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的侧面双层桁架结构的正视示意图；

图12b是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的侧面双层桁架结构的立体示意图；

图13a是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的侧面三层桁架结构的正视示意图；

图13b是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的侧面三层桁架结构的立体示意图；

图14a是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的侧面五层桁架结构的正视示意图；

图14b是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的侧面五层桁架结构的立体示意图；

图15是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的模数化立体图；

图16是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的双层桁架结构正视图；

图17是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的双层桁架结构俯视图；

图18是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的双层桁架结构立体图；

图19是图17中A-A处的剖视图；

图20a是图19的侧面桁架的局部放大示意图；

图20b是图19的底面桁架的局部放大示意图；

图21是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的球形浮力节点的示意图。

图22a是本发明实施例的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点的最小浮力示意图；

图22b是本发明实施例的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点的中等浮力示意图；

图22c是本发明实施例的海洋空间桁架结构中的球形浮力节点的最大浮力示意图；

图23a是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱在竖向状态下的工况变化示意图；

图23b是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱在横向及滚翻状态下的工况变化示意图；

图23c是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱在大致水平状态与大致竖直状态之间的切换的示意图；

图23d是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱在大致水平状态或大致竖直状态与竖直面内的滚翻状态之间的切换示意图；

图24是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的储物节点示意图；

图25a是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的增重节点示意图；

图25b是图25a的局部放大示意图；

图26是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱带网衣状态的立体示意图；

图27a是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱带栈道状态的立体示意图；

图27b是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱带栈道状态的俯视示意图；

图28a是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的锚固状态的侧视示意图；

图28b是本发明的模块化空间桁架结构深远海网箱的锚固状态的俯视示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

如图1-28b所示，本发明提供一种模块化空间桁架结构深远海网箱，包括网箱框架、养殖网、锚泊***，以及配套设施(水下监控，自动投鱼食，自动捕捞，水质监测，网底清扫机械等)。如图2所示，网箱的工作状态(工况)分为四种，分别是全浮、半潜、坐底和超浮工况(未示出)。

所述网箱框架为全封闭的笼形空间桁架结构1，由桁架节点和桁架杆件模块化建造和扩展。其形状可以是多种，如球形、圆柱形、四棱柱形、五棱柱形、六棱柱形、八棱柱形等，如图3a-f所示。

本发明推荐的网箱框架形态为正六棱柱形，框架分为上顶面、侧立面和下底面，如图4 所示。

上顶面和下底面的桁架结构形式为三角形密集阵列，杆件按一定的规律排列，杆件交汇处为桁架节点，节点间距离为桁架模数，根据设计，模数可以是一个，也可以是多个，在本实例中，顶底面单层桁架由正三角形构成，故其平面模数是唯一的，在本实例中，模数为6 米。边界为正六边形的顶底面桁架结构，在模数确定后，其边长为单边节点数量减1和模数的乘积，节点数越多，顶底面的单边长度越大，顶底面的面积也越大，如图5所示，其中，

模数A

单边节点数n

单边长度B＝A*(n-1)

面积s＝3/2*√3*B²

随着顶底面面积的增大，要求顶底面桁架的结构强度也随之提高，这时可以根据理论计算和实际测试，增加顶底面桁架的层数，做成双层或多层桁架(如图6a、6b-图9a、9b)，层与层之间的距离为层间节点模数，设为Az。

网箱框架结构的侧面由六片相同的垂直放置的平面桁架结构组成，具体构成形式为四方形密集阵列，杆件按一定的规则排列，杆件交汇处为桁架节点，节点间距离为模数，根据设计模数可以是一个，也可以是多个，在本设计中，侧面垂直桁架由正四边形构成，故其平面模数是唯一的，在本实例中，模数为6米。

边界为矩形的侧面桁架结构，在模数确定后，节点数越多，矩形的边长越大，其侧面桁架结构的面积也越大。随着侧面面积的增大，要求侧面桁架的结构强度也随之提高，这时可以根据理论计算和实际测试，增加侧面桁架的层数，做成双层或多层桁架，层与层之间的距离为层间节点模数，设为Az₁。如图10-图15所示，其中，

水平矩形模数：A₁

垂直矩形模数：A₂

水平节点数:n₁

垂直节点数:n₂

水平长度:B₁＝A₁*(n₁-1)

