運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定構(gòu)形切換實(shí)現(xiàn)景觀構(gòu)筑物的功能拓展

王 瑜，陳 震

1)南京航空航天大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，江蘇南京 211106；2)東南大學(xué)建筑學(xué)院，江蘇南京 210096；3)江蘇開放大學(xué)傳媒與設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇南京 210036

【土木建筑工程 / Architecture and Civil Engineering】

運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定構(gòu)形切換實(shí)現(xiàn)景觀構(gòu)筑物的功能拓展

王 瑜1,2，陳 震3

1)南京航空航天大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，江蘇南京 211106；2)東南大學(xué)建筑學(xué)院，江蘇南京 210096；3)江蘇開放大學(xué)傳媒與設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇南京 210036

針對運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)日益廣泛用于景觀構(gòu)筑物的現(xiàn)象，從影響運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定構(gòu)形狀態(tài)的基本構(gòu)成單元切入，根據(jù)其自身的形變，將運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的單元?dú)w納為可變形單元與不可變形單元兩類，不同的單元類型對應(yīng)不同的穩(wěn)定構(gòu)形. 研究表明，構(gòu)成折疊結(jié)構(gòu)的剪桿單元、剛性面板單元與索桿單元，構(gòu)成充氣膜結(jié)構(gòu)的薄膜，構(gòu)成開合結(jié)構(gòu)的索膜均屬于可變形單元；界面開合、單元重組與整體移動(dòng)則是基于不可變形單元實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定構(gòu)形轉(zhuǎn)換. 穩(wěn)定構(gòu)形間的靈活切換適應(yīng)了不同用途下的特定要求，在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了構(gòu)筑物功能的改變與拓展.

建筑設(shè)計(jì)；穩(wěn)定構(gòu)形；運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)；景觀構(gòu)筑物；可變形單元；不可變形單元

穩(wěn)定與不穩(wěn)定一直都是結(jié)構(gòu)范疇的關(guān)鍵詞，穩(wěn)定是結(jié)構(gòu)維持其幾何形狀的基本要求. 不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)無法承擔(dān)荷載，顯然是不能接受和成立的，試圖避免不穩(wěn)定是建筑設(shè)計(jì)常用的定律之一，但一個(gè)結(jié)構(gòu)卻可經(jīng)歷暫時(shí)的不穩(wěn)定階段. 靜定是不穩(wěn)定之前的狀態(tài)，而不穩(wěn)定則是動(dòng)態(tài)的前提條件[1]. 結(jié)構(gòu)如果在體系中存在有限機(jī)構(gòu)位移或者無窮小結(jié)構(gòu)位移，其后成為穩(wěn)定的體系，則該體系仍然可當(dāng)作結(jié)構(gòu). 運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)(kinetic structures)[2]就是符合這種條件的新型結(jié)構(gòu)體系，體系在外力驅(qū)動(dòng)下經(jīng)歷一個(gè)展開運(yùn)動(dòng)的成形過程，成為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系[3]. 值得注意的是，這里并不是指微小的彈性變形(如初期彎矩)，而是伴隨著有限的變形，利用機(jī)構(gòu)或壓力產(chǎn)生形態(tài)變化的建筑[1]，即成形前后，構(gòu)筑物的幾何形狀發(fā)生了顯著的改變.運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)按照系統(tǒng)構(gòu)形可劃分為3類：可展運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)(deployable kinetic structure)、 動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)(dynamic kinetic structure)與嵌入運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)(embedded kinetic structures). 可展結(jié)構(gòu)存在于臨時(shí)性場地，且能便捷運(yùn)輸，如活動(dòng)房屋等可移動(dòng)結(jié)構(gòu)以及帳篷等；動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)存在于更大的建筑整體之中，卻可以獨(dú)立運(yùn)作而不用顧及周邊環(huán)境的控制，包括可操控的動(dòng)態(tài)元素、可移動(dòng)的循環(huán)系統(tǒng)以及旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；嵌入結(jié)構(gòu)涉及到以固定位置存在于建筑整體之中的系統(tǒng)，其主要功能是根據(jù)變換因素來控制建筑系統(tǒng)，如開合式屋蓋和應(yīng)答式立面等[2-3]. 據(jù)此，目前大量服役于景觀構(gòu)筑物的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)主要是可展結(jié)構(gòu)與嵌入結(jié)構(gòu).

