[分享]拉力海洋中的孤岛--张拉整体

发表于2018-11-24     997人浏览     1人跟帖     总热度:41  

拉力海洋中的孤岛--张拉整体

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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。
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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。
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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。
 
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3杆8索的模型,K.约翰逊
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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。
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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。
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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。
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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。
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富勒基于短程线穹顶构造的20面体张拉结构
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K.Snelson的创作

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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。他创作了许许多匪夷所思、极具视觉冲击力的艺术作品。
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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。
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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。 
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仰视Needle tower
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Needletower的现场安装过程

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Spring Street, 1964,K.Snelson

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Sun River, 1967

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Sun Run, 1967

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Northwood I, 1969

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Cantilever, 1967
居然能悬挑这么大!

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Key City, 1968

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X-Planar Tower,1962-1988

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雕塑作品“Fly”

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Double City Boots,1968

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B-Tree II, 1981-2006

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Triple Crown, 1991

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Dragon, 1999-2000

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Vortex III, 2002
 
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New Dimension, 1977

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压杆与拉索的节点设计

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Rainbow Arch, 2001
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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。
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南京高等职业学校雕塑  
建筑师:李少航、钟华颖;  结构师: 袁鑫

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“悬浮”系列  
建筑师:钟华颖;  结构师: 袁鑫

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承担压力的构件是3维的,Frumar et al., 2009

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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。
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 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。
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“White Rhino”,日本千叶,2001年
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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。
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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㎏/㎡。
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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。
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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
3. wikipedia.org/wiki/Kenneth_Snelson



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 发表于2018-11-24   |  只看该作者      

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