让建筑“悬浮”起来!“张拉整体”结构

让建筑“悬浮”起来！“张拉整体”结构

作者：杨笑天

起 源

1948年,富勒在⿊⼭学院演讲中提到了⼀个概念，“Small islands of compression in a a of tension”。他⽐喻宇宙中的

天体，就像是漂浮在万有引⼒的拉⼒海洋之中的、受压的孤岛，⼤⾃然中有“间断压、连续拉”的现象。

⼀名叫Kenneth Snelson的学⽣受到富勒的启发，设计了⼀件名为“Snelson's X” 的艺术装置作品，并拿给富勒看。

Snelson's X，Kenneth Snelson，1948年

富勒突然意识到，这个结构正是他苦苦寻找的答案。富勒⽤“tensional”(张拉) 和“integrity”(整体) 合成的新名

词“Tengrity” 张拉整体为其命名。

不过，⼏年之后富勒对于发现张拉整体结构这件事，许多场合不再提Snelson的名字了。另⼀⽅⾯，n则

⽤“Floating Compression”概括他的作品理念。

n 和他的张拉整体结构

其实，张拉整体结构最早可追溯到1921年。雕刻家K.约翰逊展⽰了⼀个模型，它由3根杆和8根索组成。这个模型并不

具有刚度，任⼀根索的收缩都会使模型产⽣机构性位移。不过，它与后来经典的3杆9索⾃平衡体已经⾮常接近。

3杆8索的模型，K.约翰逊

Simplex单元：3杆9索的张拉整体

3杆9索的张拉整体 也叫Simplex单元。它是最简单的张拉整体结构，看上去很像⼀个三棱柱拧了⼀个⾓度，每根杆件的

端点都有3根索连接。索为受压杆提供了轴向压⼒，并且“固定”了杆件端点的位置。Simplex单元是许多张拉整体作品的

基本组件。

特 点

张拉整体结构，是由“不连续的受压构件” 与 “连续的受拉单元” 组成的⾃⽀承、⾃应⼒的空间结构，受压构件之间不接

触。

Skylon tower，1951

1951年，在英国展出的Skylon tower，共计6根索，塔柱的两端各有3根索 ，下⽅的3根索固定了结构位置，⽽上部的3

根则让塔柱结构保持竖直。

张拉整体结构属于临界受⼒体系，结构刚度由预应⼒提供。在施加预应⼒之前，结构体系不稳定。初始预应⼒的⼤⼩对

结构的外形和刚度起着决定性作⽤，因此需要考虑⼏何⾮线性才能进⾏分析。

富勒 展⽰他设计的张拉整体球结构

对受过结构分析训练的⼈来说，看出传统结构的传⼒关系是相对容易的，⽽张拉整体则是牵⼀发⽽动全⾝，更为这种结

构形式增添了⼀份神秘。

n根据艺术灵感创作的艺术装置是张拉整体思想的最早尝试。⽽富勒、ch、⽡尔耐（）、

莫特罗（）、汉纳（）则基于数学和图形理论，研究了多种张拉整体结构体系。

富勒基于短程线穹顶构造的20⾯体张拉结构

n的创作

Kenneth Snelson( 1927 –2016),雕塑艺术家

从1948年开始，n对于张拉整体装置的创作灵感似乎从未停⽌过。他创作了许许多多匪夷所思、极具视觉冲击

⼒的艺术作品。

年轻n坐在Tengrity Tower上

上图的Tengrity tower是由多个3杆9索的张拉整体（simplex）叠加成的，每层的下部三个压杆⽀点落在下⼀层顶部拉

杆三⾓形的边上。

针塔Needle tower，30⽶⾼

Needle Tower是由n于1968年设计的，由多个Simplex单元叠起来，形成尖塔造型。压杆为铝合⾦，拉索为不

锈钢索，现陈列在美国华盛顿特区的Hirshhorn Muum and Sculpture公园。

锈钢索，现陈列在美国华盛顿特区的Hirshhorn Muum and Sculpture公园。

仰视Needle tower

Needletower的现场安装过程

Spring Street, 1964，n

Sun River, 1967

Sun Run, 1967

Northwood I, 1969

Cantilever, 1967

Key City, 1968

X-Planar Tower,1962-1988

雕塑作品“Fly”