盡管運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系最重要的特征在于可“動(dòng)”，而其真正滿足功能需求、發(fā)揮功效的狀態(tài)仍是保持不動(dòng)狀態(tài)(穩(wěn)定)、結(jié)構(gòu)為幾何不變體系之時(shí)，穩(wěn)定的構(gòu)形是構(gòu)筑物得以平穩(wěn)豎立、安全使用以至形態(tài)美觀的保證. 以可展結(jié)構(gòu)為例，其主要特征是具有兩種穩(wěn)定構(gòu)形：完全折疊狀態(tài)與完全展開工作狀態(tài). 完全折疊狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)收攏為某一特定形狀；在外界驅(qū)動(dòng)力的作用下，結(jié)構(gòu)逐步展開，達(dá)到完全展開的工作狀態(tài)，然后鎖定為穩(wěn)定狀態(tài)[4]. 在兩種穩(wěn)定狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)為幾何不變體系，可以承受荷載；在展開或折疊的過程中，為幾何可變體系，是機(jī)構(gòu). 兩種狀態(tài)或者說兩種幾何形體之間切換的目的，在于以快速、反復(fù)的方式對功能進(jìn)行改變和拓展，以適應(yīng)持續(xù)變化的社會(huì)需求. 為了便于儲(chǔ)存、運(yùn)輸，可展結(jié)構(gòu)一般處于折疊或收攏狀態(tài)；當(dāng)需要利用或轉(zhuǎn)為他用時(shí)，則展開至工作狀態(tài). 無論是可展結(jié)構(gòu)還是嵌入結(jié)構(gòu)雖然整體幾何形體繁復(fù)，卻可分解為具有相似單元特性的組成部分，單元之間依照特定的法則與規(guī)律構(gòu)成結(jié)構(gòu)，方便設(shè)計(jì)和分析，降低制造成本. 單元的工作特性決定了結(jié)構(gòu)的工作特性，如剛度和收納率. 根據(jù)單元自身的形變，本研究將運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的單元分為可變形單元與不可變形單元，借以探討不同單元構(gòu)成下所呈現(xiàn)出的各異的穩(wěn)定構(gòu)形，進(jìn)而達(dá)成與景觀構(gòu)筑物功能需求的動(dòng)態(tài)變化相適應(yīng)的目標(biāo). 需要指出的是，研究中所稱的景觀構(gòu)筑物，意在為人們提供短時(shí)間活動(dòng)所需的簡單與多義復(fù)合的空間，根據(jù)當(dāng)時(shí)的工程結(jié)構(gòu)和技術(shù)發(fā)展水平，按照力學(xué)規(guī)律和技術(shù)法則成功地調(diào)度不同的材料、結(jié)構(gòu)性能和施工技術(shù)以構(gòu)成具有表現(xiàn)力的建筑造型，注重在其所處場地環(huán)境中控制和組織景觀兼有造景功能的景觀建筑. 這類建筑具有建筑與結(jié)構(gòu)高契合度之特性.

1 基于可變形單元的穩(wěn)定構(gòu)形

構(gòu)成景觀構(gòu)筑物的基本組成構(gòu)件在兩種穩(wěn)定狀態(tài)下呈現(xiàn)出懸殊頗大的形變，稱為可變形單元. 其組成既有剛性構(gòu)件單元(如剪桿單元)，亦有柔性構(gòu)件單元(如充氣膜結(jié)構(gòu))，還有剛性與柔性構(gòu)件共同組成的單元(如剛性桿和柔性索組成的索桿單元). 這些基本的工作單元，通過一定的拓?fù)潢P(guān)系可形成具有特定結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)特性的可展結(jié)構(gòu). 同時(shí)單元之間相互組合或與機(jī)構(gòu)單元組合，亦可生成諸多新型的可展單元. 如剪桿單元與膜組合成新的工作單元，也可與折疊板組合成新的工作單元[5].

