張拉整體結(jié)構(gòu)研究的回顧與展望

張拉整體結(jié)構(gòu)研究的回顧與展望

1張拉整體結(jié)構(gòu)的基本原理張拉的整體結(jié)構(gòu)是由不連續(xù)的壓著材料和連續(xù)的受拉索組成的特殊結(jié)構(gòu)體系。這個概念最早由snill和1968年提出。在外觀和材料上，張拉的整體結(jié)構(gòu)具有美觀、輕重性和非連續(xù)性的特點。在結(jié)構(gòu)上，全球結(jié)構(gòu)本身的內(nèi)在浮力平衡，剛性隨著預(yù)測值的變化，自由度高。張拉整體結(jié)構(gòu)的概念的提出極大地擴大了人們對力學(xué)體系創(chuàng)造性和想象力的限制。完整的人認為，宇宙的運行是基于張拉一致性的原則。換句話說，重力是平衡的張力網(wǎng)，每個球形點都是該網(wǎng)絡(luò)的一個孤立點。根據(jù)這一理念，張拉的整體結(jié)構(gòu)可以定義為由由一系列不連續(xù)的壓動器組成的自支撐和低壓空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。leven也使用類似的原則來表達人體的結(jié)構(gòu)。不管是從張拉整體結(jié)構(gòu)非連續(xù)的建筑學(xué)外觀特點,還是從其質(zhì)量輕盈、結(jié)構(gòu)合理的工程學(xué)特點出發(fā),自從張拉整體結(jié)構(gòu)的理論被提出以后,就一直是結(jié)構(gòu)科學(xué)研究的熱點.早期的張拉整體結(jié)構(gòu)研究主要關(guān)注經(jīng)典張拉整體結(jié)構(gòu)的單元布局,力學(xué)特性與預(yù)應(yīng)力的分析,經(jīng)歷了以下幾個階段:想象和幾何學(xué)、拓撲和圖形分析、力學(xué)分析及試驗研究.其中力學(xué)分析包括找形、自就歷程準則、工作機理、穩(wěn)步預(yù)應(yīng)力作用下的性能等.其幾何形狀同時依賴于構(gòu)件的初始幾何形狀、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)(拓撲)及形成一定剛度的自應(yīng)力的存在.Pugh對早期的張拉整體結(jié)構(gòu)模型進行了分類與解析,其中主要包括Snelson的T棱柱模型,以及四面體模型和寶石模型(圖1).Motro對張拉整體結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力分布和索桿單元的特點做了系統(tǒng)總結(jié).早期的張拉結(jié)構(gòu)藝術(shù)性大于結(jié)構(gòu)性,除了Snelson的經(jīng)典T棱柱模型,Fuller、Vilnay、Motro、Hanaor等創(chuàng)造了多種藝術(shù)品性質(zhì)的張拉整體結(jié)構(gòu)體系,如法國的公園雕塑、華沙國際建筑聯(lián)合會前的自張拉空間填充體、荷蘭國家博物館前覆蓋的四棱柱等.從結(jié)構(gòu)上來看,經(jīng)典張拉整體結(jié)構(gòu)屬于靜不定而動定體系(S>0,m=0)或者靜不定且動不定體系(S>0,m>0),這類臨界類體系可以依靠預(yù)應(yīng)力來硬化體系中無窮小機構(gòu)并為結(jié)構(gòu)提供初始剛度,保證結(jié)構(gòu)在一定應(yīng)力下的穩(wěn)定性,結(jié)構(gòu)在外荷載過程中剛度不斷發(fā)生變化,傳力途徑也就隨之改變.在張拉整體模型的結(jié)構(gòu)上,目前已經(jīng)形成比較統(tǒng)一的觀點認為,這種體系只能在考慮了幾何非線性甚至材料非線性時才能分析.由于自由度較大,張拉整體體系的分析模型必須考慮非線性特性和平衡自就歷程的存在,其模型基于松弛原理或牛頓-拉夫遜型過程的矩陣追趕法原理.2張弦梁結(jié)構(gòu)模型及其計算上世紀80年代末開始,對張拉整體結(jié)構(gòu)的研究呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展.由于經(jīng)典張拉整體結(jié)構(gòu)的自由度大,結(jié)構(gòu)具有隨機性,布局很難掌握,科研工作者們不再拘泥于研究經(jīng)典結(jié)構(gòu)的構(gòu)造,轉(zhuǎn)而探索新的可控制性與可運用性強的包含張拉整體結(jié)構(gòu)原理的模型,特別是大跨度的模型.清華大學(xué)的郭彥林教授對這部分工作做了總結(jié).美國工程師Geiger提出了支承于周邊受壓環(huán)梁上的一種索桿預(yù)應(yīng)力張拉整體穹頂體系,即索穹頂(圖2),并運用在漢城奧運會的體操館(D=119.8m)和擊劍館(D=89.9m)以及亞特蘭大奧運會的主體育館(193m×240m)上[11~13].