垂直高度:B₂＝A₂*(n₂-1)

侧面积:S₁＝6*B₁*B₂

在同一网箱中，n＝n₁

实例：A＝6m A₁＝6 A₂＝6

n＝4

B＝A*(n-1)＝6*(4-1)＝6x3＝18m

S＝3/2*√3*B²＝2.6*18²＝842m²

n₁＝n＝4

n₂＝5

B₁＝A₁*(n₁-1)＝18m

B₂＝A₂*(n2-1)＝6*(5-1)＝24m

S₁＝6*B₁*B₂＝6*18*24＝2592m²

网架框架内表面积S₃

S₃＝S₁+2S＝2592+(2*842)＝4276m²

网衣面积S_网≈S₃＝4300m²

网箱容积V＝S*B₂＝842*24＝20208m³

在本发明的模块化系列中，若确定A＝A₁＝A₂＝6，随着n、n₁(n＝n₁)和n₂的数值增大，组成的网箱容积亦随之增大。

在完成网箱框架结构的设计后，可以发现，虽然该网箱框架的力学性能已经可以满足深海网箱的各项要求，但其重量已远远超过其产生的浮力，也就是说，网箱无法浮在海水中，这和网箱使用的大部分工作状况是不一致的，必须加以解决。

本发明将内外方向上的多层桁架构造为包括浮力可调层和浮力不可调层，最内层为所述浮力不可调层，最内层的外侧至少含一层所述浮力可调层。进一步地，内外方向上的多层桁架中，所述浮力可调层和所述浮力不可调层依次交替。

作为示例，组成框架的顶底面和侧面全部采用双层桁架，双层桁架层与层之间的距离为层间节点模数Az，在本实例中，设为Az＝Az1＝1m。

如图16-20b所示，所述桁架节点包括浮力可调节点10(优选为球形浮力节点)、浮力不可调的力学节点11(优选为球形力学节点)。所述桁架杆件包括浮力可调节点间连杆12、力学节点间连杆13、层间节点间连杆14，优选地还包括桁架增强交叉斜支撑杆件15。

所述浮力可调层包括所述浮力可调节点10和所述浮力可调节点间连杆12，优选地，还包括桁架增强交叉斜支撑杆件15。所述浮力不可调层包括所述力学节点11和所述力学节点间连杆13；各层之间通过相对应的桁架节点之间的所述层间节点间连杆14连接。

由于密集桁架结构的排水体积较小，无法提供网箱所需的浮力，所述浮力可调节点10 设计为相较桁架杆件膨大的薄壁空心壳体(优选为薄壁空心壳体)，这个中空节点在保持原节点力学性能的前提下，用以产生模块化空间桁架结构深远海网箱工作中所需的浮力，以及对模块化空间桁架结构深远海网箱的浮潜、承载量和水中姿态进行调节。

这个位于桁架节点的装置称为节点浮力装置，从理论上讲节点浮力装置的形状可以是任意的，考虑到浮力节点装置的力学性能和材料体积比较的优化，首选膨大的浮力节点的形状为中空球形体，在球体腔内部为质量较轻的气体或其它轻质材料，统称为球形浮力节点装置。球形浮力节点的中心为桁架力学节点中心。在具体应用中，浮力节点是以和结构关系对应的、按一定空间规律排列的形式组合。无论是什么形状，在产生主要浮力甚至绝大部分浮力的作用上是相同的。例如现有技术的“深蓝1号”，产生网箱工作中所需的浮力是下浮体，不存在本发明的浮力节点；有些具有杆件和杆件节点的现有技术，但产生网箱工作中所需的浮力是杆件的而非杆件节点，其杆件节点不能称为本发明意义的浮力节点装置。

由于球形浮力节点和力学节点，是独立均匀分布在桁架结构的各个桁架节点上的，所以对整个结构产生和结构相对应的支撑浮力，改善了整个网箱框架的应力分布状态。

由于每个球形浮力节点装置之间的独立性，在个别球形浮力节点浮力失效时，整个网箱总体浮力水平仍维持在安全水平线之上，从而保证了网箱的安全性。

浮力节点式桁架结构具有重量轻、工业化程度高、整体强度刚度大、易于拼装扩展、制造施工方面、投资成本低等特点。可以完全满足强度和安全性要求，替代传统的大型浮式网箱，并降低设计、制造、施工难度和成本，缩短施工周期、减少自然条件限制且维修简单。

