Архитектон: известия вузов. №2 (82) Июнь, 2023

Высшее профессиональное образование

Изобретательское творчество в архитектуре: «прямой» и «обратный» путь создания патентоспособных решений

УДК: 72.01:378
DOI: 10.47055/19904126_2023_2(82)_29

Аннотация

Изобретательская деятельность – это творческий процесс, направленный на воплощение полученных научных и, как правило, профессионально-отраслевых знаний в объекты интеллектуальной собственности, имеющих в настоящее время правовую охрану: патент (изобретение, полезная модель, промышленный образец), свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Но главный ее смысл заключается в том, что инженерное изобретательство (инженерное творчество) позволяет решать сложные и нетривиальные профессиональные задачи, итогом которых становится появление новшеств, которые расширяют и обогащают область архитектуры и строительства.

Изобретательское творчество нацелено на создание эффективных технических решений, имеющих технические преимущества перед известными аналогичными решениями [исключение составляет единственная в своем роде категория изобретений и полезных моделей «Декоративное искусство» (группа В44 в Международной патентной классификации), технические решения которых нацелены на эстетизацию каких-либо объектов новыми техническими средствами/способами].

При этом результаты собственно изобразительного творчества, нацеленного на создание художественно-эстетических образов и оперирующего изобразительными средствами (графическими, живописными, пластическими/скульптурными, комбинированными), могут получать патентную защиту в форме патентов на промышленные образцы. Однако создание промышленных образцов, ориентированных на получение эстетического эффекта – улучшение внешнего вида изделий – к изобретательской деятельности, рассматриваемой в настоящей статье, авторы статьи не относят, что отнюдь не умаляет значения этого важного составляющего сегмента патентной отрасли для развития различных отраслей народного хозяйства страны.

Существующие в настоящее время многочисленные изобретательские методики носят либо очень общий, либо чересчур частный характер, соотносясь с конкретной отраслью науки или промышленности [1]. При этом в научно-технической литературе практически отсутствует описание специальных методик отраслевого изобретательства применительно к архитектуре или строительству с приведением соответствующих характерных примеров.

Вместе с этим, проведенный авторами анализ программ профильных дисциплин, которые реализуются в ряде отечественных архитектурно-строительных университетов и институтов, показал, что в них практически отсутствует содержание, направленное на формирование у выпускника интереса к изобретательской деятельности в профессиональной среде. Указанный недостаток является серьезным препятствием на пути решения комплекса сложных и амбициозных задач-вызовов, поставленных сегодня перед сообществом отечественных архитекторов и строителей. Необходимо искать новые подходы, демонстрирующие студентам архитектурно-строительных специальностей привлекательность и (в известной степени) доступность использования технологий изобретательского творчества для получения новых оригинальных и патентоспособных решений.

Итак, цель статьи – представить оригинальную трактовку двух основных встречных изобретательских методик, обобщающих многолетний опыт изобретательской деятельности авторов по решению разнообразных инновационных задач, направленных на создание технически эффективных разработок различных типов архитектурно-строительных объектов/изделий. Умение применять эти изобретательские методики на практике является одним из компонентов изобретательской компетентности, обеспечивающей повышение конкурентоспособность выпускника в профессиональной среде.

Методология работы основана на сравнительном анализе известных и патентуемых инновационных решений с учетом определенных авторами критериев патентоспособности разработок, индивидуальных в каждом конкретном случае для различных функционально-типологических групп архитектурных объектов.

Представленные в статье подходы к изобретательству позволили одному из авторов в течение 45 лет изобретательской деятельности в совокупности получить более 200 авторских свидетельств СССР на изобретения, свидетельств СССР на промышленные образцы, а также патентов РФ на полезные модели.

Многолетний опыт изобретательства убедил авторов в сосуществовании двух принципиально противоположных методик решения изобретательских задач, которые они определили, как «прямой» путь и альтернативный ему «обратный».

«Прямой» путь получения изобретательских решений хорошо и полно освещается в многочисленных изданиях по методикам изобретательского творчества; его можно описать следующим алгоритмом укрупненных последовательских шагов, например [2]:
Шаг 1. Формулировка технической проблемы/постановка задачи.
Шаг 2. Отбор и применение алгоритма(ов) ее решения.
Шаг 3. Получение конкретного патентоспособного решения / группы решений (в приведенных ниже примерах – конечной технически эффективной ФОРМЫ объекта).

Примером использования такого подхода может служить техническая модификация наружной контурной опорной структуры (периптера) Парфенона, образованной стволами вертикальных колонн (рис. 1а).

Необходимость усовершенствования наружных опорных систем аналогичных храмов Древней Греции и Рима возникала уже в процессе их строительства задолго до нашей эры, когда в результате землетрясений было разрушено великое множество построек: структуры из вертикальных опор имели весьма невысокую устойчивость к горизонтальным сейсмическим воздействиям [соответствие шагу 1 – формулировка технической проблемы / постановка задачи].

