张拉整体结构及其应用

张拉整体结构是一种特殊的、较新颖的空间稳定结构，尚未有一个完整的定义，对其的研究也仍在完善当中。本文旨在从建筑学视角简单介绍一下这种新颖的结构形式，简单介绍了张拉整体结构的形式、优缺点及其已知的应用和未来可能的发展方向。

●  结构形式

张拉整体结构的概念由富勒（Fuller）最先提出，它是一种由连续的受拉构件（称为“索”）和离散的受压构件（称为“压杆”）构成的空间网格结构。由于索的截面尺寸可以很小，而压杆又相互独立，因此张拉整体结构会给人一种反直觉的悬浮的视觉效果，形成其独特的美感。张拉整体结构的受力体系并不简单，单靠文字描述难以想象其形式，实物和图片更能让人直观感受这种结构体系的奇妙所在。

图1为张拉整体结构开创者之一斯内尔森（Snelson）的一件雕塑作品，Double X，是张拉整体结构最初的一种表现形式。可以看到一个连续张拉的细线以及两个X形的受压构件形成了这一种特殊的结构，这件作品通常被认为是张拉整体结构概念的首次应用。图2为三杆组成的张拉整体结构基本单元，以及斯内尔森坐在由该基本单元组成的名为Tensegrity Tower的作品上，可以看出该结构不仅具有自稳定性并且在承受一定荷载作用下仍能保持稳定，结构单元也具有可重复性，这些性质使得该结构的实际工程应用成为可能。

图1  Double X

图2  Tensegrity Tower

●  结构优缺点

张拉整体结构具有突出的优点。其一是它特有的结构美学效果。任何人第一次见到这种结构都会惊讶于它反直觉的“悬浮感”；结构构件在受力时均为直线，使得结构整体具有很简洁的几何形态；受压构件与受拉构件截面尺寸对比明显，并且极细的索为连续整体而较粗的压杆离散分布，进一步强化了该结构的视觉冲击力。其二是节省材料。钢索在张拉整体结构中能充分发挥材料受拉性能，使得用钢量比传统钢结构桁架少很多。以乔治亚穹顶为例，其为在张拉整体结构概念上衍生出来的双曲抛物面形张拉整体索穹顶，用钢量仅为30kg/㎡。其三是可折叠性。虽然在实际建造中尚未有可折叠式张拉整体结构的应用，但在此方面的研究已经展开，主动控制技术与结构折叠的结合会是未来张拉整体结构的重要发展方向。

张拉整体结构也有明显的缺点。第一，就应用于建筑实践而言，张拉整体结构最大的问题在于它承受载荷的能力十分有限。虽然它本身可以作为自稳定结构保持其结构稳定性，但其在偏心受压或受扭作用下很容易发生结构失稳，在实际应用中需要搭配其他受力构件来保持结构稳定。第二，张拉整体结构对形态有较高要求。由于张拉整体结构的受力情况较为复杂，其结构构件的几何形状和尺寸必须满足结构稳定要求。这意味着建筑师难以轻易修改方案尺寸、数据，给设计造成了很大限制。并且就目前而言，结构找形、受力计算也是一件较为困难的事情。尽管已经研究出了如力密度法、静力平衡法等找形方法，这对结构工程师的能力水平仍有一定考验。第三，对结构缺陷具有敏感性。张拉整体结构的力学特征之一是整体性，这意味着其中任何一个节点出现问题都可能会引起整个结构的失效，使得结构难以维护。

●  工程实践

基于上述优缺点，张拉整体结构的工程实践多用于雕塑等艺术装置中而非建筑中，斯内尔森设计了一系列张拉整体结构雕塑，其中较为有名的有Needle Tower（图3）、Fly（图4）等，这些雕塑充分展现了张拉整体结构的悬浮感和几何美。

图3  Needle Tower

图4  Fly

将张拉整体结构应用于建筑实践的案例屈指可数。日本的川口健一被认为是首个将真正意义上的张拉整体结构应用于建筑的设计师，在他设计的White Rhino（图5）中，使用两个三杆张拉整体结构单元作为索膜结构的支承来创造建筑空间。不过可以看出，这里的张拉整体结构并非必要，虽然该结构既满足了作为支撑的结构需求，又满足了一定的美学需求，但总给人一种刻意为之的感觉。在这里张拉整体结构的应用更像是为了使用而使用，而非顺应结构特点、自然而然地使用。且从图6可以看出，该结构仍需拉索来稳定顶部索膜结构以避免风荷载作用引起索膜顶部支撑杆倾斜，造成张拉整体支撑偏心受压而失稳。