本发明提供的模块化空间桁架结构深远海网箱，采用包括浮力可调层和浮力不可调层的多层全封闭的笼形空间密集桁架结构，作为深远海网箱的结构主体，确保实现全封闭式养殖水体空间有效空间最大化。由于采用了模块化的设计思想，同模数的网箱框架结构件具有通用性，而且种类简单，标准零部件占比大，零件的尺寸相对较小，生产加工相对容易，以上特点，使得其制造成本相对较低，在市场化条件下，这就降低了深远海养殖网箱的养殖成本。

该结构主体有效地分散了工作状态所产生的结构应力,并能在部分结构杆件或节点失效的情况下保持总体结构的完整性，从而极大的提高了网箱的结构力学性能，保证了整个网箱的安全性，能抗17级台风。

这种分散密集钢结构主体有着较高的固有频率，不易与外部工况产生共振，这也大大提高了结构的疲劳极限，保证了网箱的安全工作年限。

多层全封闭的笼形空间密集桁架结构可以防止鲨鱼或大型鱼类破坏，保护养殖对象。

在海洋环境中，波浪冲击是结构设计的主要控制荷载，为有效利用海上空间、开发海洋资源，本发明将多层桁架结构引入到深远海网箱中，通过对浮式密集桁架结构模型的有限元分析和计算，表明在海洋环境荷载作用下，结构整体的应力分布较均匀，结构整体受力合理；在实际结构设计时，应结合具体的工程要求，保证结构强并处理好应力值与许用应力的关系，可采取改变局部构件的尺寸参数等措施来提高结构的有效承载力。

进一步地，以如图16-20b所示的正六边形棱柱的全封闭的笼形空间桁架结构1为例，这个构造可以分解为顶面桁架，侧面桁架和底面桁架结构。

在本实例中，组成网箱框架的双层桁架结构的外侧桁架节点膨大为球形浮力节点单元，外层桁架的连接杆件随之膨大，原因是一方面为结构提供更好的力学性能，另一方面是提供较大的浮力以减轻网箱在水中的重量。在双层桁架的内层，采用较轻型的零件尺寸。侧面桁架的内层杆件用于系挂相对应的侧面网衣。进一步地，所述浮力可调节点10的尺寸大于所述力学节点11的尺寸。所述浮力可调节点间连杆12的尺寸大于所述力学节点间连杆13的尺寸。具体示例为：

外层桁架球形力学节点φ_外＝0.6m；

外层桁架球形浮力节点φ_浮＝2.0m；

外层桁架浮力可调节点间连杆φ_杆外＝400mm，厚度12mm，此时重力与浮力达到平衡；

内层桁架球形力学节点φ_内＝0.4m；

内层桁架力学节点间连杆φ_杆内＝150mm；

内外层桁架层间节点间连杆有两种规格，竖向和斜向的层间节点间连杆φ_连1＝300mm、水平的层间节点间连杆φ_连2＝150mm。

进一步地，所述全封闭养殖网2的侧面和顶面采用软质的网衣21；由于网箱具有坐底工况，故网箱坐底由软制的锥状网衣改为平面硬质的金属或聚合物栅格网底22。进一步地，顶底面双层桁架的所述力学节点11为盘形结构(侧面仍可为球形结构)，其作用是方便在底层桁架上安装硬质模块化的格栅网底22，并在栅格网底上运行的网底清扫机械23，负责各类残渣和死鱼的清理工作。

进一步地，由于网箱工作于远离海岸，为了防止鲨鱼大型鱼类等对网衣的破坏，故可在网箱的侧面和顶面的最外侧加装金属防鲨网或格栅，防鲨网或格栅为标准的小型化模块拼装而成。