После анализа данной технической задачи исходная опорная структура из вертикальных колонн была преобразована в жесткую раскосную систему, расположенную между стилобатом и архитравом (рис. 1б), где смежные опоры выполнены наклонными встречно и смыкаются в верхних и нижних участках по всему контуру сооружения, образуя конструктивную решетку из треугольных ячеек [соответствие шагу 2 – выбранный алгоритм решения]. В результате получилось устойчивое к сейсмическим толчкам составное сооружение, которое, увы, не могло быть технологически реализовано на рубеже первого тысячелетия нашей эры, но вполне может быть использовано в современности с применением новых конструкционных материалов [соответствие шагу 3 – эффективный конечный результат]. Необходимо обратить внимание на то, что в данном случае рассматривается пример решения задачи повышения устойчивости здания, но не его эстетической привлекательности, соответствия требованиям ордера и т. п.

Рис.1. Оригинальная контурная конструктивная структура периптера греческого храма Парфенона
(а) в модифицированном виде (б). Автор разработки и рисунков А.В. Коротич

«Прямой» путь может быть так же востребован при решении оптимизационных задач технического конструирования, когда оптимальная форма объекта (например, составного акустического экрана с максимальной звукорассеивающей способностью или несущей оболочки сооружения, имеющей минимальную площадь поверхности) получается в результате поэтапной, многоходовой модификации какой-либо исходной формы прототипа путем проведения ряда экспериментов для отсечения тупиковых путей поиска и определения наилучших с точки зрения последовательного приближения к оптимальному конечному результату и достижения его на конечном этапе.

При этом существует и другой, менее очевидный и поэтому более интригующий альтернативный путь изобретательства, который можно назвать «обратным». Таким путем формируется, можно сказать – «синтезируется», большое число изобретений, например в области химических технологий, когда в результате экспериментов в заданном технологическом режиме получается совсем не то, что ожидалось, а полученный неожиданный результат по своим качественным характеристикам может быть весьма эффективным для каких-либо существующих либо перспективных отраслей народного хозяйства.

В данном случае имеет место алгоритм, реализуемый определенной последовательностью шагов:

Шаг 1. Каким-либо образом получен неизвестный ранее объект с новыми качествами (в том числе в результате форсмажорных обстоятельств, случайных итераций, технологических сбоев, нарушения режима/процесса изготовления и проч.);
Шаг 2. Производится установление и исследование/анализ полной совокупности его новых качеств на предмет их технической эффективности по сравнению с известными аналогичными (альтернативными) решениями;
Шаг 3. На основе установленных качеств выявляются области его максимально эффективного использования в народном хозяйстве. [Сущность и значение «обратного» пути для изобретательского творчества очень точно выражены Эдвардом де Боно в книге «Власть дизайна»: «Мы продвинулись далеко вперед в науке и технологиях, но не в своем поведении. В прошлом тысячелетии мышление всегда было связано с вопросом «что это такое?». Это мышление, основанное на анализе, критике и аргументации. А вот мышление, связанное с вопросом «чем это могло бы быть?» (с созданием ценности), у нас практически совсем не развито. А ведь именно такое мышление является творческим и конструктивным. Именно это мышление помогает в разрешении конфликтов и решении проблем, проектируя движение вперед» [3; курсив наш – А. К., Н. Ф., Л. М.].

Сущность «обратного» пути как раз и заключается в способности понять, «чем ЭТО могло бы быть», т. е. в какой области максимально эффективно могут быть использованы ранее сделанные разработки (причем, не только собственные: в категориях изобретений есть пункт «применение известного устройства, вещества по новому назначению»).

[В контексте как «прямого», так и «обратного» пути у изобретателей нередки случаи озарения, когда внезапно приходит решение технической задачи под влиянием каких-либо внешних факторов, условий или ситуаций/событий, подтолкнувших их к изобретательскому решению (яркий пример – изобретение электрической дуговой лампы П.Н. Яблочковым в 1876 г.). Такие качества, как умение создавать новаторские решения, так и распознавать рациональное применение каких-либо известных объектов по-новому, не известному ранее назначению, и отличают изобретателя от обычного специалиста, результаты работы которого попадают под определение результатов «обычного проектирования»].

При способе изобретательства «обратным» путем, полный процесс создания и оформления патентоспособных решений выглядит в виде следующего алгоритма последовательных шагов (формулировки даны для патентования результатов формотворчества):

Шаг 1. Анализ какой-либо имеющейся собственной формотворческой разработки на предмет обнаружения в ней патентоспособных качеств – критериев технической эффективности.
Шаг 2. Выбор из перечня аналогичных решений соответствующего прототипа – объекта, наиболее близкого к патентуемому решению по совокупности существенных структурных (или иных) признаков.
Шаг 3. Выявление критерия(ев) патентоспособности в процессе сравнительного анализа нового решения и прототипа.
Шаг 4. Формулировка существенных признаков ограничительной и отличительной частей формулы заявляемого решения.
Шаг 5. Выявление вариантов решения (если таковые имеются).
Шаг 6. Составление описания заявки и реферата.
Шаг 7. Изготовление изображений заявляемого объекта с обозначениями.
Шаг 8. Подача заявки на изобретение/полезную модель.
Шаг 9. Получение патента.