Double City Boots,1968

B-Tree II, 1981-2006

Triple Crown, 1991

Dragon, 1999-2000

Vortex III, 2002

New Dimension, 1977

压杆与拉索的节点设计

Rainbow Arch, 2001

新的变化

⼤部分张拉整体结构设计，压杆构件只承受轴向⼒，是直线形状，但这不是必须的。典型例⼦是本⽂开头的“Snelson's

X” 艺术装置，它的“压杆”是个X。还有⽐如以下⼏个张拉整体装置，受压体或为多杆，或为曲线，或为块体。

南京⾼等职业学校雕塑

建筑师:李少航、钟华颖; 结构师: 袁鑫

建筑师:钟华颖; 结构师: 袁鑫

承担压⼒的构件是3维的，Frumar et al., 2009

球形张拉整体机器⼈，Böhm et al., 2016

机器⼈

从2013年开始，NASA在Ames Rearch Center开发的⼀个张拉整体机器⼈项⽬，⽤于未来探索⾏星表⾯。其中⼀个

代表是NASA的Super Ball。它⽤的不是simplex，⽽是icosahedron，⼀共6个压杆。压杆上装有作动器，使得压杆可以

伸长或缩短。

NASA的Super Ball张拉整体机器⼈

通过控制系统，调节拉索和压杆的长度，使得整个结构变形，然后驱运结构⾏进。NASA靠遗传算法和机器学习来找到

适当的控制策略。国内浙江⼤学也在做这⽅⾯的研究。

⽩⾊犀⽜

2001年，⽇本川⼝建⼀教授设计了⼀座索膜结构“White Rhino”，采⽤了2个张拉整体单元作为索膜的主要⽀撑构件，可

能是张拉整体结构在建筑类结构中的⾸次应⽤。

“White Rhino”,⽇本千叶，2001年

1964年，富勒在张拉整体结构、短线程穹顶思想的基础上发明了Aspension Dome。Aspension是根据ascending

suspension structure(向上升的悬吊式穹顶)创造出的新词。利⽤环向和径向拉索将⽴柱层层向上抬起排列，形成穹顶形

态。Aspension Dome是⼀种全新的结构形式。

富勒设计的悬吊穹顶Aspension Dome，1964年

盖格尔（）在富勒张拉整体思想的基础上，发明了⽀承于周边受压环梁上的⼀种索杆预应⼒张拉整体穹顶体

系，即索穹顶。1986年盖格尔将索穹顶结构体系成功应⽤于汉城奥运会的体操馆（D=119.8m）、击剑馆(D=89.9m)

1992年M.莱维(Levy)设计了⼀种稳定性更好的三⾓形⽹格穹顶，作为亚特兰⼤奥运会的主体育馆，乔治亚穹顶(Georgia

Dome)平⾯呈椭圆形(193m×240m)，双曲抛物⾯型张拉整体索穹顶的⽤钢量仅30㎏/㎡。

M.莱维(Levy)设计的乔治亚穹顶(1992年)

因维护和使⽤原因，于2017年被爆破拆除

索穹顶是Aspension Dome张拉整体结构的进化,但它还没有严格实现结构⾃⽀承、⾃应⼒的原则，它离开下部受压环梁

则不能成⽴。

张拉整体的概念⾄今已有70年的历史了。遗憾的是，实践作⽤或⽤于雕塑装置，或仅停留在模型层⾯，没有真正的、完

全意义上构造建筑空间的案例。

⽹络上有关于“如何做⼀个张拉整体”的视频，⼤家不妨学着做⼀个张拉整体模型，感受⼀下它的神奇。

参考⽂献

1. Kenneth Snelson_Art_And_Ideas

2. 知乎Aaron Dong：

/p/29875553

3. /wiki/Kenneth_Snelson

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