进一步地，所述浮力可调节点10以调节壳体内进排气量、进排水量的相互比例的方式进行浮力调节，具体方案示例如下。

如图21所示，浮力可调节点10包括壳体101，所述壳体101内设有中心气管102，所述壳体101与所述中心气管102之间设有弹性气囊103，所述中心气管102上设有进排气口104，所述中心气管102的至少一端连接气源，所述壳体101上、所述弹性气囊103之外设有进排水口105，所述进排水口105可连通所在的外部水体；所述中心气管102两端的壳体上设有连接法兰106和密封压板107，用于与桁架杆件密封连接，上连接法兰处设有进气口 108及相应的进气阀门1081、排气口109及相应的排气阀门1091，均与中心气管102上端连通，进气阀门与排气阀门与气源相连通，如气体压缩装置(如气泵)或储存压缩气体的球形储物节点10’；当然，进气口和排气口、由外部信号控制的进气阀门与排气阀门均可以合并为一个；下连接法兰处进排气口105相应设有由外部信号控制的进排水阀门1051，优选还设有外部水体和内部水体之间的进水过滤器1010。通过调节所述弹性气囊103的进排气量来调节气囊膨胀程度，以此调节所述壳体101与所述弹性气囊103之间的进排水量，进而调节浮力可调节点的浮力。运行过程为，当进气阀门1081和进排水阀1051门同时打开时，压缩气体进入弹性气囊103，气囊膨胀，体积增大，相应体积的水从进排水阀门1051排入外部水体，这时浮力可调节点的浮力增大。反之，当排气阀门1091和进排水阀门1051同时打开时，弹性气囊103中的气体压力下降，气囊收缩，体积减小，相应体积的水从进排水阀门1051进入浮力可调节点内部，这时浮力可调节点的浮力增大。在以上调节过程中，如果同时关闭进、排气阀门和进排水阀门1051，浮力可调节点的内部的水气比例将维持阀门关闭时的状态，这时浮力可调节点的浮力稳定在调整到的具体数值。

如图22a-c所示，当浮力可调节点内部全部为气体时，浮力节点的浮力最大，当气体压力减小时，外部水体的水将逐步进入球体内部，浮力节点的浮力也随之减少，当气体压力减小到外部水体的水全部充满球体内部时，浮力节点的浮力达到最小。

进一步地，所述中心气管102作为所述壳体101的内部加强支撑结构。进一步地，所述深远海网箱中每个所述中心气管102均设置在各自的所述壳体101的主受力方向上。

进一步地，所述中心气管102与中空的所述桁架杆件相互贯通，通过中空的浮力可调节点间连杆12本身作为气源的供气通道，适用于桁架杆件的直径、气路长度、气源的功率等相互匹配的情况下。如果匹配情况不佳，进一步地，利用浮力可调节点间连杆12的中空空间设置气源与所述中心气管102之间的供排气管路，这样供排气管路在桁架杆件中得到很好的保护，在整个深远海网箱的制造过程中，供排气管路预制在桁架杆件中进行组装，提高了生产效率。

如图23a-d所示，通过同步或分布调节网箱中不同位置的单个或多个浮力可调节点的浮力，对模块化空间桁架结构深远海网箱的浮潜、承载量和水中姿态进行调节，具体如下。

根据养殖工况要求实现网箱上浮、半潜、坐底、超浮的工况调节，并在收鱼、网衣更换或清理时尽可能的浮起以便于操作。如图23a所示，在正常使用时(竖式即大致竖直状态)，网箱的工作状态分为：

1、正常全浮状态，在这个工作状态中，网箱的浮力大于网箱的重力；

2、半潜工作状态(未示出)，在这个工作状态中，网箱的浮力略大于网箱的重力；

3、坐底工作状态，在这个工作状态中，网箱的浮力小于网箱的重力；

4、超浮工作状态，在这个工作状态中，网箱的浮力远大于网箱的重力。

这四个工作状态的具体应用是，在正常养殖时可设为全浮或半潜工作状态，半潜工作状态的优点是整个网箱位于水平面以下6-10m，有效避免风浪对网箱的冲击，保证网箱的结构稳定安全，可以降低风浪洋流对养殖设施和养殖对象的伤害，避免养殖鱼群因应激反应成批死亡；在应对风浪、洋流和水温特殊要求时，可将网箱设为坐底工作状态。如大风浪时，海面水温太高，需要降低养殖水体温度时，如夏季在黄海冷水团养殖大西洋鲑时。或海面水温太低，需要增加养殖水体温度时，如东海大黄鱼过冬养殖等情况；当网箱检查维修、更换网衣、投放和收获养殖鱼类时，网箱可设定为超浮状态，可大大降低操作难度。

