最近在學(xué)習(xí)kangaroo時(shí)，正好看到一期張拉結(jié)構(gòu)的模擬視頻，之前一直就覺得張拉整體結(jié)構(gòu)很有意思，借此整理了一些張拉整體結(jié)構(gòu)的資料。

我們先看一些有趣的試驗(yàn)。

1920年拉脫維亞藝術(shù)家Ioganson創(chuàng)作完成一件劃時(shí)代的藝術(shù)雕塑作品。該作品外觀為空間結(jié)構(gòu)體系，后被人們標(biāo)稱為質(zhì)輕、非連續(xù)、智能的張拉整體結(jié)構(gòu)前身。在當(dāng)時(shí)Ioganson盡管沒有對(duì)張拉整體結(jié)構(gòu)下定義，也不知道何為張拉整體結(jié)構(gòu)，但是其完成的藝術(shù)雕塑作品卻體現(xiàn)了張拉整體結(jié)構(gòu)的思路，即自平衡性。

“拉力的海洋之中存有著受壓的孤島”便是最早對(duì)“張拉整體結(jié)構(gòu)”的定義，最早由美國建筑師和發(fā)明家巴克敏斯特·富勒（Richard Buckminster Fuller）在1961年提出。

Fuller 認(rèn)為：受力狀態(tài)是宇宙是常態(tài)、穩(wěn)態(tài)，存在于整個(gè)范圍內(nèi)。遼闊的宇宙中世界萬物都有著自身的吸引力，互相吸引著彼此，互相扯動(dòng)著彼此，拉力是空間范圍中客觀存在的力學(xué)狀況，與拉力相對(duì)應(yīng)的壓力出于平衡的需要，僅存在于物體自身的空間領(lǐng)域，在某種程度上宇宙可以假定為張拉整體結(jié)構(gòu)。Fuller對(duì)張拉整體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)不僅僅涉及到建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，還涉及到了人類文明哲學(xué)，這種劃時(shí)代的的舉措為張拉整體結(jié)構(gòu)接下來的發(fā)展鋪墊了有力的基礎(chǔ)。

Fuller 的學(xué)生Snelson在Fuller的指導(dǎo)下，完成了著名的“X-Shape”模型，這是真正意義上的從構(gòu)思、想法到現(xiàn)實(shí)作品的跨越。它是由兩個(gè)相互不接觸的“X”剛體單元通過拉索連接而成，形成穩(wěn)定的自平衡結(jié)構(gòu)。

1962 年，F(xiàn)uller 首次提出了專利“張拉整體結(jié)構(gòu)”，從此開創(chuàng)了現(xiàn)代張拉整體結(jié)構(gòu)研究新紀(jì)元。富勒設(shè)想了一個(gè)由三角網(wǎng)格組成的張拉整體穹頂，這個(gè)專利是在張拉結(jié)構(gòu)方面獲得的第一個(gè)專利。在這個(gè)專利中，富勒詳細(xì)的描述了避免結(jié)構(gòu)處于受壓狀態(tài)的緣由，因?yàn)閴嚎s會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)處于連續(xù)的張拉狀態(tài)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)屈曲。

張拉整體結(jié)構(gòu)是由受壓桿件和受拉桿件組成的穩(wěn)定自平衡結(jié)構(gòu)，受壓桿件處于離散狀況，而受拉構(gòu)件處于連續(xù)狀態(tài)。張拉整體結(jié)構(gòu)自身沒有剛度，而由自應(yīng)力提供剛度

Fuller 所提出的“萬物互相吸引”哲學(xué)化張拉整體思想深入人心，深深觸動(dòng)了美國工程師 Geiger，于1986年創(chuàng)造性提出了張拉整體式索穹頂結(jié)構(gòu)，并成功將實(shí)驗(yàn)室模型應(yīng)用于生產(chǎn)活動(dòng)中—漢城奧運(yùn)會(huì)體操館。 

