全张力 张力集成体系的基本概况

《全张力 张力集成体系的基本概况》由会员分享，可在线阅读，更多相关《全张力 张力集成体系的基本概况（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 第 3 卷 第 2 期 空 间 结 构 1997 年 5 月 全 张 力 、 张 力 集 成 体 系 的 基 本 概 况 X夏 绍 华 董 明 钱 若 军(河 海 大 学 南 京 210024) (同 济 大 学 上 海 200092)摘 要 全 张 力 、 张 力 集 成 体 系 是 由 集 成 单 元 根 据 一 定 的 规 则 组 合 而 成 的 一 种 特 殊 的 空间 结 构 。 本 文 首 先 总 结 了 全 张 力 、 张 力 集 成 体 系 的 基 本 概 念 , 回 顾 了 该 体 系 的 历 史 发 展 过 程 , 探讨 了 多 面 体 几 何 与 张 力 集 成 单 元

2、 之 间 的 关 系 、 多 面 体 几 何 与 结 构 的 关 联 性 问 题 , 从 而 形 成 了 对张 力 集 成 单 元 的 基 本 认 识 。 本 文 还 论 述 了 全 张 力 体 系 的 结 构 特 性 , 并 探 讨 了 全 张 力 体 系 的 工 程应 用 前 景 。关 键 词 全 张 力 体 系 张 力 集 成 体 系 集 成 单 元 索 穹 顶 结 构一 、 全 张 力 、 张 力 集 成 体 系全 张 力 体 系 或 张 力 集 成 体 系 (T en segrity System )最 初 可 追 溯 到 1921 年 , 早 期 的 工 作 是 由Emm eric

3、h 完 成 的 , 至 今 主 要 的 工 作 已 持 续 了 不 少 于 70 年 之 久 , 而 Snelson 的 工 作 则 可 视 为 实现 该 体 系 的 一 个 起 点 , 尤 其 是 在 应 用 于 城 市 雕 塑 等 艺 术 造 型 方 面 。 Emm erich 和 Fu ller 成 功 地对 该 体 系 进 行 了 大 量 的 几 何 形 态 方 面 的 研 究 , 此 后 , Pugh 在 他 的 专 著 中 也 对 此 作 了 详 尽 的 阐述 , 他 们 所 进 行 的 基 本 研 究 都 是 多 面 体 几 何 。 在 过 去 的 十 来 年 中 , 科 学 家

4、 们 相 继 开 展 了 对 全 张力 体 系 的 力 学 研 究 , 并 建 立 了 相 应 的 理 论 体 系 以 对 该 种 结 构 进 行 建 模 (modeling)。 T ardiva2cau、 Siestrunck、 Calladine、 Pellegrino、 Ro th 和 W h iteley、 V ilnay、 T arnai 以 及 H anao r 等 均 对此 研 究 作 出 了 贡 献 。 与 此 同 时 ,M o tro、 N ajari、 Belkacem 和 C ro sn ier 等 也 在 他 们 的 实 验 室 进 行了 大 量 的 研 究 工 作 。

5、 而 在 实 际 工 程 中 的 应 用 则 首 先 由 Geiger、 Emm erich、 V ilnay、 H anao r 及M o tro 等 人 开 创 , 并 由 L evy 等 人 作 了 发 展 。全 张 力 体 系 由 各 人 基 于 结 构 原 理 、 几 何 或 力 学 概 念 等 可 给 出 不 同 的 定 义 , 虽 然 众 说 纷 纭 ,但 其 基 本 点 却 在 于 使 大 部 分 材 料 处 于 受 压 或 受 拉 。 这 是 有 很 大 区 别 的 , 因 为 前 者 易 发 生 屈 曲 。注 意 到 长 压 杆 的 屈 曲 风 险 后 , R 1L 1R

6、ico lais 认 为 有 必 要 研 究 可 提 供 必 需 的 稳 定 条 件 的 张 力 结构 。Fu ller 对 全 张 力 体 系 的 初 步 认 识 是 :“ T en segrity 这 个 词 是 一 个 发 明 , 这 是 全 张 力 或 张 力集 成 (T en sional in tegrity)的 缩 写 。 这 里 , 张 力 是 全 方 向 的 连 贯 。 全 张 力 体 系 是 固 有 的 并 非 多 余的 结 构 最 优 的 工 作 效 率 的 集 成 。 ”3X 文 稿 收 到 日 期 : 1996111122。参 照 了 Fu ller 的 工 作 之

