张拉整体

张拉整体(tensegrity,tensional integrity)或张力完整性张力整合張力均衡架構,是一种基于不连续的压杆(strut,刚性构件作为受压构件)与连续的拉索(cable,柔性构件作为受拉构件)相互组合,而成的自平衡空间网格结构体系。

张拉整体主要由一组“离散的受压构件”(如连杆、管材)与一组“连续的受拉构件”(如钢索、拉线)组成,属于预应力空间索杆结构。在这种结构中,压杆之间互不接触,完全由连续的拉索网络将它们悬吊、包裹并约束在空中,通过引入初始预应力,使整个体系在不依赖外部支撑的情况下,达到三维几何形状的自平衡与稳定。

张拉整体基于在连续张力网络内部应用受压构件的结构原理,此原理称为自平衡预应力原理,或不连续受压原理;受压构件之间并不接触,而预先张拉的构件(受拉构件)构成了空间外形。英文术语 tensegrity 是 tension/tensional 和 integrity 的混成词;此术语用于力学、土木工程学以及生物力学界。

“张拉整体”一词由巴克敏斯特·富勒在20世纪60年代创造,用以描述“张拉整体式结构”(tensional integrity of a structure)。而肯尼斯·斯内尔森则称其为“悬浮压缩”(floating compression),主要用于形容此具视觉冲击力的力学状态,其意义为:在连续的张力网中,各受压构件(压杆)彼此孤立、不相接触,在宏观上呈现出如同“悬浮在空中承受压力”的物理景观。前者偏向于系统和全局的见解(强调结构靠张力融为一体),后者则偏向于局部和视觉的观点(强调受压骨架在网中“漂浮”起来)。

概念
张拉整体可以由以下几种设计准则组合设计而成 :

  • 受力构件仅受到轴力(纯拉、压),即结构仅在受压杆屈曲或者受拉索屈服后失效。
  • 预应力(受拉)使得索构件刚度增大。
  • 结构稳定性:在结构应力增大的情况下,能使得构件保持原有的受压受拉状态。

基于上述设计准则,结构构件不会受弯。这种受力的高效性使得结构相对于其质量和构件截面面积而言刚度极大。
其概念设计作品可见右图——1951的Skylon。共计6根索,塔柱的两端各3根,构成了这个结构。下方的3根索“定义”了结构的位置,而余下的三根则让结构保持竖直。

如图,三杆的张拉整体模型可以看成由更简单的结构组成:每根杆件如同Skylon一样,被3根两两角度小于180°的拉索固定。

Eleanor Hartley 提出视觉的通透感是这类结构重要的美学特征. Korkmaz et al. 将张拉整体的结构概念拓展应用于自适应建筑,主要应用了其轻质的特性。

参考文献

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