1.1 由剪桿單元構(gòu)成折疊結(jié)構(gòu)

由兩根或以上中部相互鉸接且可以轉(zhuǎn)動(dòng)的桿件組成的構(gòu)件稱為剪桿單元(scissor-like element，SLE)，其中由兩根桿件組成的剪桿單元最為常見，稱為雙桿剪桿單元[3](圖1). 數(shù)個(gè)雙桿剪桿單元相互連接，構(gòu)成折疊網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的基本折疊單元[5]. 由剪桿單元可以構(gòu)成各種基本結(jié)構(gòu)單元，進(jìn)而組合出各種形式的折疊網(wǎng)架及網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，如塔、橋和展亭等景觀構(gòu)筑物均可快速搭建而成，但幾何外形多為規(guī)則平面或曲面. 在使用前，結(jié)構(gòu)為緊束的一捆，使用時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)經(jīng)拉伸，每一剪桿單元中的桿件繞中部的鉸點(diǎn)相對轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)逐步展開，可在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)固的狀態(tài). 依據(jù)結(jié)構(gòu)展開成型后的穩(wěn)定平衡方式可分為外加鎖式折疊結(jié)構(gòu)與自鎖式折疊結(jié)構(gòu)兩種[3].

圖1 剪桿單元[3]Fig.1 Scissor-like element[3]

外加鎖式折疊結(jié)構(gòu)又稱作附加穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在折展過程中和展開后桿件內(nèi)均無應(yīng)力產(chǎn)生，為一機(jī)構(gòu)體系. 這種結(jié)構(gòu)在剪桿單元展開到預(yù)定跨度時(shí)，可在結(jié)構(gòu)端部附加桿件或其他種約束而形成靜定或超靜定的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)[3](圖2). 簡便易行的做法是結(jié)構(gòu)展開后，在節(jié)點(diǎn)之間全部或部分設(shè)置固定拉索，繃緊拉索以提供剛度. 日本花水木公園中跨度約6 m的可折疊橋采用剪桿單元作為基本結(jié)構(gòu)單元，桿件唯一的內(nèi)部自由度由1根連續(xù)的纜索控制，纜索經(jīng)由滑輪與剪桿單元相連，一端連于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾筒，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)而纏繞纜索使結(jié)構(gòu)體展開. 聯(lián)系相鄰剪桿單元節(jié)點(diǎn)的一系列短索，初始狀態(tài)松弛，完全展開的穩(wěn)定構(gòu)形下緊繃，纜索為結(jié)構(gòu)整體施加了總體的預(yù)應(yīng)力[6](圖3). 將該結(jié)構(gòu)用于遮蔽功能的景觀構(gòu)筑物中，可將拉索與覆蓋材料相結(jié)合，結(jié)構(gòu)上下節(jié)點(diǎn)所在平面均設(shè)置覆蓋材料，起到拉索的作用. 這樣的結(jié)構(gòu)中桿件剛度較大，能夠滿足較大跨度景觀構(gòu)筑物的要求. 用以覆蓋西班牙塞維利圣派柏羅體育中心游泳池的折疊屋蓋[6](圖4)即是剪鉸單元構(gòu)成折疊結(jié)構(gòu)的典型實(shí)例，其設(shè)計(jì)者為西班牙學(xué)者Escrig與Valcarcel科研小組. 該屋蓋由兩個(gè)相同的正方形外加鎖式折疊球殼連接而成. 屋蓋的角點(diǎn)與地面鉸接，其周邊裝有拉索，每個(gè)正方形網(wǎng)格的一個(gè)對角邊下弦節(jié)點(diǎn)也布置有拉索，從而提高了屋蓋的穩(wěn)定性. 結(jié)構(gòu)采用雙層織物作為屋面，固定在網(wǎng)格單元的下節(jié)點(diǎn). 結(jié)構(gòu)全部展開時(shí)，織物受拉，充分考慮了整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[7]；結(jié)構(gòu)閉合時(shí)，雙層織物相互連接，有序折合[8].

圖2 外加鎖式折疊結(jié)構(gòu)[3]Fig.2 Geometrical out-hold structure[3]

圖3 日本花水木公園可折疊橋平面及實(shí)景[6]Fig.3 (Color online) Plan and perspective of foldable bridge in the Hanamizuki Park, Japan[6]

圖4 西班牙塞維利圣派柏羅體育中心游泳池的折疊屋蓋[6]Fig.4 (Color online) Deployable roof for a swimming pool in San Pablo Sevilla, Spain[6]

