一種新型可展結構的探索

宋依潔 熊海貝 卿紫菲 何子安

(同濟大學土木工程學院，上海200092)

1 引言

1.1 可展概念與建筑

希臘學者 C.J.Gantes[1]對可展結構的定義是:可展結構是由預制單元集成的，能夠從初始的緊密構型展開到預先確定的展開構型工作形態，從而成為具有承載能力的穩定的結構體系。20世紀 60 年代，美國建筑師 Buckminster Fuller[2]在建筑領域提出了可展結構的概念。西班牙建筑師Pineo[2]在此啟發下，在世界建筑作品大獎賽中展示了跨度為300英尺的穹頂折疊式可移動劇院。西班牙學者Escrig和Valcarcel[3]在此基礎上對可展剪式鉸結構和整體穩定性進行了研究，成功建成了一個30 m×60 m的游泳館可展穹頂。

2000年德國漢諾威世博會上，霍伯曼為Iris Dome[2]設計并建造了可縮回式的圓屋頂，通過四臺電腦控制的液壓氣缸使得高6.2 m、寬10.2 m的圓屋頂逐漸收回。在建筑施工領域，日本的川口衛教授[4]提出的適用于雙曲率網殼的攀達穹頂整體頂升施工方法已在世界上數個工程中得到成功應用。

1.2 剪式單元構成可展結構

許多空間可展結構都是由基本構件剪式單元[5]相互連接組成(圖1(a))。本文重點介紹該種可展結構的設計。

將剪式單元進一步改進，把直桿換成折桿，就形成了可以調整角度的折線形剪式單元(圖1(b))。折線形剪式結構的概念由 Kempe[6，11]提出，Hoberman[7-8]對其命名并且應用在各種可展結構設計中。在Hanaor[9]對可展結構的研究結果中，這種剪式結構常常是受彎控制，材料利用效率不高。

在此基礎上，比利時的Mira[10-11]設計出了三角形剪式單元(Universal Scissor Component)(圖1(c))，由三角形替換折線形桿件，能提高抗彎性能，減少變形。

圖1 剪式單元Fig.1 Scissor elements

2 新型可展結構設計

2.1 設計過程

本文基于三角形剪式單元，從優化結構構型、減輕結構自重、適應實際工程需要的角度設計了一種新型空間可展結構。

本文制作了一個小比例模型，跨度2 m，矢高1 m。該結構以三角形剪式單元為基本單元組成剪式組合構件(圖2)，頂部節點將六個剪式組合件連接形成空間可展體系(圖3)，并采用鋼絲拉索構成平面外支撐體系(圖4)，結構底部采用圍合桿件和徑向導軌構成結構自平衡基礎(圖5)，綜合組成了穩定性和伸縮性能均優的新型可展結構模型(圖3、圖5)。

可展機構展開的原理是每個剪式組合構件在平面內的收縮。剪式組合構件下端部的節點都安有2個滑輪(圖3(a))，12個滑輪同時向中心滑動帶動每個剪式組合構件的折疊，使得整個機構收縮。可展機構展開后，在將輪子和頂部節點的位置固定，便形成穩定的結構(圖3(b))。

圖2 三角形剪式單元組成剪式組合構件Fig.2 Composition of scissor composite members

圖3 空間可展模型Fig.3 Composition of a deployable structure

圖4 預拉力鋼絲拉索Fig.4 Pre-tensioned ropes

圖5 收縮模型及底盤Fig.5 Contraction state of the structure

2.2 設計注意事項

可展結構的設計主要是保證可展性能和穩定性的統一，特別是展開過程中的穩定可控性。應設計合理的軌道和驅動方式，在展開過程中增加臨時的側向支撐。

每個剪式組合構件在平面內只有一個自由度，只需增加一個鏈桿約束即可變成幾何不變的結構(圖6)。但設計時應加強結構整體剛度，例如展開后增加多個鏈桿和鋪設剛性連接的面板，使結構能夠抵抗設計荷載。結構較薄容易在平面外失穩，應仔細考慮風荷載的作用，設置足夠的平面外支撐和圍護體系，例如采用剛性的橫向支撐或者柔性的預拉力拉索。通過調整三角形的高寬比或連接方式，可以設計出靈活多變的整體外形。對于跨度較大的空間結構，可以考慮用三角形桁架代替三角形單元組成剪式單元，減少桿件計算長度。