7、后 , Pugh 给 出 了 可 描 述 全 张 力 体 系 的 不 同 方 面 的 定 义 :“ 全 张 力 体系 是 一 组 不 连 续 的 受 压 元 件 与 一 组 连 续 的 张 力 元 件 交 互 形 成 的 一 个 稳 定 空 间 ” 。Emm erich 曾 对 此 作 过 “ 自 应 力 结 构 ” 的 定 义 , 他 认 为 “ 自 应 力 结 构 是 由 杆 件 和 索 段 组 成 ” 。杆 和 索 以 某 种 方 式 装 配 , 使 杆 件 被 连 续 的 索 元 所 隔 离 , 所 有 的 这 些 单 元 必 须 刚 性 地 被 张 成 且 同时 被 预 应 力 所

8、互 锁 。 这 些 预 应 力 产 生 于 索 元 的 内 部 应 力 , 而 并 不 需 要 由 外 部 加 载 或 张 拉 锚 接 。整 个 结 构 稳 定 地 支 持 着 , 像 一 个 自 支 承 结 构 。 “ 自 应 力 ” 一 词 盖 出 于 此 。Ro th 和 W h iteley 从 另 一 个 角 度 来 定 义 全 张 力 体 系 。 他 们 认 为 全 张 力 体 系 为 杆 元 、 索 元 和桅 杆 构 成 : 杆 元 使 任 意 一 对 节 点 维 持 一 定 的 距 离 , 索 使 其 各 对 节 点 之 间 的 距 离 置 于 上 限 , 即 索元 节 点 的

9、 距 离 趋 于 最 大 , 而 桅 杆 则 使 其 置 于 距 离 的 下 限 , 即 桅 杆 节 点 的 距 离 趋 于 最 小 。 这 种 定义 是 由 杆 、 索 和 桅 杆 所 组 成 的 构 形 来 归 纳 的 。 W h iteley 用 数 学 方 法 并 加 以 公 式 化 : 在 图 G (P)中 , 一 个 张 力 集 成 构 形 被 表 示 为 曲 线 图 (V ; E - , E 0, E + ) 和 集 合 P R tx 。 如 (i, j ) E = E - E 0 E + , 则 P i = P j。 在 E - 域 内 的 杆 件 为 索 元 , E 0 内

10、为 杆 元 , 而 E + 为 桅 杆 。加 拿 大 学 者 首 先 采 用 图 论 来 研 究 全 张 力 体 系 的 拓 扑 , 研 究 涉 及 到 一 般 的 数 学 方 法 及 拓 扑在 三 维 空 间 中 的 实 现 , 并 且 着 重 警 告 设 计 者 应 避 免 获 得 不 稳 定 的 解 。 M o tro 研 究 球 面 系 统 中 的拓 扑 , 压 杆 呈 偶 图 而 受 拉 杆 单 元 则 为 平 面 图 。 基 于 此 , 他 提 出 了 一 个 算 法 以 构 造 具 有 n 个 节 点的 相 关 结 构 。以 上 各 种 定 义 相 互 之 间 毫 无 关 联 ,

11、 为 了 更 好 地 发 展 全 张 力 体 系 , 有 必 要 对 它 们 加 以 了 解 。将 上 述 各 种 对 T en segrity 系 统 所 作 的 定 义 作 一 比 较 后 可 发 现 , T en segrity 的 关 键 是 : 刚 度系 由 受 张 力 的 索 与 杆 件 之 间 处 于 自 应 力 平 衡 态 中 获 得 。以 上 各 种 定 义 虽 然 出 于 几 何 、 力 学 和 构 造 等 各 方 面 的 考 虑 , 但 都 是 从 各 方 面 来 描 述T en segrity 系 统 的 特 点 , 直 接 了 当 地 揭 示 或 表 达 了 这 类