Levy 發(fā)現(xiàn)張拉整體式索穹頂結(jié)構(gòu)體系中脊索往往以輻射狀形式布置，這會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系索網(wǎng)平面內(nèi)剛度富裕，而平面外剛度不足，結(jié)構(gòu)體系剛度缺陷的存在會(huì)誘發(fā)局部失穩(wěn)，進(jìn)而引起整體坍塌，Levy總結(jié)改善了張拉整體式索穹頂結(jié)構(gòu)體系，將輻射狀布置改換成成三角化聯(lián)方型布置，如1996 年亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)主體育館。喬治亞穹頂平面投影為橢圓形，跨度為 240m×193m，一度為世界上跨度最大的體育場。喬治亞穹頂不僅設(shè)計(jì)新穎，而且用鋼量極少，單位用鋼量不到30公斤。

2017年，這座曾經(jīng)的最大的索穹頂結(jié)構(gòu)，被以近2250公斤炸藥從內(nèi)部爆破拆除。

穹頂結(jié)構(gòu)大量采用預(yù)應(yīng)力鋼索，壓桿少而短，所以能充分發(fā)揮鋼材的抗拉強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)效率極高。以其新穎的造型、巧妙的構(gòu)思、合理的受力、經(jīng)濟(jì)的造價(jià)、快速的施工，贏得了工程師們的喜愛，并被成功地應(yīng)用在一些大跨度、超大跨度建筑的屋蓋設(shè)計(jì)中，是近年來國內(nèi)外空間結(jié)構(gòu)的研究熱點(diǎn)之一。

然而嚴(yán)格意義上說，這些穹頂并不是真正的張拉整體結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗麄冃枰栏竭吔缂s束來維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。2001 年日本千葉市建造的實(shí)驗(yàn)設(shè)施是最早的在建筑領(lǐng)域嘗試使用“真實(shí)”的張拉整體結(jié)構(gòu)的建筑。兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全由張拉整體單元構(gòu)成，每個(gè)單元的頂部有一個(gè)隔離支柱用于支撐薄膜屋頂。

下面這個(gè)建筑物是為了2002年的一個(gè)展覽搭建的臨時(shí)建筑，在瑞士的Neuchatel湖上，由Diller Scofidio + Renfro設(shè)計(jì)，長寬300英尺乘200英尺，高75英尺。

張拉整體結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)的受拉索元（拉索）與受壓桿元（壓桿）的材料特性被充分利用，使得在材料用量較低、結(jié)構(gòu)輕質(zhì)的情況下，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)具有較大抗力和較高性能的特性，這使得張拉整體結(jié)構(gòu)在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能，并隨著張拉整體結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展而不斷出現(xiàn)新的橋梁形式。

于 1996 年出現(xiàn)在倫敦泰晤士河上的千禧橋，相對(duì)來講算是最早的一座由張拉整體體系思想建造的橋梁。

2002 年，在華盛頓國家博物館大廳建造由 Wilkinson  Eyre  和 Arup 設(shè)計(jì)的一座連接不同畫廊的張拉整體橋梁，延續(xù)著張拉整體思想在橋梁上的應(yīng)用。

現(xiàn)今世界上存在的最大的一座啟發(fā)于張拉整體結(jié)構(gòu)思想而建造的張拉整體人行橋是位于澳大利亞昆士蘭州的布里斯班州府（Brisbane，Queensland，Australia）的Kurilpa Bridge 橋梁，該橋梁的跨徑達(dá)到了 120 米。這座橋是Cox Rayner Architects與Arup共同設(shè)計(jì)的。橋一共三跨，兩個(gè)橋墩上各有4個(gè)主桿，中間部分兩側(cè)有一堆次桿（minor masts），橫著的有一些flying struts，然后用cables把它們都連在一起。根據(jù)Arup公司的說法，這一套系統(tǒng)起著三個(gè)功能：

懸掛上方的遮蓬

防止由于風(fēng)荷載等造成主桿和次桿buckling

提供torsional rigidity

在國內(nèi)的應(yīng)用也還是以雕塑為主，如李少航、袁鑫等設(shè)計(jì)的懸浮系列雕塑，似乎懸浮在空中，給人一種驚艷的感覺。

我們利用rhino平臺(tái)中kangaroo可以很方便的模擬一些簡單張拉整體情況。下圖我們文章開篇里面的小案例的模擬。