在此基礎(chǔ)上,郭彥林和崔曉強又提出了巨型網(wǎng)格弦支穹頂結(jié)構(gòu).索穹頂結(jié)構(gòu)屬于張拉整體體系的范疇,但它還沒有完全實現(xiàn)結(jié)構(gòu)自支承、自應(yīng)力的原則,不符合張拉整體結(jié)構(gòu)自身內(nèi)力平衡的特點,因此離開下部受壓環(huán)梁則不能成立.同樣地,利用張拉整體結(jié)構(gòu)的原理,日本大學(xué)的Saitoh教授提出了用撐桿連接抗彎構(gòu)件而形成的自平衡體系,即張弦梁體系.深圳國際會展中心的設(shè)計(圖3)就利用了這個概念,在此基礎(chǔ)上發(fā)展產(chǎn)生了更大跨度的張弦桁架體系,并運用到廣州國際會展中心的設(shè)計上.張弦梁結(jié)構(gòu)滿足了張拉整體結(jié)構(gòu)自身平衡的要求,但利用受壓構(gòu)件內(nèi)部的彎矩提供預(yù)應(yīng)力,也不屬于經(jīng)典的張拉整體結(jié)構(gòu).類似的張拉整體原理模型還有利用斜拉索系提供預(yù)應(yīng)力的懸吊索系結(jié)構(gòu)(圖4),類似于自行車車輪,拉索與弧形外沿預(yù)應(yīng)力平衡的車輻結(jié)構(gòu)(圖5)等.總的來講,上述這些模型已經(jīng)超脫了索桿的單純受拉與受壓體系,與自身平衡的張拉結(jié)構(gòu)特點,屬于類似張拉整體結(jié)構(gòu)模型.與此同時,對張拉整體結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力控制和計算的研究也有了長足進步.Webster和Schrefeer等在計算與力學(xué)雜志上先后發(fā)表文章對空間索桿結(jié)構(gòu)的剛度與預(yù)應(yīng)力控制的數(shù)值分析做了闡述.Pramod等對需要預(yù)應(yīng)力支撐的大跨度結(jié)構(gòu)的邊界條件做了研究.在國內(nèi)方面,王宏等,曹喜與劉錫良,唐建民等也分別對張拉繩索預(yù)應(yīng)力做了非線性模型和有限元方法的分析.3張拉整體結(jié)構(gòu)體系進入21世紀,雖然對利用張拉整體原理的索桿結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力的研究仍然在繼續(xù)并且不斷細化,來研究預(yù)應(yīng)力前后的微小幾何變形,或者索桿結(jié)構(gòu)布局的智能化,但是張拉整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展有了新的趨勢.這個新的趨勢即用三維受壓構(gòu)件代替一維桿,來減少自由度,增加可控制性,實現(xiàn)能根據(jù)需要隨心所欲地布置含有空間非連續(xù)性的三維構(gòu)件的張拉整體結(jié)構(gòu).回顧張拉整體結(jié)構(gòu)的理論,早在1949年Snelson就曾經(jīng)制作過一個特殊的模型,用X形狀的二維構(gòu)件代替一維桿來做張拉結(jié)構(gòu)中的受壓構(gòu)件(圖6),該模型首次展示了二維幾何構(gòu)件在張拉整體結(jié)構(gòu)中的運用.近年來,美國印第安納州大學(xué)的Liu等人模仿人體基因結(jié)構(gòu),用DNA的形狀搭建了三角形單元形狀的張拉整體結(jié)構(gòu)(圖7),該模型中的受壓構(gòu)件是螺旋形的三維構(gòu)件.1998年開始新加坡南洋理工大學(xué)的Wang等嘗試用相連的桿組成不同形狀的三維構(gòu)件,來構(gòu)建新的結(jié)構(gòu),著重研究了整體結(jié)構(gòu)的幾何拓撲,三維剛體與繩索形成的可重復(fù)構(gòu)件及剛體與繩索的節(jié)點與作用力.法國科學(xué)家Smaili和Motro也做了類似的研究,將桿連接成折線形的構(gòu)件,并建立了雙層彎曲形狀的張拉整體結(jié)構(gòu)模型(圖8).2009年作者與澳大利亞皇家理工大學(xué)的JeromeFrumar博士、謝億民院士、澳大利亞著名建筑設(shè)計師MarkBurry一起,嘗試提出了含有三維受壓構(gòu)件的張拉整體結(jié)構(gòu)概念,來定義所有內(nèi)部可能存在剪力、彎矩等內(nèi)力的受壓三維幾何構(gòu)件與受拉繩索組成的非連續(xù)自平衡張拉整體結(jié)構(gòu)體系,并對三維受壓構(gòu)件做了初步分類,對其空間排布做了具體論述.