自鎖式折疊結(jié)構(gòu)又分為幾何自鎖式與結(jié)構(gòu)構(gòu)件自鎖式，前者亦稱為自穩(wěn)定式折疊結(jié)構(gòu)，其自穩(wěn)定原理是由結(jié)構(gòu)的幾何條件及材料力學(xué)特性所決定的[3]. 由一些剪鉸以一定的方式連接而組合成為鎖鉸，稱為鎖鉸折疊單元，鎖鉸中每個(gè)桿件只有在兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)才與結(jié)構(gòu)的幾何狀態(tài)相適應(yīng)，桿件應(yīng)力為零[3]，而在折展過程中桿件內(nèi)存在變形，且變形大小處于控制之中，是一個(gè)大位移小應(yīng)變的幾何非線性過程，桿件既有剛體運(yùn)動(dòng)，又有彈性變形，兩者之間在動(dòng)力效應(yīng)上還會(huì)產(chǎn)生耦合作用，經(jīng)歷一個(gè)跳躍現(xiàn)象將結(jié)構(gòu)鎖定到工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，進(jìn)而承受荷載，滿足所有的安全性和功能要求. 多種空間折疊結(jié)構(gòu)可由鎖鉸折疊單元構(gòu)造而成. 這類結(jié)構(gòu)展開便捷，但其桿件抗彎剛度較小，因而承受外荷載能力較低，故只適用于小跨度景觀構(gòu)筑物的建造. 如由IA(intelligent system in architecture)設(shè)計(jì)建造的實(shí)驗(yàn)性可展穹頂即為幾何自鎖式折疊結(jié)構(gòu)，不需任何附加構(gòu)件，因幾何不相容性(geometric incompatibilities)而導(dǎo)致自鎖[6](圖5).

圖5 IA設(shè)計(jì)的可展穹頂[6]Fig.5 (Color online) Deployable geodesic dome by intelligent system in architecture[6]

1.2 由剛性面板單元構(gòu)成折疊結(jié)構(gòu)

剛性面板單元間通過樞軸或圓柱鉸等相連接組成折疊結(jié)構(gòu)，繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)即實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的展開與折疊. 剛性面板單元中可以是折疊板與桿系或索桿系折疊單元、折疊板與折疊板之間的組合方式. 桿-板的組合開拓了金屬桿系或索桿系折疊單元與金屬薄板、木板、塑料板和玻璃板等平面構(gòu)件組合使用的可能性. 完全折疊狀態(tài)下，體積小、質(zhì)量輕，便于攜帶與運(yùn)輸；完全展開工作狀態(tài)下，集承重、圍護(hù)以及裝飾于一體，兼具保溫及隔熱等優(yōu)良性能，且形態(tài)靈活而美觀. 采用剛性面板作為可展結(jié)構(gòu)的基本單元可提高結(jié)構(gòu)表明的幾何精度，提高收縮打包的效率，面板間的連接構(gòu)造簡單、可靠且經(jīng)濟(jì). Make Architects團(tuán)隊(duì)于2014年完成了英國倫敦一處預(yù)制售貨亭的設(shè)計(jì)建造，其可折疊的設(shè)計(jì)理念源于折紙的啟發(fā). 售貨亭關(guān)閉時(shí)，恰恰處于完全展開工作狀態(tài)，表現(xiàn)為小巧、緊湊、富有雕塑感的矩形盒子，適于個(gè)體業(yè)主在內(nèi)部空間保存物品；徹底打開時(shí)，則處于完全折疊狀態(tài)，鋁質(zhì)剛性面板通過鉸鏈相連，按照預(yù)先設(shè)定的折疊位置與方式緊縮與合攏，而折展的過程猶如折扇的開合一般，此時(shí)可滿足對外營業(yè)之需求[6](圖6).

圖6 剛性面板單元構(gòu)成折疊結(jié)構(gòu)[6]Fig.6 (Color online) Deployable structures consisted of rigid panel element[6]

1.3 由索桿單元構(gòu)成折疊結(jié)構(gòu)

