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1、第3卷第2期空间结构1997年5月X全张力、张力集成体系的基本概况夏绍华董明钱若军(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
2、或张力集成体系(TensegritySystem)最初可追溯到1921年,早期的工作是由Emmerich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。Emmerich和Fuller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)。Tardiva2cau
3、、Siestrunck、Calladine、Pellegrino、Roth和Whiteley、Vilnay、Tarnai以及Hanaor等均对此研究作出了贡献。与此同时,Motro、Najari、Belkacem和Crosnier等也在他们的实验室进行了大量的研究工作。而在实际工程中的应用则首先由Geiger、Emmerich、Vilnay、Hanaor及Motro等人开创,并由Levy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
4、前者易发生屈曲。注意到长压杆的屈曲风险后,R1L1Ricolais认为有必要研究可提供必需的稳定条件的张力结构。Fuller对全张力体系的初步认识是:“Tensegrity这个词是一个发明,这是全张力或张力集成(Tensionalintegrity)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。”X文稿收到日期:1996111122。3参照了Fuller的工作之后,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”。Emmer
5、ich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。Roth和Whiteley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
6、小。这种定义是由杆、索和桅杆所组成的构形来归纳的。Whiteley用数学方法并加以公式化:在图G(P)tûxû中,一个张力集成构形被表示为曲线图(V;E-,E0,E+)和集合P∑R。如(i,j)E=E-∪E0∪E+,则Pi=Pj。在E-域内的杆件为索元,E0内为杆元,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。Motro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
7、义相互之间毫无关联,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Tensegrity系统所作的定义作一比较后可发现,Tensegrity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Tensegrity系统的特点,直接了当地揭示或表达了这类系统的特点,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,Tensegrity系统是一种功
8、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,故并不是结构的组合。另一方面,Tensegrity系统的特点是