含有三維受壓構(gòu)件的張拉整體結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足下列三個特性:(1)該結(jié)構(gòu)必須是由三維受壓構(gòu)件和受拉繩索組成的;(2)結(jié)構(gòu)中的三維受壓構(gòu)件之間是彼此不連續(xù)的;(3)整體結(jié)構(gòu)必須能夠自平衡或在預(yù)應(yīng)力下平衡,能實現(xiàn)受拉繩索內(nèi)包含非連續(xù)受壓構(gòu)件的功能;三維受壓構(gòu)件的建立有很高的要求.首先,受壓構(gòu)件必須是一個三維的空間結(jié)構(gòu);其次,這個構(gòu)件必須通過節(jié)點同時與多個受拉繩索相連;最后,構(gòu)件必須保證在空間的一個或者多個方向上有延續(xù)性.即通過構(gòu)件的重復(fù)鑲嵌,能夠形成線性、平面或者三維的張拉整體結(jié)構(gòu).根據(jù)空間幾何體的特性,一系列基本的三維受壓構(gòu)件如四面體、八面體、直角棱柱、風(fēng)箏體、十面體等被制作出來(圖9).由于三維受壓構(gòu)件內(nèi)部有多個節(jié)點同時與繩索相連,這樣的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的桿索體系相比,可以大大減少結(jié)構(gòu)的自由度,因此更為容易控制和布局,同時在空間構(gòu)件上,保留了傳統(tǒng)張拉整體結(jié)構(gòu)非連續(xù)性與節(jié)省材料的特點.根據(jù)基本的張拉單元,一系列不同的張拉整體結(jié)構(gòu)被制作出來,并做了簡單的分類,具體來講可以分為單向結(jié)構(gòu)、空間砌體結(jié)構(gòu)、空間充氣結(jié)構(gòu)等.隨著電腦技術(shù)的不斷發(fā)展,計算機數(shù)值計算與有限元分析理論也不斷在張拉整體結(jié)構(gòu)的建模上使用,讓張拉整體模型真正實現(xiàn)空間布局的控制.1998年Gerald開發(fā)了一個張拉整體結(jié)構(gòu)布局與張力計算軟件,可以對傳統(tǒng)和三維的張拉整體結(jié)構(gòu)進行布局與計算,初始導(dǎo)入的單元可以是節(jié)點、繩索,或受壓桿件.初始情況通常按照節(jié)點之間距離最短的位置來設(shè)定,故繩索一般受拉力,繩索受壓時,系統(tǒng)自動刪除.繩索受拉時,收到拉力根據(jù)虎克定律,與變形成正比,來計算繩索張力,最后計算整體平衡后的系統(tǒng)位置與張力.在三維受壓構(gòu)件的張拉結(jié)構(gòu)設(shè)計中,作者也運用了Gerald軟件對含三維受壓構(gòu)件的單跨模型的空間布局及變化進行了布局計算,如圖10所示.圖11中展示了兩個用三維構(gòu)件制作的單向張拉結(jié)構(gòu)的例子.可以看到,在單向張拉整體結(jié)構(gòu)中,三維受壓構(gòu)件取代了桿索體系,每一層上只有一個受壓構(gòu)件,相鄰兩層間的張拉由一個垂直于模型延伸方向的環(huán)形支撐繩索體系和沿著繩索方向的調(diào)整繩索體系完成,與其他構(gòu)件無關(guān),這種結(jié)構(gòu)體系被稱作兩個單元間的局部張拉.顯而易見的是,由于只要控制相鄰兩個單元,這種局部張拉更容易被控制和使用.2009年作者等以一個利用含三維構(gòu)件單向張拉整體結(jié)構(gòu)制作的模型參加了美國Evolo摩天大樓結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽,并獲得了最新鮮創(chuàng)意獎.當(dāng)采用不同的單元組合,將這個局部張拉體系擴展到多個方向,就可以形成規(guī)則的空間砌體結(jié)構(gòu),這種模型如圖12所示.運用三維張拉構(gòu)件還能制作一些特殊的空間結(jié)構(gòu),比如一個用四面體箏形構(gòu)件制作的充氣結(jié)構(gòu)(圖13).在這個結(jié)構(gòu)中,將四面體結(jié)構(gòu)四個角上的節(jié)點充分張拉,按照一定的幾何排布,將每個受壓構(gòu)件與相鄰的四個構(gòu)件相連,組成一個平面的張拉體系,再利用受壓構(gòu)件兩個角之間的弧度將整個平面彎曲,形成一個類似空心筒體的充氣結(jié)構(gòu).原則上這個充氣結(jié)構(gòu)中間有一個中間軸,整個體系可以在軸向和半徑方向增加單元而不斷擴充.該模型的建立,也充分說明了三維張拉整體結(jié)構(gòu)在空間排布和可控制性上的優(yōu)勢.4結(jié)構(gòu)的三維構(gòu)建本文介紹過去50年張拉整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程,從理論分析、工程運用、計算機模擬到新的三維張拉結(jié)構(gòu)理論.隨著預(yù)應(yīng)力控制技術(shù)的成熟和有限元優(yōu)化方法的運用,張拉結(jié)構(gòu)的三維受壓構(gòu)件內(nèi)力與繩索張力可