索桿單元是由壓桿和高強(qiáng)度拉索鉸接而成的基本單元. 在未施加預(yù)應(yīng)力前，結(jié)構(gòu)的剛度無法維持自身的幾何形狀，體系處于松弛態(tài)，只有當(dāng)施加一定大小的預(yù)應(yīng)力時(shí)才能成形與承受荷載[9]；而且其預(yù)應(yīng)力的大小和分布直接影響著結(jié)構(gòu)的受力性能，只有結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力大小和分布合理，結(jié)構(gòu)才能具有良好的力學(xué)性能[10]. 結(jié)構(gòu)的剛度由預(yù)應(yīng)力提供，需要一個(gè)過程方能達(dá)到自平衡狀態(tài)(一般稱為預(yù)應(yīng)力態(tài)). 預(yù)應(yīng)力態(tài)取決于結(jié)構(gòu)的形狀，達(dá)到預(yù)應(yīng)力態(tài)的過程即為找形[11]. 索桿單元可用于小跨徑的折疊式帳篷結(jié)構(gòu)、中大跨度的折疊網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以及大尺度可折疊的張拉整體結(jié)構(gòu). Vua等[12]基于索桿式可展結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征提出了一種索桿式可展結(jié)構(gòu)的幾何準(zhǔn)則，并利用該準(zhǔn)則通過計(jì)算機(jī)模擬來研究新的索桿式可展結(jié)構(gòu)形式，即基于POP(pyramid-on-pyramid)/PIP(pyramid-in-pyramid)/PPC(pyramid-pantograph-cable)/PPP(pyramid-pantograph-pyramid)構(gòu)形的多重模塊組合(圖7).目前，將索桿單元應(yīng)用于折疊結(jié)構(gòu)中的景觀構(gòu)筑物不甚多見，僅出現(xiàn)在一些只具有精神功能且基本不具備使用功能的構(gòu)筑物. 例如著名雕塑家Kenneth Snelson完成的一系列張拉整體結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑物．但這些結(jié)構(gòu)與真正意義上輕便可展、切換自如的折疊結(jié)構(gòu)還有一定距離. 另一些如預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)等則是通過索桿體系的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)展開的張拉成形結(jié)構(gòu)體系.

1.4 由充氣成形構(gòu)建的充氣膜結(jié)構(gòu)

充氣膜是柔性材料，其本質(zhì)上也是可展結(jié)構(gòu)，依靠膜面內(nèi)外的氣體或液體形成的壓力差成形，施加預(yù)應(yīng)力以保持穩(wěn)定[13]. 充氣膜結(jié)構(gòu)一般采用高強(qiáng)薄膜作為主要結(jié)構(gòu)材料，其特點(diǎn)是內(nèi)在的抗彎剛度很小，無法承受壓力[14]，故需要充氣建立膜面內(nèi)外壓差使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生一定的預(yù)張應(yīng)力，當(dāng)薄膜張拉至工作狀態(tài)形成特定的結(jié)構(gòu)形式，則成為景觀構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)主體，從而具有足夠的剛度以抵抗外部荷載作用. 該類型構(gòu)筑物無需剛性構(gòu)件作為支承，完全折疊狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)可折疊率高且質(zhì)量輕，便于收納和運(yùn)輸；完全展開工作狀態(tài)下，可輕易實(shí)現(xiàn)大跨度，在構(gòu)建具有跨向、遮蔽功能的景觀構(gòu)筑物方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，且造型靈活. 由于材料的特性，其幾何形態(tài)決定于預(yù)張力的大小和分布，曲率半徑越大，內(nèi)力越大. 一旦預(yù)應(yīng)力施加合理，其抵抗外部荷載的途徑就是通過結(jié)構(gòu)的形狀變化，即通過曲面從一種平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種平衡狀態(tài)；反過來，造型的變化幅度也就是抵抗外部荷載的能力，在不均勻非對稱風(fēng)荷載或雪荷載作用下會(huì)產(chǎn)生很大變形[15].

ARK NOVA是由英國雕塑家Anish Kapoor與日本建筑師磯崎新合作完成的可移動(dòng)充氣膜結(jié)構(gòu)音樂廳. 結(jié)構(gòu)材料選用涂層聚酯薄膜，在完全折疊狀態(tài)下，該結(jié)構(gòu)可收納至極為小巧的體積，與拆卸的設(shè)備一起裝在一輛卡車上，方便運(yùn)送；在完全展開工作狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)可舒展至長約36 m、寬約30 m、高約18 m的龐大體量，室內(nèi)為單一而連續(xù)的空間，能夠容納500人的坐席，依靠設(shè)備的布置可劃分為多種形式適應(yīng)從管弦樂隊(duì)到室內(nèi)音樂、爵士樂、表演藝術(shù)或展示會(huì)等各種活動(dòng)的需求[6](圖8).

