來源：iStructure（id:iStructure2017)

作者：楊笑天

 

起    源

1948年,富勒在黑山學院演講中提到了一個概念，“Small islands of compression in a sea of tension”。他比喻宇宙中的天體，就像是漂浮在萬有引力的拉力海洋之中的、受壓的孤島，大自然中有“間斷壓、連續(xù)拉”的現(xiàn)象。

一名叫Kenneth Snelson的學生受到富勒的啟發(fā)，設計了一件名為“Snelson's X” 的藝術裝置作品，并拿給富勒看。

Snelson's X，Kenneth Snelson，1948年

富勒突然意識到，這個結構正是他苦苦尋找的答案。富勒用“tensional”(張拉) 和“integrity”(整體) 合成的新名詞“Tensegrity” 張拉整體為其命名。

不過，幾年之后富勒對于發(fā)現(xiàn)張拉整體結構這件事，許多場合不再提Snelson的名字了。另一方面，K.Snelson則用“Floating Compression”概括他的作品理念。

K.Snelson 和他的張拉整體結構 

其實，張拉整體結構最早可追溯到1921年。雕刻家K.約翰遜展示了一個模型，它由3根桿和8根索組成。這個模型并不具有剛度，任一根索的收縮都會使模型產生機構性位移。不過，它與后來經典的3桿9索自平衡體已經非常接近。

 

3桿8索的模型，K.約翰遜

Simplex單元：3桿9索的張拉整體

3桿9索的張拉整體 也叫Simplex單元。它是最簡單的張拉整體結構，看上去很像一個三棱柱擰了一個角度，每根桿件的端點都有3根索連接。索為受壓桿提供了軸向壓力，并且“固定”了桿件端點的位置。Simplex單元是許多張拉整體作品的基本組件。 

特   點

張拉整體結構，是由“不連續(xù)的受壓構件” 與 “連續(xù)的受拉單元” 組成的自支承、自應力的空間結構，受壓構件之間不接觸。

Skylon tower，1951

1951年，在英國展出的Skylon tower，共計6根索，塔柱的兩端各有3根索 ，下方的3根索固定了結構位置，而上部的3根則讓塔柱結構保持豎直。

張拉整體結構屬于臨界受力體系，結構剛度由預應力提供。在施加預應力之前，結構體系不穩(wěn)定。初始預應力的大小對結構的外形和剛度起著決定性作用，因此需要考慮幾何非線性才能進行分析。

富勒 展示他設計的張拉整體球結構

對受過結構分析訓練的人來說，看出傳統(tǒng)結構的傳力關系是相對容易的，而張拉整體則是牽一發(fā)而動全身，更為這種結構形式增添了一份神秘。

K.Snelson根據藝術靈感創(chuàng)作的藝術裝置是張拉整體思想的最早嘗試。而富勒、P.G.Emmerich、瓦爾耐（O.Vilnay）、莫特羅（R.Motro）、漢納（A.Hanaor）則基于數學和圖形理論，研究了多種張拉整體結構體系。

富勒基于短程線穹頂構造的20面體張拉結構

K.Snelson的創(chuàng)作

Kenneth Snelson( 1927 –2016),雕塑藝術家

從1948年開始，K.Snelson對于張拉整體裝置的創(chuàng)作靈感似乎從未停止過。他創(chuàng)作了許許多多匪夷所思、極具視覺沖擊力的藝術作品。

年輕K.Snelson坐在Tensegrity Tower上

上圖的Tensegrity tower是由多個3桿9索的張拉整體（simplex）疊加成的，每層的下部三個壓桿支點落在下一層頂部拉桿三角形的邊上。

針塔Needle tower，30米高

Needle Tower是由K.Snelson于1968年設計的，由多個Simplex單元疊起來，形成尖塔造型。壓桿為鋁合金，拉索為不銹鋼索，現(xiàn)陳列在美國華盛頓特區(qū)的Hirshhorn Museum and Sculpture公園。 

仰視Needle tower

 Needletower的現(xiàn)場安裝過程

Spring Street, 1964，K.Snelson

Sun River, 1967

Sun Run, 1967

Northwood I, 1969

Cantilever, 1967

居然能懸挑這么大！

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

壓桿與拉索的節(jié)點設計

Rainbow Arch, 2001 

新的變化

大部分張拉整體結構設計，壓桿構件只承受軸向力，是直線形狀，但這不是必須的。典型例子是本文開頭的“Snelson's X” 藝術裝置，它的“壓桿”是個X。還有比如以下幾個張拉整體裝置，受壓體或為多桿，或為曲線，或為塊體。

南京高等職業(yè)學校雕塑  

建筑師:李少航、鐘華穎;  結構師: 袁鑫

“懸浮”系列  

建筑師:鐘華穎;  結構師: 袁鑫

承擔壓力的構件是3維的，F(xiàn)rumar et al., 2009

球形張拉整體機器人，B?hm et al., 2016

機器人

從2013年開始，NASA在Ames Research Center開發(fā)的一個張拉整體機器人項目，用于未來探索行星表面。其中一個代表是NASA的Super Ball。它用的不是simplex，而是icosahedron，一共6個壓桿。壓桿上裝有作動器，使得壓桿可以伸長或縮短。

 NASA的Super Ball張拉整體機器人

通過控制系統(tǒng)，調節(jié)拉索和壓桿的長度，使得整個結構變形，然后驅運結構行進。NASA靠遺傳算法和機器學習來找到適當的控制策略。國內浙江大學也在做這方面的研究。 

 

白色犀牛

2001年，日本川口建一教授設計了一座索膜結構“White Rhino”，采用了2個張拉整體單元作為索膜的主要支撐構件，可能是張拉整體結構在建筑類結構中的首次應用。

“White Rhino”,日本千葉，2001年 

張拉整體與索穹頂

1964年，富勒在張拉整體結構、短線程穹頂思想的基礎上發(fā)明了Aspension Dome。Aspension是根據ascending suspension structure(向上升的懸吊式穹頂)創(chuàng)造出的新詞。利用環(huán)向和徑向拉索將立柱層層向上抬起排列，形成穹頂形態(tài)。Aspension Dome是一種全新的結構形式。

富勒設計的懸吊穹頂Aspension Dome，1964年

蓋格爾（D.H.Geiger）在富勒張拉整體思想的基礎上，發(fā)明了支承于周邊受壓環(huán)梁上的一種索桿預應力張拉整體穹頂體系，即索穹頂。1986年蓋格爾將索穹頂結構體系成功應用于漢城奧運會的體操館（D=119.8m）、擊劍館(D=89.9m)

1992年M.萊維(Levy)設計了一種穩(wěn)定性更好的三角形網格穹頂，作為亞特蘭大奧運會的主體育館，喬治亞穹頂(Georgia Dome)平面呈橢圓形(193m×240m)，雙曲拋物面型張拉整體索穹頂的用鋼量僅30㎏/㎡。

M.萊維(Levy)設計的喬治亞穹頂(1992年)

因維護和使用原因，于2017年被爆破拆除

索穹頂是Aspension Dome張拉整體結構的進化,但它還沒有嚴格實現(xiàn)結構自支承、自應力的原則，它離開下部受壓環(huán)梁則不能成立。

張拉整體的概念至今已有70年的歷史了。遺憾的是，實踐作用或用于雕塑裝置，或僅停留在模型層面，沒有真正的、完全意義上構造建筑空間的案例。

參考文獻

1. Kenneth Snelson_Art_And_Ideas

2. 知乎Aaron Dong：

    zhuanlan.zhihu.com/p/29875553

3. wikipedia.org/wiki/Kenneth_Snelson