图5  White Rhino

图6  White Rhino外观

另一个案例是波尔州立大学的一个学生作品，该学生在两位教授的研究成果基础上，运用参数化设计将张拉整体结构与弹性纤维薄膜结合，创造了一个可供遮阳的亭子（如图7、图8所示）。

图7  学生作品遮阳亭

图8 遮阳亭细部

该案例也应用了三杆张拉整体结构单元，但它更好地发挥了结构单元的作用，将56个结构单元组合成半球形，围合出内部空间，用纤维薄膜弹性材料作为围护结构，很好地解决了张拉整体结构不易与刚性材料结合使用的问题。不过可惜的是，这种将结构单元包裹起来的处理方法使得张拉整体结构最让人惊喜的悬浮感无法展现出来。或许将内部的一面纤维薄膜舍弃，从内部暴露出结构，可以让在亭子里休憩的人观赏到结构形式，会是更佳选择。

●  发展猜想

张拉整体结构的结构形式十分特殊，和传统的砌体结构、钢筋混凝土结构、钢结构等相比有着很大的不同。就目前建筑材料发展而言，张拉整体结构极细的受拉索之间、索和离散的压杆之间，都难以安装围护结构。这注定了张拉整体结构的应用范围极其有限，不能像其他传统结构一样应用于尺度从小到大的、用途多种多样的建筑。

就已有建筑实践可以看出，张拉整体结构与膜材料的适应性较好，张拉整体结构与膜结构的融合会是未来张拉整体结构发展的一个大方向。在前文分析张拉整体结构优缺点时提到过乔治亚穹顶，它虽然不是真正意义上的张拉整体结构，但它代表着这种结构最适合的一种建筑形式——大跨度建筑。实际上，乔治亚穹顶正是当时跨度最大的屋盖结构。张拉整体结构的建筑形体外部是连续的受拉索，而压杆的外端正好形成一个节点，为膜结构提供了成块的围合面和支撑点。在大型机场或体育建筑中都可以采用这种结构形式。

对于露天建筑来说张拉整体结构也可以占据一席之地。除了完整的穹顶以外，张拉整体结构单元还可以组合成张拉整体圆环（图9），形成类似鸟巢的建筑形式。此外，鉴于可折叠是张拉整体结构的重要特性之一，而可开闭式屋盖是未来体育建筑的主要发展方向之一，这两者在未来的结合尝试也未尝不是一种可能。

图9  张拉整体圆环

图10  拉·维莱特公园中的建筑小品

除了大跨度建筑以外，景观建筑也可以是张拉整体结构应用的另一种主要建筑类型。上文提到的遮阳亭便是一个很好的案例。张拉整体结构有着多种多样的组合形式，膜材料作为围护结构也为其提供了更多的空间组合的可能性。因此，作为解构主义代表作的拉·维莱特公园中的建筑小品（图10）可以提供一个很好的借鉴思路。在景观建筑中张拉整体结构可以恰到好处地将自身结构美展现出来，并且张拉整体结构本身便可以充当雕塑来展示。

Aurel von Richthofen曾采用张拉整体结构设计过一个瞭望台概念模型（图11、图12）。由于压杆离散、连续的索仅提供拉力，张拉整体结构自身刚度很差，Richthofen的概念模型提供了一种新思路：用平台将压杆连成一个整体，这样一方面增加了结构刚度，另一方面也增加了结构的建筑实用性。除了观景台外，人行天桥也是一种可行的选择，实际工程中也有运用张拉整体结构建造的桥梁。另外，虽然钢丝等拉索是受拉构件的最佳选择，但在实际建造过程中，用细钢杆代替拉索也未尝不可。张拉整体结构也可以与其他结构结合形成混合结构，为建筑提供结构支撑，创造新的空间形式。

图11  瞭望台概念模型

图12  瞭望台近景

●  结　语

作为一种新颖的结构形式，张拉整体结构虽然在理论和实践方面都仍有很多亟待完善的地方，但它以其轻质、省材、美观、可折叠等优点，无可置疑地拥有广阔的发展空间，可应用于可变结构建筑、超大跨度建筑、新型景观建筑等建筑形式。可以说，张拉整体结构是属于未来的一种建筑结构模式，在将来必定大有可为。