圖6 增加一個鏈桿后幾何不變Fig.6 Geometrical invariability by adding a constraint

3 試驗研究

3.1 試驗設計

本靜力加載試驗主要模擬屋面結構在承受豎向荷載工作狀態下的結構反應。考慮豎向活荷載最不利布置，分全跨和半跨兩種工況進行加載。圖7為加載點及位移計布置圖，括號內數值為位移計標號。靜力試驗方案如下:在結構頂部的節點(圖7標號10)和每個剪式組合構件的跨中(圖7標號1—6)施加集中荷載。

圖7 加載點及位移計布置圖Fig.7 Loading points and displacement meters

設計總荷載為 1.75 kN，底盤面積 3.14 m2，面荷載0.56 kN/m2。荷載分五級施加，工況1全跨加載時，分級加載表如表1所示。卸載試驗與加載試驗的順序相反。

表1 全跨靜載試驗分級加載表Table 1 Table of the loading schemes

工況2半跨加載時，僅在相鄰的三跨施加豎向荷載(圖7標號1—3)，即上表中邊跨總荷載減半，但每級中施加在每個剪式組合構件的荷載不變。

3.2 試驗裝置

在結構頂部、每個剪式組合構件的跨中掛置砝碼施加集中荷載，見圖8和圖9。

圖8 邊跨砝碼加載Fig.8 Loading at the mid-span

圖9 頂點砝碼加載Fig.9 Loading at the central node

試驗中，在每個剪式組合構件的跨中部位布置了豎向位移計(標號1—6)。每隔一個剪式組合構件的跨中布置了水平位移計(標號7—9)。在中心節點處設置了一個水平位移計和一個豎向位移計(標號10和11)。位移計標點位置見圖7數字標示(括號中數字表示水平位移計，其余表示豎向位移計)。下文中用豎向位移計的數字來代指該構件。

3.3 數據分析

按照加載表進行加載卸載試驗后，采集荷載和位移數據，制成圖表如下。

工況1全跨加載-卸載的荷載位移曲線如圖10—12。圖中VD代表豎向位移，HD代表水平位移，數字指代圖7中的位移計標號。

圖10 荷載—豎向位移曲線(全跨加載—卸載)Fig.10 Load-vertical displacement curves under full-span loading-unloading scheme

圖11 荷載—水平位移曲線(全跨加載—卸載)Fig.11 Load-horizontal displacement curves under full-span loading-unloading scheme

鋁合金模型施加總荷載1.75 kN時，結構的最大豎向位移7.9 mm(圖12)發生在頂點處，撓度為1/250。5號、6號剪式組合構件的豎向位移明顯大于其他(圖10)，觀察后發現5號、6號構件有初始缺陷，未受力時已微微翹起，加載后位移較大。加載時也出現了一些不均勻的水平位移。結構位移在卸載后都有明顯恢復，說明設計荷載小于結構極限承載力，結構還有回彈能力。

工況2半跨加載時，在圖7中標號為1、2、3的構件跨中施加半跨活荷載。其荷載位移曲如圖13—圖15所示。

圖12 荷載—頂點位移曲線(全跨加載—卸載)Fig.12 Load-displacement curves for the central node under full-span loading-unloading scheme

圖13 荷載—豎向位移曲線(半跨加載—卸載)Fig.13 Load-vertical displacement curves under half-span loading-unloading scheme

圖14 荷載—水平位移曲線(半跨加載—卸載)Fig.14 Load-horizontal displacement curves under half-span loading-unloading scheme

半跨加載試驗與全跨加載相比，總荷載減小，頂點位移稍減小，水平位移變大。半跨加載最大豎向位移7.1 mm(圖15)也出現在頂點，撓度為1/281。1號點豎向位移次之為6.6 mm(圖13)。最大水平位移5.4 mm出現在頂點。對該模型的靜力試驗結果說明該種可展結構具有一定的承載能力，能夠滿足實際需要。

