结构常识–Tensegrity/张体结构—未来的结构体系

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Tensegrity/张体结构—未来的结构体系

张拉整体结构（后称张体）很炫很悬，被称为未来结构。杆件之间互不直接相碰，仅通过拉索间接连接，建筑漂浮在空中一样，不说平头大众，穿长衫的工程师们也常常难以理解它的受力。

1948年，俄勒冈大学艺术系学生Snelson K/斯耐尔森,受包豪斯建筑学派作品的吸引，参加了北卡罗来纳州黑山学院举办的一个学习班。一建筑学教授要缺席一周，Fuller R.B./富勒代课。

那个无趣的秋天，斯氏做了几个雕塑模型，扭动的摆等，富氏没看懂其受力，要去了模型后来声称丢了:

此后富氏创造了一个名词tensegrity并申得了专利，造词没啥，比如我就造了“张体”这个词来缩写张拉整体，专利就不厚道了，斯氏自然不爽也在美国申得专利。法佬D.G. Emmerich和他们先后脚也在法国获得专利。专利申请有个非常长的公示期供社会异议，3人却没有互相乱射，这个好玩的现象也有个名词叫Mexican standoff/墨西哥僵局。可以明确的是3专利的模型是完全相同的: 互不相碰3直杆位于内部，被连续的拉索包围，体系自应力平衡。

大师之所以大师，得能把简单的问题复杂化，且无论你是造靶子的建筑师结构师，还是造炮的机械师，或者好声音的导师，都得能整到哲学高度。无哲学难忽悠。当然这不是问一句whoami就能把小辈折腾晕的，现在的熊孩子们饱经百淬千炼，拐不好卖了。

富氏声称这一概念源于大自然的启发。宇宙的运行（各位看官请着正装端坐）是按照张体的原理进行的，即万有引力是一个平衡的张力网、而各个星球是这个网中的一个个孤立点。如此张体结构可定义为一组不连续的受压构件与一套连续的受拉单元组成的自平衡的空间结构。由于它固有的符合自然规律的特点，最大限度地利用了材料和截面的特性，可以用尽量少的钢材建造超大跨度建筑。

上面最后这句话其实问题比较大，这么in这么cool这么diao的玩意儿，横空出世几十年了一直顶着未来结构的光环却没有被广泛采用，恰说明了它有致命的局限。

白话张体的局限之前，先参观下一些模型或已建成的一些构筑:

1968年斯耐尔森设计建造了 18米高的华盛顿Hirshhorn博物馆needle tower/针塔，，1969年在荷兰Kröller-Müller博物馆造了2.0版的needle tower II, 30米高，如本文题图。国内也有几个大学里有一些类似的雕塑小品，比如同济，但针塔尚未听说有建。

张体还曾有概念用于卫星的天线或电池支架，但因展开困难而败给shape memory matel/记忆金属:

blah…blah..blah…

看了这些你一定和我一样发现了，它们大都是小品、雕塑类的构筑物，而没有围成封闭使用空间的建筑。没错，这些都是根正苗红的张体，vice versa 根正苗红的张体也只能是这些个样子。

人们一边喜欢着，一边又难以实际应用。学界努力研究推广，国际空间与壳体结构协会历任主席都对它投入过精力推广。1990年国际空间结构杂志还出了结构专刊。

但是张体有3个明显的局限：首先是压杆过长，结构大忌；次之压杆横七竖八于结构内部，影响建筑功能布置；最后这东西看着太悬了，以至于其下的用户将会有强烈的不安全感。

不安全感不代表不安全，吓唬老百姓常常会有成就感，只能吓唬别砸下来啊。所以，如果能解决前两个毛病，将能出现让人爱恨交加的建筑。

1992年大牛D．L1．Geiger/盖格尔设计造出了geogriadome/佐治亚穹顶:

用钢不到30kg/m2(北京的鸟巢用钢超过300kg/m2)

它不算严格意义上的张体，因为周边有必不可少的混凝土压力环。

类似的还有2014 FIFA世界杯的巴西国家体育场，血统更淡:

如果佐治亚穹顶算的话，那自行车轮也当仁不让了:

生物学有混血优势的说法，张体艳遇混凝土，生出了高大上的佐治亚穹顶。索拉撑杆的幕墙体系同理，但因为兄弟姐妹太多反倒没人出头往张体上靠近乎，闷头发财的人也不在意虚名。

