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“压杆如孤岛存在于拉杆之海”
—巴克敏斯特·富勒
1 缘起
最近在学习kangaroo时，正好看到一期张拉结构的模拟视频，之前一直就觉得张拉整体结构很有意思，借此整理了一些张拉整体结构的资料。
我们先看一些有趣的试验。
▲张拉整体小案例
1920年拉脱维亚艺术家Ioganson创作完成一件划时代的艺术雕塑作品。该作品外观为空间结构体系，后被人们标称为质轻、非连续、智能的张拉整体结构前身。在当时Ioganson尽管没有对张拉整体结构下定义，也不知道何为张拉整体结构，但是其完成的艺术雕塑作品却体现了张拉整体结构的思路，即自平衡性。
▲Ioganson艺术作品
“拉力的海洋之中存有着受压的孤岛”便是最早对“张拉整体结构”的定义，最早由美国建筑师和发明家巴克敏斯特·富勒（Richard Buckminster Fuller）在1961年提出。
Fuller 认为：受力状态是宇宙是常态、稳态，存在于整个范围内。辽阔的宇宙中世界万物都有着自身的吸引力，互相吸引着彼此，互相扯动着彼此，拉力是空间范围中客观存在的力学状况，与拉力相对应的压力出于平衡的需要，仅存在于物体自身的空间领域，在某种程度上宇宙可以假定为张拉整体结构。Fuller对张拉整体结构的认识不仅仅涉及到建筑结构领域，还涉及到了人类文明哲学，这种划时代的的举措为张拉整体结构接下来的发展铺垫了有力的基础。
▲巴克敏斯特·富勒和他设计的张拉结构
▲富勒穹顶
▲Snelson坐在设计的张拉塔上
▲富勒穹顶
Fuller 所提出的“万物互相吸引”哲学化张拉整体思想深入人心，深深触动了美国工程师 Geiger，于1986年创造性提出了张拉整体式索穹顶结构，并成功将实验室模型应用于生产活动中—汉城奥运会体操馆。
▲索穹顶结构
▲汉城奥运会体操馆
Levy 发现张拉整体式索穹顶结构体系中脊索往往以辐射状形式布置，这会导致结构体系索网平面内刚度富裕，而平面外刚度不足，结构体系刚度缺陷的存在会诱发局部失稳，进而引起整体坍塌，Levy总结改善了张拉整体式索穹顶结构体系，将辐射状布置改换成成三角化联方型布置，如1996 年亚特兰大奥运会主体育馆。乔治亚穹顶平面投影为椭圆形，跨度为 240m×193m，一度为世界上跨度最大的体育场。乔治亚穹顶不仅设计新颖，而且用钢量极少，单位用钢量不到30公斤。
▲亚特兰大奥运会的主体育馆
▲亚特兰大奥运会的乔治亚巨蛋
2017年，这座曾经的最大的索穹顶结构，被以近2250公斤炸药从内部爆破拆除。
穹顶结构大量采用预应力钢索，压杆少而短，所以能充分发挥钢材的抗拉强度，结构效率极高。以其新颖的造型、巧妙的构思、合理的受力、经济的造价、快速的施工，赢得了工程师们的喜爱，并被成功地应用在一些大跨度、超大跨度建筑的屋盖设计中，是近年来国内外空间结构的研究热点之一。
然而严格意义上说，这些穹顶并不是真正的张拉整体结构，因为他们需要依附边界约束来维持结构的稳定。2001 年日本千叶市建造的实验设施是最早的在建筑领域尝试使用“真实”的张拉整体结构的建筑。两个结构完全由张拉整体单元构成，每个单元的顶部有一个隔离支柱用于支撑薄膜屋顶。
▲日本千叶市的游乐设施
现今世界上存在的最大的一座启发于张拉整体结构思想而建造的张拉整体人行桥是位于澳大利亚昆士兰州的布里斯班州府（Brisbane，Queensland，Australia）的Kurilpa Bridge 桥梁，该桥梁的跨径达到了 120 米。这座桥是Cox Rayner Architects与Arup共同设计的。桥一共三跨，两个桥墩上各有4个主杆，中间部分两侧有一堆次杆（minor masts），横着的有一些flying struts，然后用cables把它们都连在一起。根据Arup公司的说法，这一套系统起着三个功能：
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悬挂上方的遮蓬
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防止由于风荷载等造成主杆和次杆buckling
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提供torsional rigidity
▲澳大利亚昆士兰的库利尔帕桥
▲南京高等职业学校雕塑
▲“悬浮”系列
我们利用rhino平台中kangaroo可以很方便的模拟一些简单张拉整体情况。下图我们文章开篇里面的小案例的模拟。
▲模拟案例一 （来源：rhino官网）
▲模拟案例三
小编已经将模拟的rhino及gh文件上传到网盘ycz007.ys168.com上，感兴趣的朋友可以自行下载，也可以尝试模拟一下其他更复杂的一些情况。
5 试验
我们可以利用身边的一些材料，尝试做一个小的“悬浮结构”。
▲张拉整体结构
上面图是一个很简单的一个张拉结构，做起来也比较方便。找了半天，也没找到钢丝或者铁棒，突然发现衣架上的晾衣架刚度还可以。于是乎，晾衣架，手工剩下的线，一个简单的张拉结构就做好了
▲张拉整体结构
总体效果还是可以的，竖向刚度较大，水平刚度也还可以，但是由于构件做的不够标准，竖向荷载下，荷载不均布时，容易失去平衡。扭转刚度较差，施加一个很小的扭力，就会失去平衡。这是一个很简单的张拉整体的结构，大家有兴趣的可以尝试做一下更复杂的结构。
家里有小朋友的同事，可以带着小朋友用乐高参照上面的视频做一些有意思的张拉结构，正好可以教给小朋友一些力学知识。
6 小结
目前张拉整体结构在建筑上应用，并没有完全实现结构的自支撑、自应力原则，离不开下部受压环梁或者其他构件的支持，彻底的大跨度张拉整体结构在建筑上应用还没有建成，大多数还是以雕塑为主。
参考资料：
[1] Geiger D, Stefaniuk A, Chen D. The design and construction of two cable domes for the Korean Olympics [C]. Proceedings. of the IASS Symposium on Shells, Membranes and Space Frames. 1986: 265-272.
[5] 伍艺. 张拉整体结构多稳态找形分析及力学性能研究[D].东南大学,2018.
[6] 王征. 张拉整体结构的找形和稳定性分析[D].西安电子科技大学,2012.
[7] 孙国鼎. 张拉整体结构的形态分析[D].西安电子科技大学,2010.
[8] 许贤. 张拉整体结构的形态理论与控制方法研究[D].浙江大学,2009.
[9] rhino官网教程. https://class.rhino3d.asia/detail/p_5ea0591d8bfd8_4MwUtAiv/6.
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严从志