如图23b-d，实现网箱在水中的吃水深度或承载量的调整；实现网箱姿态的调节，包括大致竖直状态、大致水平状态和竖直面内的滚翻状态三者中任意两者之间的切换。这里的切换既可以完全在水中完成，利用水下相对平静的洋流环境，避免海上风浪的影响；也可以在正常全浮工作状态与超浮工作状态下完成，例如海上风浪较小时，更利于利用海面以上部分自身的重力配合水下浮力。

如图23b所示，在网箱横向使用时(大致水平状态)，除了和正常竖立工作状态相同的工作状态和状态使用具体应用外，增加了滚翻工作状态，特别是但不限于超浮工作状态下，在滚翻工作状态下，网箱结构可在旋转过程中全部逐一浮出水面，这给网箱的维护保养，如附着物的清理涂装、更换零部件等带来极大便利。

如图23c所示，为大致水平状态与大致竖直状态之间的切换；图23d所示，为大致水平状态或大致竖直状态与竖直面内的滚翻状态之间的切换。

在深海养殖中，网箱姿态的翻滚切换能够将不同的面依次朝上甚至浮出水面，既不影响网箱内的水产，又非常有利于网箱的附着物在滚翻中自行脱落、浮出水面的清洗作业、网箱部件的水上及时维修等，以及根据太阳方位、网箱遮阳物(如附着物)的朝向、水产光照方案调整姿态，利用网箱遮阳物的遮光挡流效应，自主控制网箱内的光照时长、方向以及控制流速，避免鱼类应激反应，提高水产质量和产量。由此创造的主动改善养殖环境带来的好处不再一一列举。

如图23d所示，网箱姿态调节的方法，包括如下步骤：

S1、确定姿态调节的方向和整个模块化空间桁架结构深远海网箱的重力平衡中纵面；

S2、对处于重力平衡中纵面的姿态调节方向前方的浮力可调节点10内排气、进水，减小其浮力，对处于重力平衡中纵面的姿态调节方向后方的浮力可调节点10内进气、排水，增大其浮力；

S3、整个模块化空间桁架结构深远海网箱进行滚翻，并达到中间临时再平衡状态；

S4、重复步骤S1-S3直到达到预定的姿态。

其中，达到中间临时再平衡状态之后，步骤S4中，再次确定的姿态调节的方向和整个网箱的重力平衡中纵面，可以与前一次确定的有所不同，例如图23d为纸面竖直平面内的滚翻，在45°时，可以改为与纸面夹角45°的竖直平面内的滚翻，在90°时，可以改为垂直于纸面的竖直平面内的滚翻。也就是说，从初始状态开始到最终预定姿态为止，中间的滚翻路径需要事先规划和设计，且需要在多个可能的滚翻路径中选取最优路径，再去执行S1-S4。

如图24所示，进一步地，本发明的桁架节点还包括储物节点10’，优选为球形储物节点。

部分所述浮力可调节点10(优选为网箱顶部的部分浮力可调节点)替换为所述储物节点 10’，为相较桁架杆件膨大的薄壁空心壳体，用以存贮模块化空间桁架结构深远海网箱工作中所需的物资，包括气态物资或液态物资或固态物资；它们的共同特点是，储物节点可以降低重心，提高网箱的稳定性；充分利用了自身的储存空间，提高了自持力和续航力，且提供了更好的封闭性，储存温度稳定性，无需通过船舶进行频繁的物资转运和补给。

当所述储物节点10’存贮气态物资时，用于存贮压缩气体，每一个这样的储物节点10’为周边的一个或多个所述浮力可调节点10的浮力调节提供气源。储存压缩气体的储物节点 10’的结构可以单独设计，也可以与浮力可调节点10类似，不同的是在其基础上去掉弹性气囊、进排水口、进排水阀门、进水过滤器等，保留中心气管、进排气口、连接法兰、密封压板、进气口、进气阀门、排气口、排气阀门等，中心气管、进排气口也可以进一步省略；其中进气口、进气阀门用于压缩空气外部定期补充或由管道适时补充；储存压缩气体的储物节点10’的排气口和排气阀门与浮力可调节点10的进气口和进气阀门连通。储存压缩气体的储物节点10’的设置，可以在不需要频繁调节浮力的应用场合，如养殖网箱的全浮和半潜工作状态转变，可不依赖外部动力和气源，自主完成；还可以大大简化桁架杆件中的供排气管路设计，降低维修难度。

