拉力海洋中的孤岛--张拉整体

Original iStructure iStructure 2022-09-16

作者：杨笑天

起源

1948年,富勒在黑山学院演讲中提到了一个概念，“Small islands of compression in a sea of tension”。他比喻宇宙中的天体，就像是漂浮在万有引力的拉力海洋之中的、受压的孤岛，大自然中有“间断压、连续拉”的现象。

一名叫Kenneth Snelson的学生受到富勒的启发，设计了一件名为“Snelson's X” 的艺术装置作品，并拿给富勒看。

Snelson's X，Kenneth Snelson，1948年

富勒突然意识到，这个结构正是他苦苦寻找的答案。富勒用“tensional”(张拉) 和“integrity”(整体) 合成的新名词“Tensegrity” 张拉整体为其命名。

不过，几年之后富勒对于发现张拉整体结构这件事，许多场合不再提Snelson的名字了。另一方面，K.Snelson则用“Floating Compression”概括他的作品理念。

K.Snelson 和他的张拉整体结构

其实，张拉整体结构最早可追溯到1921年。雕刻家K.约翰逊展示了一个模型，它由3根杆和8根索组成。这个模型并不具有刚度，任一根索的收缩都会使模型产生机构性位移。不过，它与后来经典的3杆9索自平衡体已经非常接近。

3杆8索的模型，K.约翰逊

Simplex单元：3杆9索的张拉整体

3杆9索的张拉整体也叫Simplex单元。它是最简单的张拉整体结构，看上去很像一个三棱柱拧了一个角度，每根杆件的端点都有3根索连接。索为受压杆提供了轴向压力，并且“固定”了杆件端点的位置。Simplex单元是许多张拉整体作品的基本组件。

特点

张拉整体结构，是由“不连续的受压构件” 与 “连续的受拉单元” 组成的自支承、自应力的空间结构，受压构件之间不接触。

Skylon tower，1951

1951年，在英国展出的Skylon tower，共计6根索，塔柱的两端各有3根索，下方的3根索固定了结构位置，而上部的3根则让塔柱结构保持竖直。

张拉整体结构属于临界受力体系，结构刚度由预应力提供。在施加预应力之前，结构体系不稳定。初始预应力的大小对结构的外形和刚度起着决定性作用，因此需要考虑几何非线性才能进行分析。

富勒展示他设计的张拉整体球结构

对受过结构分析训练的人来说，看出传统结构的传力关系是相对容易的，而张拉整体则是牵一发而动全身，更为这种结构形式增添了一份神秘。

K.Snelson根据艺术灵感创作的艺术装置是张拉整体思想的最早尝试。而富勒、P.G.Emmerich、瓦尔耐（O.Vilnay）、莫特罗（R.Motro）、汉纳（A.Hanaor）则基于数学和图形理论，研究了多种张拉整体结构体系。

富勒基于短程线穹顶构造的20面体张拉结构

K.Snelson的创作

Kenneth Snelson( 1927 –2016),雕塑艺术家

从1948年开始，K.Snelson对于张拉整体装置的创作灵感似乎从未停止过。他创作了许许多多匪夷所思、极具视觉冲击力的艺术作品。

年轻K.Snelson坐在Tensegrity Tower上

上图的Tensegrity tower是由多个3杆9索的张拉整体（simplex）叠加成的，每层的下部三个压杆支点落在下一层顶部拉杆三角形的边上。

针塔Needle tower，30米高

Needle Tower是由K.Snelson于1968年设计的，由多个Simplex单元叠起来，形成尖塔造型。压杆为铝合金，拉索为不锈钢索，现陈列在美国华盛顿特区的Hirshhorn Museum and Sculpture公园。

仰视Needle tower

Needletower的现场安装过程

Spring Street, 1964，K.Snelson

Sun River, 1967

Sun Run, 1967

Northwood I, 1969

Cantilever, 1967

居然能悬挑这么大！

Key City, 1968

X-Planar Tower,1962-1988

雕塑作品“Fly”

Double City Boots,1968

B-Tree II, 1981-2006

Triple Crown, 1991

Dragon, 1999-2000

Vortex III, 2002

New Dimension, 1977

压杆与拉索的节点设计

Rainbow Arch, 2001

新的变化

大部分张拉整体结构设计，压杆构件只承受轴向力，是直线形状，但这不是必须的。典型例子是本文开头的“Snelson's X” 艺术装置，它的“压杆”是个X。还有比如以下几个张拉整体装置，受压体或为多杆，或为曲线，或为块体。

南京高等职业学校雕塑

建筑师:李少航、钟华颖; 结构师: 袁鑫

“悬浮”系列

建筑师:钟华颖; 结构师: 袁鑫

承担压力的构件是3维的，Frumar et al., 2009

球形张拉整体机器人，Böhm et al., 2016

机器人

从2013年开始，NASA在Ames Research Center开发的一个张拉整体机器人项目，用于未来探索行星表面。其中一个代表是NASA的Super Ball。它用的不是simplex，而是icosahedron，一共6个压杆。压杆上装有作动器，使得压杆可以伸长或缩短。

NASA的Super Ball张拉整体机器人

通过控制系统，调节拉索和压杆的长度，使得整个结构变形，然后驱运结构行进。NASA靠遗传算法和机器学习来找到适当的控制策略。国内浙江大学也在做这方面的研究。

白色犀牛

2001年，日本川口建一教授设计了一座索膜结构“White Rhino”，采用了2个张拉整体单元作为索膜的主要支撑构件，可能是张拉整体结构在建筑类结构中的首次应用。

“White Rhino”,日本千叶，2001年

张拉整体与索穹顶

1964年，富勒在张拉整体结构、短线程穹顶思想的基础上发明了Aspension Dome。Aspension是根据ascending suspension structure(向上升的悬吊式穹顶)创造出的新词。利用环向和径向拉索将立柱层层向上抬起排列，形成穹顶形态。Aspension Dome是一种全新的结构形式。

富勒设计的悬吊穹顶Aspension Dome，1964年

盖格尔（D.H.Geiger）在富勒张拉整体思想的基础上，发明了支承于周边受压环梁上的一种索杆预应力张拉整体穹顶体系，即索穹顶。1986年盖格尔将索穹顶结构体系成功应用于汉城奥运会的体操馆（D=119.8m）、击剑馆(D=89.9m)

1992年M.莱维(Levy)设计了一种稳定性更好的三角形网格穹顶，作为亚特兰大奥运会的主体育馆，乔治亚穹顶(Georgia Dome)平面呈椭圆形(193m×240m)，双曲抛物面型张拉整体索穹顶的用钢量仅30㎏/㎡。

M.莱维(Levy)设计的乔治亚穹顶(1992年)

因维护和使用原因，于2017年被爆破拆除

索穹顶是Aspension Dome张拉整体结构的进化,但它还没有严格实现结构自支承、自应力的原则，它离开下部受压环梁则不能成立。

张拉整体的概念至今已有70年的历史了。遗憾的是，实践作用或用于雕塑装置，或仅停留在模型层面，没有真正的、完全意义上构造建筑空间的案例。

网络上有关于“如何做一个张拉整体”的视频，大家不妨学着做一个张拉整体模型，感受一下它的神奇。

参考文献

1. Kenneth Snelson_Art_And_Ideas

2. 知乎Aaron Dong：

zhuanlan.zhihu.com/p/29875553