Очевидно, что «обратный» способ изобретательства возможен и эффективен при соблюдении двух основных условий (для объектов формообразования):

а) наличия широкой информационной системной базы известных технических решений каких-либо типологических групп объектов, среди которых содержатся решения, аналогичные по функции и конструктивно-структурным признакам заявляемым предложениям (информационный Блок 1: реестр возможных аналогов/прототипов);
б) наличия широкой системной базы собственных абстрактных формотворческих решений, позволяющих производить их сравнительный анализ с наиболее близкими по структурно-конструктивным существенным признакам известными решениями по ряду технических критериев патентоспособности на предмет выявления собственных охраноспособных решений (информационный Блок 2: реестр собственных патентоспособных разработок).

Очевидно, что Блок 1 может быть создан лишь на основе многолетних исследований и отбора соответствующей патентной информации государственных и частных ведомств по интеллектуальной собственности различных стран, а также соответствующих технических решений, изложенных в специальной технической литературе.

При этом эквивалентный по объему Блок 2 создается параллельно Блоку 1 на основе осуществления многолетних специальных экспериментально-поисковых собственных творческих работ (в том числе путем произвольного вариабельного формотворчества – случайного или целенаправленного манипулирования главными геометрическими параметрами формы объекта).

Необходимо отметить, что, приобретая патентный статус, бывшие ранее новаторскими, а теперь уже запатентованные решения из Блока 2 автоматически перемещаются в Блок 1, пополняя реестр известных технических решений и сами могут служить аналогами/прототипами для будущих разработок, в том числе этого же автора или соавторов.

Сравнительный анализ полученной разработки с аналогом производится на основе критериев патентоспособности архитектурно-строительных объектов какой-либо типологической группы (покрытия, структурные плиты, опоры, акустические экраны и др.). Например, для категории «покрытий» критерием патентоспособности может быть:

– увеличение жесткости;
– увеличение перекрываемого пролета;
– минимум материалоемкости;
– минимум типоразмеров сборных элементов;
– улучшение и упрощение технологии соединения элементов;
– быстрота возведения;
– способность произвольно и многократно изменять свою форму и проч.

Рассмотрим некоторые характерные примеры создания патентоспособных решений архитектурно-строительных объектов различных функционально-типологических групп в контексте методологии «обратного» пути.

Пример 1

В результате абстрактного многовариантного геометрического моделирования с использованием оригинальных алгоритмов формообразования был получен комплекс новых равноэлементных разбивок сферических оболочек. Среди прочих многочисленных вариантов была отмечена потенциально патентоспособная разработка – сферическая оболочка, составленная из пятиугольных сферических отсеков; при этом в вершинах такой сферической разбивки сходится по 3 и 5 сборных пятиугольных отсеков (рис. 2б). [Структура данной сферической разбивки в двух геометрических вариантах изначально присутствовала в информационном Блоке 2].

Далее, в информационном Блоке 1 был выбран ближайший к полученной оболочке по совокупности существенных структурных признаков прототип (рис. 2а) – известная изоэдральная/ равноэлементная сферическая оболочка, включающая 30 ромбовидных сферических отсеков, также состыкованных в вершинах оболочки по 3 и 5, но при этом имеющих значительно большие габариты и кривизну в пределах сферы.

В результате сравнительного анализа полученной и известной сферических форм был выявлен критерий патентоспособности новой оболочки: значительно большее число сферических отсеков, составляющих полную сферическую оболочку (60 штук), обусловливает их гораздо меньшие относительные габариты и кривизну в пределах сферы, а, следовательно, существенно упрощает процесс изготовления/ прессования сборных отсеков и монтаж составной оболочки большого и среднего диаметров.

После подачи соответствующим образом оформленной заявки на созданное новое решение сборной равноэлементной сферической оболочки был получен патент РФ на полезную модель [4]. Возможные варианты и области эффективного использования данного технического решения в архитектурно-строительной практике представлены на рис. 2в.

Рис. 2. Запатентованное решение изоэдральной сферической разбивки в двух геометрических вариантах (б – [2]).
Прототип (а). Различные направления эффективного практического использования полученных составных сферических оболочек:
покрытия стационарных и корабельных радаров; оболочки газгольдеров высокого давления;
модульные отсеки орбитальных космических комплексов (в).
Автор патентных разработок, архитектурных концептов и рисунков А.В. Коротич

Пример 2

Необходимо отметить, что один и тот же прототип из информационного Блока 1 может быть выбран для целого спектра полученных новаторских решений с использованием того же критерия патентоспособности.

Так, например, комплекс из шести вариантов новых формотворческих решений изоэдральных сферических оболочек, каждая из которых включает по 60 четырехугольных сферических отсеков, а в вершинах разбивки сходится по 3 и 5 сборных отсеков (рис. 3б), анализировался на предмет наличия аналогичного с предыдущим случаем критерия патентоспособности при сравнении с той же самой сферической оболочкой-прототипом (рис. 3а), включающей 30 ромбовидных сферических отсеков.