当所述储物节点10’存贮液态物资时，用于存贮油料或淡水；储存液态物资的储物节点 10’的结构可以单独设计为如图10所示的形式，其进料口1011和出料口1012用于外部定期补充/排出或管道适时补充/排出，外部定期补充时，可在翻滚或上浮到水面以上时进行为佳。图示进料口1011和出料口1012独立设置在桁架杆件外部，优选设置阀门；更可以与储气节点类似，利用桁架杆件自身或桁架杆件内设的管道进行进出料。在某些应用场景中，存贮的油料可供发电机组使用；存贮的淡水可来自于外部补充，也可以通过管道从海水淡化装置、自然降水中收集，再反哺使用。

当所述储物节点10’存贮固态物资时，固态物资一般指可以方便地从储物节点中加入和抽出的固体颗粒，如颗粒饲料。储存固体物资的储物节点10’的结构可以单独设计为如图 10所示的形式，其进料口1011和出料口1012用于外部定期补充/排出或管道适时补充/排出，外部定期补充时，可在翻滚或上浮到水面以上时进行为佳。图示进料口1011和出料口1012 独立设置在桁架杆件外部，优选设置阀门；更可以与储气节点类似，利用桁架杆件自身或桁架杆件内设的管道进行进出料。另一种情况是用来放置长期不需要进出的功能性设备，如电池，电子设备。

如图25a-b所示，进一步地，本发明的桁架节点还包括增重节点10”，优选为球形增重节点。

部分所述浮力可调节点10(优选为网箱底部的部分浮力可调节点)替换为所述增重节点 10”，为相较桁架杆件膨大的薄壁空心壳体，内装比重大于水的内容物，如混凝土，以克服浮力增大自重，从而增加整个模块化空间桁架结构深远海网箱的平衡和稳定性。

如图26所示，所述养殖网为固定在最内层的所述浮力不可调层的全封闭养殖网2，形成封闭的养殖水体空间。

如图27a-b所示，在网箱正常浮起状态的水平线以上，可加装围绕网箱的栈道，用以方便网箱使用过程中的各种操作及维护，如网衣更换、检查、清洗、养殖装备和养殖对象的观察等。

如图28a-b所示，在以上网箱框架的内侧加装网衣形成封闭的养殖水体，并以适当的锚固方法将单个网箱或多个网箱固定在指定的养殖海域，根据养殖的方式规模选配适当的配套设施，就组成了可以运行使用的深远海养殖网箱。在本实施案例中，锚固***采用混凝土重力锚块和系缆的组合方案。

本发明中，球体材料通常可以采用和结构材料相同碳合金钢材料。

在结构件有轻量化要求的使用场合时，节点球体可采用和桁架杆件相同或不同的铝合金或钛合金材料制成。

在结构件有轻量化及考虑电磁环境要求的使用场合时，球形节点可采用和桁架杆件相同或不同的非金属材料制成，如碳材料、玻璃纤维、芳纶纤维、纤维增强塑料等。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模块化空间桁架结构深远海网箱，包括网箱框架、养殖网，其特征在于：

所述网箱框架为全封闭的笼形空间桁架结构(1)，由桁架节点和桁架杆件模块化建造和扩展，且为内外方向上的多层桁架，包括浮力可调层和浮力不可调层，最内层为所述浮力不可调层，最内层的外侧至少含一层所述浮力可调层；

所述桁架节点包括浮力可调节点(10)、浮力不可调的力学节点(11)，所述桁架杆件包括浮力可调节点间连杆(12)、力学节点间连杆(13)、层间节点间连杆(14)；

所述浮力可调层包括所述浮力可调节点(10)和所述浮力可调节点间连杆(12)，所述浮力不可调层包括所述力学节点(11)和所述力学节点间连杆(13)；各层之间通过相对应的桁架节点之间的所述层间节点间连杆(14)连接；

所述浮力可调节点(10)为相较桁架杆件膨大的薄壁空心壳体，用以产生模块化空间桁架结构深远海网箱工作中所需的浮力，以及对模块化空间桁架结构深远海网箱的浮潜、承载量和水中姿态进行调节；