圖15 荷載—頂點位移曲線(半跨加載—卸載)Fig.15 Load placement curves for the top node under half-span loading-unloading scheme

4 應用前景

可展結構具有伸縮平滑，搭建、拆卸和運輸方便，基本桿件相同能批量化生產等優點，可應用于永久半永久建筑以及空間結構施工技術中，例如應用于救災帳篷、臨時展館等。實際上，可展結構作為永久性建筑仍然存在小規模生產成本昂貴，結構規模較大時結構與基礎難以牢固連接等問題，仍需在實踐中繼續研究。

可展結構體系可以從機構變成結構，這一特點可應用于空間結構的施工技術中。空間結構在空間利用上是高效能的，但在施工方面卻需要大量的腳手架，勞動力和時間，并且在還經常產生工程精度、可靠性和安全性等方面的困難。板狀屋頂中經常采用的現代化施工方法如提升體系等不能等效地應用于曲面狀空間結構中。可展結構被應用到穹頂狀結構的施工體系中并非先例，日本政法大學川口衛教授提出了攀達穹頂(Pantadome)的施工體系。與之相似的，本文提出了一種新型可展結構施工體系的構想。

4.1 攀達穹頂施工體系

攀達穹頂體系的核心思想是通過臨時去掉一些桿件使穹頂在施工階段暫時變為一個機構，可以趴伏在地面上完成大部分施工工作，之后頂升到預定的高度就位。圖7所示的穹頂狀的網殼結構，去掉平面圖中虛線所表示的桿件后，這個穹頂就形成了拆掉環向箍的狀態，這樣就可以簡單地進行折疊了，在低空完成施工工作后再頂升就位[4]。

4.2 可展結構施工體系

本文提出一種新型的施工體系構想，在可展機構伸展變成穩定結構的過程中完成空間建筑的建造。

圖16 攀達穹頂的施工原理Fig.16 Working principles of the Pantadome

這種施工體系由剪式組合構件和剛性頂蓋組成，建造時先在地面上分別制作剪式組合構件和剛性頂蓋。將剪式組合構件收縮成最小狀態，再與剛性頂蓋相連接。連接好之后將穹頂結構用液壓千斤頂和臨時支柱提升，頂升就位后在剪式單元之間施加鏈桿約束，最后在平面外鋪設剛性面板形成穩定的空間結構(圖17)。

依靠剛性頂蓋的剛度和軌道的約束，該種施工體系在水平方向的運動是完全被約束住的，體系只在上下垂直方向有一個自由度。但由于剪式組合構件不可能做的太厚，頂升時剪式組合構件容易在平面外失穩，需要設置平面外的支撐和圍護結構，在頂升時應附加側向的剛性支撐來抵抗突然的地震和強風等水平荷載。

這種體系的優點是:頂升過程更加平緩簡便，展開時的速度和運動軌跡更容易被計算機控制，軌道和驅動系統也容易設計。

圖17 可展結構施工體系Fig.17 Construction of deployable structures

5 結論

本文提出了一種新型可展結構，該結構由圓盤節點、六榀剪式組合構件和圍護體系組成，形成了兼具可展性與穩定性的空間可展結構。通過對模型的荷載試驗得到，靜力試驗卸荷后，結構位移出現大幅回彈，結構的最大位移和撓度都在可接受范圍內，說明結構在0.56 kN/m2的活荷載以及自重荷載下具有良好的承載能力和一定的抵抗變形能力。結構的初始缺陷和制作精度對變形有很大影響。

該可展結構搭建、拆卸容易，運輸方便;相同的基本桿件用不同的拼接方式可以形成不同的幾何外形;可在工廠預制、批量化生產，促進建筑工業化。因此該結構可應用于臨時建筑，半永久建筑。該結構的展開過程平緩穩定，只需要稍加穩定措施就可以頂升重物。因此可以考慮應用于新式施工體系，經濟便捷。

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