12、系 统 的 特 点 , 而 且 以 此 定 义 这 类 体 系 。体 系 的 基 本 特 点 是 最 大 限 度 地 处 于 连 续 的 张 力 状 态 , 而 压 杆 只 是 “ 少 数 的 孤 立 的 孤 岛 ” ; 至 于 自平 衡 或 自 支 承 是 提 供 体 系 处 于 张 力 状 态 的 前 提 或 措 施 。 因 此 , T en segrity 系 统 是 一 种 功 能 结 构元 件 系 统 的 集 成 , 但 不 是 简 单 的 组 合 。 系 统 中 的 杆 元 、 索 元 及 桅 杆 并 不 各 自 呈 桁 架 、 悬 索 结 构 或框 架 的 性 状 , 故 并 不

13、 是 结 构 的 组 合 。 另 一 方 面 , T en segrity 系 统 的 特 点 是 结 构 要 求 处 于 最 大 限度 的 张 力 状 态 , 而 张 力 的 形 成 和 产 生 并 不 源 于 对 结 构 的 张 拉 , 因 此 将 这 类 体 系 定 义 为 全 张 力 体系 或 者 张 力 集 成 体 系 是 能 切 中 结 构 特 点 的 。二 、 全 张 力 、 张 力 集 成 体 系 的 发 展 简 史现 在 已 说 不 清 究 竟 是 谁 首 先 涉 及 全 张 力 体 系 的 , 在 近 期 发 表 的 文 献 中 , Emm erich 报 道 了他 所 首

14、 次 触 及 的 T en segrity 系 统 。 他 参 照 了 俄 国 工 程 师 所 进 行 的 研 究 , 这 些 研 究 载 于 1929 年首 次 出 版 的 由 建 筑 师 L aszlo M oho ly N agy、 V on M aterier Zu 撰 写 的 著 作 中 , 这 些 著 作 在 1968年 再 版 。 L. M. N agy 还 给 出 了 1921 年 在 莫 斯 科 举 行 的 一 个 展 览 会 的 两 幅 照 片 , 展 示 了 一 个“ 平 衡 结 构 ” 。 这 个 新 奇 的 结 构 是 由 三 根 杆 和 九 根 索 组 成 , 已

15、是 非 常 接 近 于 由 三 根 杆 和 九 根 索 组成 的 自 应 力 体 系 。Emm erich 描 述 了 一 些 类 似 的 关 系 到 自 应 力 的 结 构 , 其 中 一 些 是 他 完 成 的 , 有 些 则 是 由Snelson 做 的 城 市 雕 塑 , 特 别 是 由 多 根 桅 杆 组 成 的 巴 基 斯 坦 航 空 公 司 的 100 英 尺 雕 塑 结 构 。4Snelson 的 贡 献 是 不 能 抹 杀 的 。 当 40 年 代 时 , Fu ller 便 已 坚 持 宇 宙 遵 循 “ 全 张 力 ” 准 则 了 ,但 他 的 信 念 并 未 得 到 验

16、 证 。 在 1947 1948 年 间 , Fu ller 在 黑 山 学 院 任 教 时 便 已 经 常 引 用 了 “ 全张 力 ” 这 个 词 , 他 认 为 “ 自 然 中 总 是 趋 于 由 孤 立 的 压 杆 所 支 撑 的 连 续 的 张 力 状 态 ” 。 他 的 学 生 , 著名 的 雕 塑 家 Kenneth Snelson 做 了 一 个 由 三 根 杆 件 和 一 些 索 所 构 成 的 小 结 构 , 这 便 是 第 一 个全 张 力 结 构 。 此 后 , 法 国 、 德 国 、 加 拿 大 等 国 学 者 相 继 对 全 张 力 、 张 力 集 成 结 构 进 行 了 系 统 的 研究 , 内 容 涉 及 到 : 集 成 单 元 的 几 何 、 形 体 ; 集 成 单 元 的 稳 定 性 ; 单 层 、 双 层 平 板 及 穹 顶 全 张 力 结 构的 拓 扑 分 析 ; 全 张 力 结 构 的 静 力 特 性 ; 全 张