В результате все варианты описанной выше геометрической разбивки/структуры новых оболочек были защищены патентом на полезную модель [5]. [Общее для всех выше- и нижеприведенных примеров примечание: стрелки на рисунках отнюдь не означают, что новые решения получены на основе выбранных прототипов путем их модификации. Они лишь подчеркивают переход от известного аналогового решения к новаторскому, обладающему большей технической эффективностью].

Рис. 3. Запатентованное решение сборной изоэдральной сферической разбивки в шести геометрических вариантах (б – [3]).
Прототип (а). Использование одного из вариантов в качестве покрытия корабельного радара.
Автор патентных разработок, архитектурного концепта и рисунков А.В. Коротич

Пример 3

Экспериментально-поисковые научные исследования позволили получить комплекс из четырех геометрических вариантов многогранных модулей плотнейшего заполнения трехмерного пространства, имеющих центральную призматическую часть и торцевые пирамидообразные блоки из одинаковых четырехугольных оболочек формы гиперболического параболоида, ориентированные вершинами в противоположные стороны; причем вершины обоих торцевых блоков расположены на продольной оси центральной призматической части, а оболочки одного торцевого блока каждого из модулей выполнены перевернутыми относительно оболочек противолежащего торцевого блока (рис. 4б).

Варианты модулей могут иметь квадратное сечение центральной призматической части и ограничены торцевыми блоками, составленными из четырех оболочек-гипаров каждый. А варианты модулей, имеющих шестиугольное поперечное сечение центральной призматической части, ограничены торцевыми блоками, содержащими по три оболочки-гипара каждый.

Варианты плотнейших составных пространственных конгломератов на основе базовых модулей, имеющих квадратное и шестиугольное поперечное сечение в центральной части, могут иметь различные очертания и показаны на рис. 4в.

Далее, из Блока 1 был выбран прототип, по совокупности структурно-геометрических существенных признаков наиболее близкий к возможному патентоспособному решению, – известный модуль плотнейшего заполнения пространства, имеющий форму замкнутого многогранника с центральной частью в виде квадратного в поперечном сечении призматического отсека, к торцевым участков которого присоединены два одинаковых торцевых плоскогранных пирамидальных блока, составленных из четырех ромбовидных пластин каждый и ориентированных вершинами, расположенными на продольной оси центральной части, в противоположные стороны (рис. 4а).

Рис. 4. Запатентованное решение многогранного модуля плотнейших пространственных упаковок в четырех геометрических вариантах (б – [4]).
Возможные варианты плотнейших составных пространственных конгломератов на основе модуля (в). Прототип (а).
Автор патентных разработок, архитектурных концептов и рисунков А.В. Коротич

В результате сравнительного анализа полученного решения модуля и прототипа по техническому критерию патентоспособности – надежности конструктивной работы модуля при сложнокомбинированном характере нагружения торцевых блоков – было выявлено преимущество нового решения по сравнению с прототипом, в результате чего после подачи соответствующей заявки был получен патент на полезную модель [6].

Пример 4

В результате поисковых формотворческих экспериментов была создана составная оболочка, включающая автономные соосные поверхности вращения, расположенные с узким щелевым зазором относительно друг друга. Анализ геометрии оболочки позволил предположить ее возможное эффективное использование в качестве оригинальной башни промышленного теплообменника – градирни (конденсационной башни). Предложенное промышленное сооружение содержит вытяжную башню, а также расположенный внутри нее водосборный бассейн с оросителем, выполненным в виде осевой вертикальной распределительной трубы, вдоль которой с зазором относительно друг друга расположены соосные полые оболочки в виде отсеков поверхностей вращения. Вытяжная башня выполнена в виде отдельных соосных кольцевых ярусов, расположенных с узким щелевым зазором относительно друг друга вдоль вертикальной распределительной трубы; при этом каждый кольцевой ярус башни образован наружной полой оболочкой вращения и сопряжен с соответствующей внутренней соосной полой оболочкой оросителя, имеющей встречную пространственную ориентацию (рис. 5б).

Анализ подобных решений, представленных в Блоке 1, позволил выявить наиболее близкое по совокупности структурных признаков к новому решению сооружение – градирню, содержащую вытяжную башню гиперболического очертания, а также расположенный внутри нее водосборный бассейн с оросителем, выполненным в виде осевой вертикальной распределительной трубы, вдоль которой с зазором относительно друг друга расположены соосные полые оболочки в виде отсеков поверхностей вращения (прототип – рис. 5а).

Рис. 5. Запатентованное решение промышленной градирни (б – [5]). Прототип (а).
Автор патентной разработки, архитектурных концептов и рисунков А.В. Коротич

Сравнительный анализ двух решений по критерию патентоспособности – эффективности/скорости охлаждения теплоносителя – позволил установить, что новое решение обладает преимуществом вследствие резкого увеличения турбулентности (интенсивности движения) воздушных потоков, восходящих от основания сооружения к его вершине за счет наличия узких щелей между соосными оболочками вытяжной башни. Эффективность устройства обусловлена также тем, что забор охлаждающих теплоноситель воздушных масс производится не только с уровня земли, но и на различных высотных отметках через зазоры между смежными кольцевыми ярусами вытяжной башни и оболочками оросителя, щелевидный характер которых обусловливает повышенную скорость прохождения воздушных масс и ускоренное двустороннее охлаждение водяной пленки, распределенной по поверхности оболочек оросителя. В свою очередь, данное преимущество обусловливает снижение материалоемкости сооружения вследствие возможности значительно уменьшить его высоту. Данные основания в совокупности позволили получить патент на полезную модель [7].