此外还有澳洲新建成的kurilpa桥:

以下文字摘改自中华钢结构论坛（www.okok.org）的帖子：

张体从设想到工程实践经历了以下几个阶段：想象和几何学、拓扑和图形分析、力学分析及试验研究。其中力学分析包括找形、自应力准则、工作机理和外力作用下的性能等。张体的几何形状同时依赖于构件的初始几何形状、关联结构(拓扑)及形成一定刚度的自应力的存在。另外这种体系在外力作用下的变形(与自应力的效果不同)也提出了其它结构问题，首先它属于临界类体系，结构在外荷载过程中刚度不断发生变化，传力途径也就随之改变其次这种结构只能在考虑了几何非线性甚至材料非线性时才能分析。

从50年代起，许多工作者都采用了靠想象的实用方法，如斯氏的雕塑及Moreno/莫瑞挪的设想等。最重要的几何学上的工作是由富勒和D．G．Emmerich/埃墨瑞赤完成的。加拿大的结构拓扑研究小组在形态学方面做了最重要的工作，他们出版的杂志包括了许多张体体系拓扑方面的文章，但这些研究都是数学上的，在三维空间上工程应用的研究也只为警告设计者们容易出现的不稳定方案。在大多数情况下，张体多面体几何的构成特性使得图形理论可以用来模型化它们的拓扑。

张体的找形分析为的是使体系的几何形式满足自应力平衡。对于一个基本单元，可以用一种简单的静力方法来获得，其原则包括寻找一个或一套元素的最大或最小长度，同时得到其它元素的尺寸条件。S．PeIIegrino/佩里哥瑞挪建议了用一种标准非线性程序解决这一问题的方法。而一个基于虚阻尼的动力松驰方法也得到了同样的结果。

张体结构的力学分析类似于预应力铰节点索杆网格结构，除了一些特殊的图形外，都含有内部机构，呈现几何柔性。为了研究的目的，除了一般的找形和静动力分析过程外，有时还用到一个中间过程：稳定性、机构及预应力状态的研究。该体系的分析模型必须考虑非线性特性和平衡自应力的存在。莫赫瑞〔Mohr；)说明了如何保证适当的自应力及单元的刚度，还给出了识别与索提供的刚度相一致的自应力状态的算法。张体结构的静力性能的非线性分析已经完成，其模型基于松驰原理或牛顿―拉夫逊型过程的矩阵追赶法原理，有人也做了动力松驰的模型。

斯耐尔森的极具艺术性的雕塑是体现张体思想的最早尝试。这之后富勒、埃墨瑞赤、O．VilnaY/瓦尔耐、R．Motro/莫特罗、a.Hanaor/汉纳等创造了多种张拉整体结构体系。目前在世界很多地方都建造了艺术性质的张拉整体结构，如法国的公园雕塑、华沙国际建筑联合会前的自张拉空间填充体、荷兰国家博物馆前覆盖的四棱柱张拉整体单体以及1958年富勒为布鲁塞尔博览会设计的一个有表现力的张拉整体桅杆等。

美国已故著名工程师(D．L1．Geiger/盖格尔为张体思想的发展做出了极大贡献。他在富勒张体穹顶的基础上，发明了支承于周边受压环梁上的一种索杆体系，即索穹顶，从而使得张体的概念首次应用到大跨度建筑工程中。1986年以他的名字命名的盖格尔公司将索穹顶结构成功应用于汉城奥运会的体操馆(D＝119．8m)和击剑馆(D＝89．9m)。之后又相继建成了美国伊利诺斯州大学的红乌体育馆(椭圆91．4mX76．8m)及佛罗里达州的太阳海岸穹顶(D＝210m)。1992年在美国建造了世界上最大的索穹顶体育馆――乔治亚穹顶(GeorgiaDome)。它是1996年亚特兰大奥运会的主体言馆，平面为椭圆形(193mX240m)。

盖格尔发明的索穹顶结构还没有完全实现结构自支承、自应力的原则，离开下部受压环梁则不能成应，故而可以说彻底的张体结构还没有建成。因此无论在理论分析方面还是施工技术及建筑材料方面都还有很多工作要做。

通过它第一次接触到张体结构。前些时候闲暇重新拾起，做了点相关探索并制造了几个模型：