所述养殖网为固定在最内层的所述浮力不可调层的全封闭养殖网(2)，形成封闭的养殖水体空间。

2.如权利要求1所述的模块化空间桁架结构深远海网箱，其特征在于：

内外方向上的多层桁架中，所述浮力可调层和所述浮力不可调层依次交替。

3.如权利要求1所述的模块化空间桁架结构深远海网箱，其特征在于：

所述浮力可调节点(10)的尺寸大于所述力学节点(11)的尺寸；

和/或，所述浮力可调节点间连杆(12)的尺寸大于所述力学节点间连杆(13)的尺寸。

4.如权利要求1所述的模块化空间桁架结构深远海网箱，其特征在于：

位于网箱底部的所述力学节点(11)为盘形结构；

优选地，所述全封闭养殖网(2)包括网衣(21)和设置在所述盘形结构上硬质的格栅网底(22)；

优选地，所述格栅网底(22)上设有网底清扫机器人。

5.如权利要求1所述的模块化空间桁架结构深远海网箱，其特征在于：

水中姿态调节包括大致竖直状态、大致水平状态和竖直面内的滚翻状态三者中任意两者之间的切换。

6.如权利要求5所述的模块化空间桁架结构深远海网箱，其特征在于：

以调节壳体内进排气量、进排水量的相互比例的方式，对所述浮力可调节点(10)的浮力进行调节。

7.如权利要求6所述的模块化空间桁架结构深远海网箱，其特征在于：

所述浮力可调节点(10)包括壳体(101)，所述壳体(101)内设有中心气管(102)，所述壳体(101)与所述中心气管(102)之间设有弹性气囊(103)，所述中心气管(102)上设有进排气口(104)，所述中心气管(102)的至少一端连接气源，所述壳体(101)上、所述弹性气囊(103)之外设有进排水口(105)，所述进排水口(105)可连通所在的外部水体；

通过调节所述弹性气囊(103)的进排气量来调节气囊膨胀程度，以此调节所述壳体(101)与所述弹性气囊(103)之间的进排水量，进而调节节点浮力。

8.如权利要求7所述的模块化空间桁架结构深远海网箱，其特征在于：

所述中心气管(102)作为所述壳体(101)的内部加强支撑结构；

优选地，所述中心气管(102)与中空的所述浮力可调节点间连杆(12)相互贯通；

优选地，气源与所述中心气管(102)之间的供排气管路设置在中空的所述浮力可调节点间连杆(12)中。

9.如权利要求1所述的模块化空间桁架结构深远海网箱，其特征在于：

所述桁架节点还包括储物节点(10’)；

部分所述浮力可调节点(10)替换为所述储物节点(10’)，为相较桁架杆件膨大的薄壁空心壳体，用以存贮模块化空间桁架结构深远海网箱工作中所需的物资，包括气态物资或液态物资或固态物资；

当所述储物节点(10’)存贮气态物资时，用于存贮压缩气体，每一个这样的储物节点(10’)为周边的一个或多个所述浮力可调节点(10)的浮力调节提供气源；

当所述储物节点(10’)存贮液态物资时，用于存贮油料或淡水；

当所述储物节点(10’)存贮固态物资时，用于存贮颗粒饲料或包括电池、电子设备在内的功能性设备。

和/或，

所述桁架节点还包括增重节点(10”)；

部分所述浮力可调节点(10)替换为所述增重节点(10”)，为相较桁架杆件膨大的薄壁空心壳体，内装比重大于水的内容物，以克服浮力增大自重，从而增加整个模块化空间桁架结构深远海网箱的平衡和稳定性。

10.如权利要求5-8任一项所述的模块化空间桁架结构深远海网箱，其特征在于：

其姿态调节的方法，包括如下步骤：

S1、确定姿态调节的方向和整个模块化空间桁架结构深远海网箱的重力平衡中纵面；

S2、对处于重力平衡中纵面的姿态调节方向前方的浮力可调节点(10)减小其浮力，对处于重力平衡中纵面的姿态调节方向后方的浮力可调节点(10)增大其浮力；

S3、整个模块化空间桁架结构深远海网箱进行滚翻，并达到中间临时再平衡状态；

S4、重复步骤S1-S3直到达到预定的姿态。

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