Пример 5

Композиционно-геометрическое моделирование составных куполообразных покрытий из зеркально равных и одинаковых элементов формы гиперболического параболоида позволило получить новый составной купол, включающий ярусы однотипных состыкованных друг с другом шестиугольных пространственных элементов, каждый из которых включает шесть гиперболических оболочек, состыкованных с образованием трех внутренних ребер, пересекающихся в его центральной вершине и соединяющих середины его противолежащих контурных кромок; при этом внутренние ребра всех шестиугольных элементов, соединяющие середины противолежащих кромок Л-образных контурных участков каждого из шестиугольных элементов, в совокупности образуют систему пересекающихся линейных диагональных ребер на поверхности оболочки купола, а внутренние горизонтальные ребра шестиугольных элементов каждого яруса в совокупности образуют подобные замкнутые правильные многоугольники, расположенные соосно и последовательно уменьшающиеся от основания купола к его вершине (рис. 6б).

Потенциально патентоспособное новое решение купола было проверено на новизну, в результате чего в информационном Блоке 1 был выявлен ближайший по совокупности существенных структурных признаков аналог – составное купольное покрытие, включающее однотипные шестиугольные пространственные элементы, расположенные кольцевыми складчатыми ярусами, очерченными зигзагообразными основаниями; при этом каждый шестиугольный элемент любого из ярусов содержит две зеркально симметричные оболочки в виде отсека гиперболического параболоида, состыкованные по наклонному ребру (рис. 6а).

Рис. 6. Два отдельно запатентованных решения составных куполообразных складчатых покрытий (б –  [6], в – [7]),
имеющих общий прототип (а). Автор патентных разработок и рисунков А.В. Коротич

Сравнительный структурный анализ двух решений по техническому критерию патентоспособности – характеристике местной жесткости оболочки купола – позволил установить преимущества нового типа купола за счет увеличения количества и расположения внутренних диагональных и горизонтальных ребер на его поверхности, что, в свою очередь, обусловило снижение его материалоемкости, и в итоге – его патентную защиту как полезной модели [8].

Пример 6

В результате проведенных экспериментов по вариантному геометрическому конструированию составных пирамидообразных куполообразных оболочек создано потенциально патентоспособное решение складчатого купола, содержащего ярусы однотипных состыкованных друг с другом шестиугольных пространственных элементов, каждый из которых включает зеркально равные оболочки в виде отсеков гиперболического параболоида с прямыми кромками, и у каждого элемента две равные противолежащие боковые кромки выполнены вертикальными, а пары других равных кромок образуют Л-образные выпуклый и вогнутый контурные участки зигзагообразных многоугольных оснований яруса, расположенные по разные стороны от плоскости боковых вертикальных кромок; при этом каждый шестиугольный элемент выполнен равносторонним и включает три однотипные гиперболические оболочки, соединенные по кромкам с образованием трех внутренних равновеликих ребер, исходящих из вершин контура шестиугольного элемента через одну и состыкованных в его центральной вершине (рис. 6в).

Полученный новый купол анализировался на предмет наличия аналогичного с предыдущим случаем критерия патентоспособности – местной жесткости оболочки купола – при сравнении его качественных структурных характеристик с той же самой куполообразной оболочкой-прототипом (рис. 6а). Кроме того, дополнительно обнаружилось новое качество – внутренний объем нового купола увеличивается за счет выполнения центральных вершин всех составляющих шестиугольных элементов выпуклыми. Выявленные преимущества нового решения в совокупности обусловили его патентоспособность как полезной модели [9].

Пример 7

В результате сложных многолетних практических экспериментов с объемным макетами получен оригинальный складной модуль, имеющий трубчатое очертание и включающий складчатые кольцеобразные секции, последовательно состыкованные друг с другом по сторонам равносторонних многоугольных оснований и составленные из идентичных неравносторонних треугольных панелей, соединенных по кромкам гибкими/шарнирными связями, где идентичные треугольные панели выполнены таким образом, что наиболее длинная сторона каждой из них является диагональю описанного квадрата, вторая сторона проходит от угла квадрата к середине противолежащей его стороны, а третья является половиной стороны квадрата; при этом равносторонние многоугольные основания состыкованных складчатых кольцеобразных секций выполнены в виде правильных девятиугольников (рис. 7б).

Раскрытие модуля складного, а также обратное его плотное пакетирование осуществляется путем спиральной трансформации (вращение крайних многоугольных оснований складчатых кольцеобразных секций в противоположных направлениях с одновременным их складыванием или раздвижкой вдоль оси).

При этом степень развертывания складчатых секций на различных участках конструкции может быть автономной и различной (например, некоторые секции могут быть максимально раскрыты, а соседние секции – сложены в плотный пакет).

