讓建筑“懸浮”起來(lái)!“張拉整體”結(jié)構(gòu)

讓建筑“懸浮”起來(lái)！“張拉整體”結(jié)構(gòu)

作者：楊笑天

起 源

1948年,富勒在??學(xué)院演講中提到了?個(gè)概念，“Small islands of compression in a a of tension”。他?喻宇宙中的

天體，就像是漂浮在萬(wàn)有引?的拉?海洋之中的、受壓的孤島，??然中有“間斷壓、連續(xù)拉”的現(xiàn)象。

?名叫Kenneth Snelson的學(xué)?受到富勒的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了?件名為“Snelson's X” 的藝術(shù)裝置作品，并拿給富勒看。

Snelson's X，Kenneth Snelson，1948年

富勒突然意識(shí)到，這個(gè)結(jié)構(gòu)正是他苦苦尋找的答案。富勒?“tensional”(張拉) 和“integrity”(整體) 合成的新名

詞“Tengrity” 張拉整體為其命名。

不過(guò)，?年之后富勒對(duì)于發(fā)現(xiàn)張拉整體結(jié)構(gòu)這件事，許多場(chǎng)合不再提Snelson的名字了。另???，n則

?“Floating Compression”概括他的作品理念。

n 和他的張拉整體結(jié)構(gòu)

其實(shí)，張拉整體結(jié)構(gòu)最早可追溯到1921年。雕刻家K.約翰遜展?了?個(gè)模型，它由3根桿和8根索組成。這個(gè)模型并不

具有剛度，任?根索的收縮都會(huì)使模型產(chǎn)?機(jī)構(gòu)性位移。不過(guò)，它與后來(lái)經(jīng)典的3桿9索?平衡體已經(jīng)?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(jiǎn)單的張拉整體結(jié)構(gòu)，看上去很像?個(gè)三棱柱擰了?個(gè)?度，每根桿件的

端點(diǎn)都有3根索連接。索為受壓桿提供了軸向壓?，并且“固定”了桿件端點(diǎn)的位置。Simplex單元是許多張拉整體作品的

基本組件。

特 點(diǎn)

張拉整體結(jié)構(gòu)，是由“不連續(xù)的受壓構(gòu)件” 與 “連續(xù)的受拉單元” 組成的??承、?應(yīng)?的空間結(jié)構(gòu)，受壓構(gòu)件之間不接

觸。

Skylon tower，1951

1951年，在英國(guó)展出的Skylon tower，共計(jì)6根索，塔柱的兩端各有3根索 ，下?的3根索固定了結(jié)構(gòu)位置，?上部的3

根則讓塔柱結(jié)構(gòu)保持豎直。

張拉整體結(jié)構(gòu)屬于臨界受?體系，結(jié)構(gòu)剛度由預(yù)應(yīng)?提供。在施加預(yù)應(yīng)?之前，結(jié)構(gòu)體系不穩(wěn)定。初始預(yù)應(yīng)?的??對(duì)

結(jié)構(gòu)的外形和剛度起著決定性作?，因此需要考慮?何?線性才能進(jìn)?分析。

富勒 展?他設(shè)計(jì)的張拉整體球結(jié)構(gòu)

對(duì)受過(guò)結(jié)構(gòu)分析訓(xùn)練的?來(lái)說(shuō)，看出傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的傳?關(guān)系是相對(duì)容易的，?張拉整體則是牽?發(fā)?動(dòng)全?，更為這種結(jié)

構(gòu)形式增添了?份神秘。

n根據(jù)藝術(shù)靈感創(chuàng)作的藝術(shù)裝置是張拉整體思想的最早嘗試。?富勒、ch、?爾耐（）、

莫特羅（）、漢納（）則基于數(shù)學(xué)和圖形理論，研究了多種張拉整體結(jié)構(gòu)體系。

富勒基于短程線穹頂構(gòu)造的20?體張拉結(jié)構(gòu)

n的創(chuàng)作

Kenneth Snelson( 1927 –2016),雕塑藝術(shù)家

從1948年開(kāi)始，n對(duì)于張拉整體裝置的創(chuàng)作靈感似乎從未停?過(guò)。他創(chuàng)作了許許多多匪夷所思、極具視覺(jué)沖擊

?的藝術(shù)作品。

年輕n坐在Tengrity Tower上

上圖的Tengrity tower是由多個(gè)3桿9索的張拉整體（simplex）疊加成的，每層的下部三個(gè)壓桿?點(diǎn)落在下?層頂部拉

桿三?形的邊上。

針?biāo)?/span>Needle tower，30??

