从图1我们就能得到一个朴素的理解:这里有两种结构组成部分,一个是杆,一个是绳索,它们都是直的。既然绳索是绷直的,那就说明这些绳索有内力,换句话说,就是这个结构有预应力。直观上,它与传统结构最大不同,就是这些组成部分放置的位置、角度、方向比较“神秘”,而传统建筑各部分相对安排得比较规整,通常是互相垂直的方式连接在一起。对受过结构分析训练的人来说,传统结构还是相对容易看出力是如何传递的,而张拉整体则是牵一发而动全身。早期的定义就是从这种观察中来的,不过我们先不急着定义它,它的定义从一开始的比较具体的描述,随着发展逐渐在改变,约束也越来越少。
图3. Snelson坐在tensegrity tower上
那到底什么是张拉整体?学术界在结构工程这边至今并没有统一的定义,虽然有些地方不同,但大体上一致。主要不一样的地方在于是否允许杆与杆直接连接。图1、2、4都是属于杆的端点不互相接触。
而我(AaronDong)个人对张拉整体的定义是“存在预应力才能自平衡的铰接结构”。下面来一一说明:2. 自平衡。自平衡说的是没有外力作用的情况下,结构必须能处于平衡状态。这一条其实也是因为索的存在。
3. 铰接。这一点也是普遍默认的,组件之间全部认为是铰接。
我(AaronDong)的定义里没有硬性规定其他一些东西。
1. 杆与杆是可以直接连接在一个点上的。最原始的定义里,一个点只能连有一个杆,其他必须为索。Adhikari,Skelton & Helton (1998)把它扩展为一个点连 个杆,根据连多少个,细分为不同的class。比如图1、2、4的结构都是Class 1,而一个点最多连了 个就是Class . 注意是所有节点里,连最多的数量。如果有一个点连了两个杆,其他都是一个,也叫Class 2。图5画了Class 1和Class 2的张拉整体。
图5. 左边是Class 1,右边是Class 2。粗线代表bar(杆),细线代表cable(索)。注意中间的构件虽然交叉,但是它们没有连在一起。
2. 大部分研究都遵循构件只承受轴向力,是直的形状,但这不是必须的,有少数研究不是这样。典型例子就是图2那个Snelson's X,它的“杆”是个X。还有比如这样的:
图6. 承担压力的构件是3D的。(Frumar et al., 2009)
3. 通常默认是两种类型的构件:一种是cable(索),它只能承担拉力;一种是bar(杆),用它承担压力(尽管它也能承担拉力)。我觉得其实也完全不必拘泥于此,我们完全可以把只用cable和只用bar的结构包括进来。这样来看,全用cable的,比如索网结构,也算张拉整体;全用bar的,比如有预应力的桁架,也算张拉整体。
大致明白了张拉结构的构成,那我们再来欣赏一下一些奇特超出我们理解的装置吧。