Опыты с экспериментальными объемными моделями показали, что степень пакетируемости нового модуля (отношение длины конструкции в полностью раскрытом состоянии к ее толщине в виде плотного пакета в максимально сложенном состоянии) при реализации совокупности существенных признаков может достигать значения 40:1 (на сегодня – наибольшее значение среди всех известных конструкций оболочек трубчатого типа). При этом именно описанная совокупность существенных структурных признаков позволяет осуществлять принципиальную трансформацию модуля наиболее эффективно: складчатые секции модуля, имеющие иное число сторон многоугольных оснований или составляющие треугольники с другими пропорциями, не создают возможности производить спиральную трансформацию структуры.

Далее, из информационного Блока 1 была выбрана наиболее близкая к полученному решению по совокупности существенных структурных признаков оболочка – известная складчатая трубчатая структура, включающая ромбовидные складки из равнобедренных треугольных пластин (рис. 7а).

Рис. 7. Запатентованное решение трансформируемого трубчатого модуля со складчатой оболочкой (б – [8]). Прототип (а).
Автор патентной разработки и рисунков А.В. Коротич

В результате сравнительного анализа двух решений по основным критериям патентоспособности – принципиальной возможности свободной обратимой трансформации структуры и максимальной степени пакетируемости – был выявлен главный недостаток прототипа – невозможность свободной обратимой трансформации замкнутого трубчатого объема без деформации и разрушения оболочки (смятия складок, разрыва ребер), что исключает его использование в качестве, например, космических шлюзов и укрытий, тем самым понижая диапазон его эффективного функционального использования. Данное обстоятельство обусловило патентоспособность нового решения и выдачу патента на полезную модель [10].

Пример 8

Поисковые эксперименты с тонкостенными линейчатыми оболочками сложной многоугольной конфигурации позволили создать оригинальные решения пирамидообразных модулей составных структур из элементов формы гиперболического параболоида или коноида, где каждый из модулей имеет крестообразную или трехлучевую конфигурацию основания (рис. 8б). При этом в каждом из модулей, составленном из пар зеркально симметричных четырехугольных линейчатых оболочек двоякой кривизны, состыкованных по кромкам с образованием звездчатого многолучевого основания из равных прямолинейных участков и центральной осевой вершины, расположенной вне плоскости основания и соединенной с основанием пучком наклонных радиальных ребер, каждый луч содержит по две зеркально симметричные линейчатые оболочки, состыкованные по радиальному прямолинейному ребру.

В типовом модуле радиальное наклонное прямолинейное ребро стыковки двух оболочек внутри каждого луча может соединять центральную осевую вершину с серединой наиболее удаленной стороны звездчатого основания либо с наиболее удаленной вершиной звездчатого основания. В каждом модуле радиальные ребра соединения лучей могут быть выполнены прямолинейными либо в виде одинаковых плоских выпуклых дуг.

В информационном Блоке 1 был выбран прототип, наиболее близкий по технической сущности к полученной геометрической модели – известный куполообразный пирамидообразный модуль, имеющий звездчатое трехлучевое многоугольное основание из равных прямолинейных участков и составленный из разнотипных четырехугольных линейчатых оболочек двоякой отрицательной кривизны типа гипара с прямыми кромками, где в угловые вершины основания через одну установлены Г-образные ребра, состыкованные в центральной осевой вершине и чередующиеся с наклонными ребрами, соединяющими центральную осевую вершину с промежуточными вершинами многоугольного основания (рис. 8а).

Рис. 8. Запатентованное решение модуля пирамидообразного в четырех вариантах
с крестообразным и трехлучевым основаниями (б – [9]). Прототип (а).
Автор патентной разработки и рисунков А.В. Коротич

Сравнительный анализ двух решений модулей по критериям патентоспособности – трудоемкости изготовления модулей и количества типоразмеров составляющих элементов – позволил выявить очевидные недостатки известного решения-прототипа: значительное число сходящихся в центральной осевой вершине ребер, а также разнотипность составляющих четырехугольных оболочек в итоге обусловливают значительную трудоемкость изготовления элементов и монтажа составной оболочки. При этом данные недостатки в геометрической структуре нового решения модуля полностью отсутствуют, что и обусловило его патентоспособность [11].

Пример 9

Поиски рациональных форм радиальных складчатых оболочек привели к созданию радиального покрытия, очерченного замкнутым многоугольным контуром, включающего гибко/шарнирно соединенные треугольные тонкостенные панели, и состоящего из спаренных полых клиновидных пирамидальных элементов, у которых одно ребро является общим центральным осевым, а наиболее удаленные от центра ребра составляют участки многоугольного замкнутого контура; причем спаренные клиновидные элементы имеют плоскую развертку из четырех равнобедренных треугольников с равными основаниями, последовательно состыкованных друг с другом вершинами оснований, и к которым по боковым сторонам присоединены три однотипных треугольника, ориентированные вершинами в противоположную сторону, у каждого из которых по две боковых стороны равны соответствующим сторонам смежных равнобедренных треугольников, а третья сторона соединяет вершины двух соседних равнобедренных треугольников и составляет центральное осевое ребро покрытия (рис. 9б).