Needle Tower是由n于1968年設(shè)計(jì)的，由多個(gè)Simplex單元疊起來(lái)，形成尖塔造型。壓桿為鋁合?，拉索為不

銹鋼索，現(xiàn)陳列在美國(guó)華盛頓特區(qū)的Hirshhorn Muum and Sculpture公園。

銹鋼索，現(xiàn)陳列在美國(guó)華盛頓特區(qū)的Hirshhorn Muum and Sculpture公園。

仰視Needle tower

Needletower的現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程

Spring Street, 1964，n

Sun River, 1967

Sun Run, 1967

Northwood I, 1969

Cantilever, 1967

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(diǎn)設(shè)計(jì)

Rainbow Arch, 2001

新的變化

?部分張拉整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，壓桿構(gòu)件只承受軸向?，是直線形狀，但這不是必須的。典型例?是本?開(kāi)頭的“Snelson's

X” 藝術(shù)裝置，它的“壓桿”是個(gè)X。還有?如以下?個(gè)張拉整體裝置，受壓體或?yàn)槎鄺U，或?yàn)榍€，或?yàn)閴K體。

南京?等職業(yè)學(xué)校雕塑

建筑師:李少航、鐘華穎; 結(jié)構(gòu)師: 袁鑫

建筑師:鐘華穎; 結(jié)構(gòu)師: 袁鑫

承擔(dān)壓?的構(gòu)件是3維的，Frumar et al., 2009

球形張拉整體機(jī)器?，B?hm et al., 2016

機(jī)器?

從2013年開(kāi)始，NASA在Ames Rearch Center開(kāi)發(fā)的?個(gè)張拉整體機(jī)器?項(xiàng)?，?于未來(lái)探索?星表?。其中?個(gè)

代表是NASA的Super Ball。它?的不是simplex，?是icosahedron，?共6個(gè)壓桿。壓桿上裝有作動(dòng)器，使得壓桿可以

伸長(zhǎng)或縮短。

NASA的Super Ball張拉整體機(jī)器?

通過(guò)控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)拉索和壓桿的長(zhǎng)度，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)變形，然后驅(qū)運(yùn)結(jié)構(gòu)?進(jìn)。NASA靠遺傳算法和機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)找到

適當(dāng)?shù)目刂撇呗浴?guó)內(nèi)浙江?學(xué)也在做這??的研究。

??犀?

2001年，?本川?建?教授設(shè)計(jì)了?座索膜結(jié)構(gòu)“White Rhino”，采?了2個(gè)張拉整體單元作為索膜的主要?撐構(gòu)件，可

能是張拉整體結(jié)構(gòu)在建筑類(lèi)結(jié)構(gòu)中的?次應(yīng)?。

“White Rhino”,?本千葉，2001年

1964年，富勒在張拉整體結(jié)構(gòu)、短線程穹頂思想的基礎(chǔ)上發(fā)明了Aspension Dome。Aspension是根據(jù)ascending

suspension structure(向上升的懸吊式穹頂)創(chuàng)造出的新詞。利?環(huán)向和徑向拉索將?柱層層向上抬起排列，形成穹頂形

態(tài)。Aspension Dome是?種全新的結(jié)構(gòu)形式。

富勒設(shè)計(jì)的懸吊穹頂Aspension Dome，1964年

蓋格爾（）在富勒張拉整體思想的基礎(chǔ)上，發(fā)明了?承于周邊受壓環(huán)梁上的?種索桿預(yù)應(yīng)?張拉整體穹頂體

系，即索穹頂。1986年蓋格爾將索穹頂結(jié)構(gòu)體系成功應(yīng)?于漢城奧運(yùn)會(huì)的體操館（D=119.8m）、擊劍館(D=89.9m)

1992年M.萊維(Levy)設(shè)計(jì)了?種穩(wěn)定性更好的三?形?格穹頂，作為亞特蘭?奧運(yùn)會(huì)的主體育館，喬治亞穹頂(Georgia

Dome)平?呈橢圓形(193m×240m)，雙曲拋物?型張拉整體索穹頂?shù)?鋼量?jī)H30㎏/㎡。

M.萊維(Levy)設(shè)計(jì)的喬治亞穹頂(1992年)

因維護(hù)和使?原因，于2017年被爆破拆除

索穹頂是Aspension Dome張拉整體結(jié)構(gòu)的進(jìn)化,但它還沒(méi)有嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)??承、?應(yīng)?的原則，它離開(kāi)下部受壓環(huán)梁

則不能成?。

張拉整體的概念?今已有70年的歷史了。遺憾的是，實(shí)踐作?或?于雕塑裝置，或僅停留在模型層?，沒(méi)有真正的、完

全意義上構(gòu)造建筑空間的案例。

?絡(luò)上有關(guān)于“如何做?個(gè)張拉整體”的視頻，?家不妨學(xué)著做?個(gè)張拉整體模型，感受?下它的神奇。

參考?獻(xiàn)

1. Kenneth Snelson_Art_And_Ideas

2. 知乎Aaron Dong：

/p/29875553

3. /wiki/Kenneth_Snelson

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編輯：Alex魏，Archlady，Leo程，leon，雪亮，飯困，?七，jason

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