Радиальное покрытие может содержать произвольное количество спаренных клиновидных элементов, последовательно соединенных по боковым треугольным граням с образованием единого центрального осевого ребра. Также оно может иметь сплошное или периодическое, линейное или точечное опирание по многоугольному кольцеобразному контуру либо выполняться в консольном варианте, располагаясь на центральной осевой опоре. Четыре равнобедренных треугольника плоской развертки спаренных клиновидных элементов могут выстраиваться основаниями по прямой линии или дуге; они могут выполняться равными либо попарно равными, чередуясь друг с другом.

Реестр технических решений Блока 1 позволил выявить наиболее близкий по определяющим структурным признакам прототип – складчатое плоскогранное радиальное покрытие, очерченное симметричным многоугольным контуром и включающее исходящие из центра радиальные складки из треугольных панелей, расширяющиеся от центральной вершины к контуру и соединенные однотипными треугольными гранями, очерчивающими замкнутый кольцеобразный контур (рис. 9а).

Рис. 9. Два отдельно запатентованных решения радиально-лучевых складчатых покрытий (б – [10], в – [11]),
имеющих общий прототип (а). Автор патентных разработок и рисунков А.В. Коротич

Сравнительный анализ созданного покрытия и прототипа по комплексу критериев патентоспособности – характеристикам общей и местной жесткости, возможности увеличения перекрываемого пролета, возможности выполнения оболочки в консольном конструктивном варианте – позволил выявить соответствующий комплекс существенных недостатков, присущих прототипу: значительная общая деформативность покрытия вследствие кинематической изменяемости геометрической структуры и малая местная жесткость оболочки вследствие уменьшения поперечного сечения складок к середине конструкции в совокупности не позволяют увеличить перекрываемый пролет, а также выполнять покрытие в консольном конструктивном варианте.

Новая структура радиального покрытия не содержит указанных недостатков, а, следовательно, обладает техническими преимуществами перед прототипом, что и обусловило ее охраноспособность в виде патента на полезную модель [12].

Пример 10

Было создано новое радиальное покрытие, выполненное из двух зеркально симметричных складчатых радиальных слоев, состыкованных друг с другом по соответствующим контактным радиальным ребрам; причем центральные кромки всех радиальных складок обоих слоев соединены в общее осевое ребро, перпендикулярное плоскости многоугольного контура; при этом поверхности радиальных складок каждого слоя выполнены упруго изогнутыми, а соответствующие друг другу радиальные складки обоих слоев попарно соединены по равным радиальным кромкам и объединены по краевым кромкам контурными складками из двух одинаковых равнобедренных треугольных граней с образованием внутренней замкнутой полости ромбовидного поперечного сечения (рис. 9в).

Предложенное складчатое покрытие имеет плоскую прямоугольную развертку из двух зеркально симметричных полотен, соответствующих двум складчатым радиальным слоям. Данные полотна включают одинаковые симметрично расположенные трапециедальные грани, смежные из которых соединены по параллельным кромкам и объединены друг с другом парами равнобедренных треугольных граней, линии стыковки которых в совокупности формируют плоский многоугольный кольцеобразный контур покрытия при складывании плоской развертки.

Вместе с тем покрытие складчатое может быть собрано поэлементно, т.е. из спаренных зеркально симметричных складок двух слоев с образованием внутренней замкнутой полости; далее полученные складчатые элементы ромбовидного поперечного сечения собираются в радиальную конструкцию известными способами.

Контурные складки из двух равнобедренных треугольных граней раскрепляют радиальные складки обоих сочлененных слоев, не позволяя им сложиться в пакет при сдвигающих усилиях. Наличие таких контурных диафрагм жесткости вкупе с двуслойной складчатой структурой, упругим изгибом поверхностей складок, а также жестким соединением центральных кромок всех радиальных складок в едином осевом ребре позволяет существенно повысить общую и местную жесткость покрытия и вследствие этого увеличить перекрываемый пролет.

Было проведено аналитическое сопоставление полученного решения с описанным в предыдущем примере прототипом (рис. 9а) на предмет соответствия новой оболочки аналогичным же критериям патентоспособности. Данное сопоставление показало наличие очевидных преимуществ нового решения перед прототипом; в результате новое радиальное покрытие защищено патентом на полезную модель [13].

Представленные примеры реализации «обратного» пути при создании новых патентоспособных решений наглядно показывают его значительный изобретательский потенциал. При формировании в ходе учебной или профессиональной деятельности двух индивидуальных информационных блоков – возможных аналогов/прототипов и собственных патентоспособных разработок (новых технических решений) – у изобретателя появляется инструмент для обеспечения его значительным количеством патентов, число которых может резко возрасти при увеличении числа параметров, рассматриваемых при сравнительном анализе решений из баз. Если изобретатель дополнительно овладеет несложными комбинаторными приемами [2] (например, морфологическим анализом), его информационные базы могут стать источником для формирования сотен патентоспособных решений.

Заключение

Изучение в архитектурно-строительных университетах и институтах возможностей методик «прямого» и «обратного» пути при решении изобретательских задач позволит выпускникам не только обеспечить интерес к изобретательскому творчеству, но также выступить в качестве катализатора инновационных процессов в отраслевых предприятиях: архитектурных бюро, инжиниринговых фирмах, подрядных организациях и т. п.

Следует отметить, что представленные в статье изобретательские подходы («прямой» и «обратный» путь) в авторском оригинальном изложении публикуются впервые, они могут служить методологической базой для разработки как новых результативных методик архитектурно-технического творчества для научно-проектных и производственных организаций, с одной стороны, так и фронтирных образовательно-педагогических технологий и практик преподавания основ инновационной деятельности и отраслевого изобретательства в университетах – с другой.

Следует подчеркнуть, что изложенные встречные методические подходы имеют универсальный характер, они приемлемы для создания всего спектра охраноспособных объектов, защищаемых как патентами РФ на изобретения и полезные модели, так и художественно-эстетических решений изделий, защищаемых патентами на промышленные образцы. При этом авторы убеждены, что сущность многообразного изобретательского творчества двумя принципиальными подходами далеко не исчерпывается.

Разработка новых путей поиска эффективных технических и художественно-эстетических решений архитектурно-строительных объектов в настоящее время приобретает особую актуальность в контексте межгосударственной конкуренции различных сфер интеллектуальной деятельности, не только обозначая фронтир инновационных поисков и решений, но и определяя технологический уровень держав на международной арене, а также способствуя укреплению государственного престижа и национальной безопасности нашей страны в русле научно-технического прогресса и вызовов ХХI в.

Библиография

1. Саркисов, С.К. Инновации через призму архитектуры: кто способен изобретать, что следует изобретать в первую очередь и как создавать инновации / С.К. Саркисов. – М.: URSS, 2022. – 336 с.

2. Фомин, Н.И. Разработка и защита технических решений в строительстве / Н.И. Фомин, Ю.Д. Лысова. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2020. – 156 с.

3. Дубова, А.А. Особенности художественной формы объектов техники. Константы и контекст формотворчества / А.А. Дубова, Ю.В. Назаров // Декоративное искусство и предметно-пространственная среда. Вестник МГХПА им. С.Г. Строганова. – 2015. – № 2. – С. 133–145.

4. Патент 204912 РФ, МПК Е04В 1/00. Модуль сферический / А.В. Коротич (РФ). – № 2021105939; Заявл. 09.03.21; Опубл. 17.06.21; Бюл. № 17.

5. Патент 204605 РФ, МПК Е04В 1/32. Модуль сферический / А.В. Коротич (РФ). – № 2021105940; Заявл. 09.03.21; Опубл. 01.06.21; Бюл. № 16.

6. Патент 210470 РФ, МПК Е04В 1/19; Е04Н 1/02. Модуль плотнейшей структуры /А.В. Коротич (РФ). – № 2022100380; Заявл.12.01.22; Опубл. 15.04.22; Бюл. № 11.

7. Патент 116543 РФ, МПК Е04Н 5/12. Сооружение / Коротич А.В (РФ). – Опубл. 27.05.12; Бюл. № 15.

8. Патент 128226 РФ, МПК Е04В 7/10. Купол составной / Коротич А.В. (РФ) – Опубл. 20.05.13; Бюл. № 14.

9. Патент 128225 РФ, МПК Е04В 7/10. Купол складчатый / Коротич А.В. (РФ) – Опубл. 20.05.13; Бюл. № 14.

10. Патент 207516 РФ, МПК Е04В 7/10, 1/32, 1/343. Модуль складной / А.В. Коротич (РФ). – № 2021121128; Заявл. 16.07.21; Опубл. 01.11.21; Бюл. № 31.

11. Патент 205022 РФ, МПК Е04В 7/00. Модуль пирамидообразный / А.В. Коротич (РФ). – № 2021106508; Заявл. 12.03.21; Опубл. 23.06.21; Бюл. № 18.

12. Патент 209140 РФ, МПК Е04В 7/10. Покрытие радиальное / А.В. Коротич (РФ). – № 2021121126; Заявл. 16.07.21; Опубл. 02.02.22; Бюл. № 4.

13. Патент 211031 РФ, МПК Е04В 7/08. Покрытие складчатое / А.В. Коротич (РФ). – Заявл.12.01.22; № 2022100397; Опубл.18.05.22; Бюл. № 14.

14. Фомин, Н.И. Образовательный кластер инженерного творчества для обеспечения инновационной деятельности выпускников архитектурно-строительных специальностей / Н.И. Фомин, Л.И. Миронова // Педагогическое образование в России. – 2023. – № 2. – С. 145–155.

Ссылка для цитирования статьи

Коротич, А.В. Изобретательское творчество в архитектуре: «прямой» и «обратный» путь создания патентоспособных решений [Электронный ресурс] / А.В. Коротич, Н.И. Фомин, Л.И. Миронова // Архитектон: известия вузов. – 2023. – №2(82). – URL: http://archvuz.ru/2023_2/29/  – doi: 10.47055/19904126_2023_2(82)_29

Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons "Attrubution-ShareALike" ("Атрибуция - на тех же условиях"). 4.0 Всемирная