圖7 新型索桿折疊體系[12]Fig.7 (Color online) New deployable tension-strut structures[12]

圖8 ARK NOVA可移動(dòng)充氣膜結(jié)構(gòu)音樂廳[6]Fig.8 (Color online) ARK NOVA hall[6]

1.5 由張拉索膜構(gòu)成開合的結(jié)構(gòu)

一般來講，索膜結(jié)構(gòu)的柔性開合結(jié)構(gòu)均以薄膜材料褶皺方式實(shí)現(xiàn)開合，是開合結(jié)構(gòu)的先驅(qū)，主要針對屋蓋來使用. 與充氣膜結(jié)構(gòu)的幾何形狀與展開方式不同的是，此開合結(jié)構(gòu)多采用徑向排列的鋼纜索懸吊膜屋面并集中到一個(gè)中心點(diǎn)，通過纜索的收放，使膜面產(chǎn)生褶皺或展開的動(dòng)作而完成開合過程. 完全折疊狀態(tài)下，膜面收束集結(jié)于中心點(diǎn)形成“膜材包”；完全展開工作狀態(tài)下，膜面多由一整塊膜面組成，幾何形狀為圓形、橢圓形及正多邊形等，因外加預(yù)應(yīng)力而具有剛度. 這個(gè)中心點(diǎn)或是一根高高的桅桿，它能將所有豎向荷載傳遞到地面，膜體荷載往往由鋼拉索中分布的牽引部件傳遞；或是使用輻條的形式來實(shí)現(xiàn)中心聚攏，膜面徑向移至中心點(diǎn)，一旦完全延展，膜面幾乎為平面狀態(tài)，坡度遞減至外緣，適用于徑向鋼拉索間距離短的小型景觀構(gòu)筑物. 但索膜褶皺開合結(jié)構(gòu)中即便膜材完全展開，也沒有足夠預(yù)應(yīng)力來提供剛度，所以對風(fēng)荷載敏感，氣動(dòng)穩(wěn)定性差[16]，且不易形成封閉的內(nèi)部空間，因此多用于滿足臨時(shí)性活動(dòng)需求的景觀構(gòu)筑物. 1967年在巴特赫斯菲爾德修道院廢墟上空建造完成的索膜褶皺開合結(jié)構(gòu)(圖9)，為室外戲劇、歌劇以及音樂演出提供了可供遮蔽的空間，使活動(dòng)可在各種天氣下照常進(jìn)行. 該構(gòu)筑物使用了37個(gè)可自動(dòng)推進(jìn)的索牽引機(jī)將頂部膜層沿14根導(dǎo)引索展開拉直排列成星形，膜面覆蓋面積為1 315 m2，可以在4 min之內(nèi)打開. 圍墻外矗立著一根32 m高的桅桿，為整個(gè)開合結(jié)構(gòu)的支撐體系[17].該構(gòu)筑物自建造之日起一直功能完好，25年后才進(jìn)行了第一次更新完善，無疑證明了其建造之成功.

另一種為拱形鋼結(jié)構(gòu)或桁架結(jié)構(gòu)等剛性骨架索膜褶皺開合結(jié)構(gòu)，通過支撐的鋼結(jié)構(gòu)骨架間的相對位移即平行滑移，來達(dá)到膜屋面的褶皺或緊張狀態(tài)，得到線性的折疊模型，實(shí)現(xiàn)屋蓋開啟．其工作方式類似手風(fēng)琴，屋面由1塊或2塊膜屋面組成，平面幾何形狀多為矩形. 膜瓣在組成支撐線的桁架間折疊. 在使用固定拉索的地方，膜面也需在張拉的情況下沿著拉索線設(shè)置成較大的馬鞍形，如維也納市政廳內(nèi)天井上方的開合屋蓋[18](圖10).

圖9 巴特赫斯菲爾德修道院廢墟上空的索膜褶皺開合結(jié)構(gòu)[17]Fig.9 (Color online) Retractable roof above bad Hersfeld monastery[17]

圖10 維也納市政廳內(nèi)天井上方開合屋蓋[18]Fig.10 (Color online) Retractable roof above the inner courtyard in Rathaus Wien[18]

2 基于不可變形單元的穩(wěn)定構(gòu)形

構(gòu)成景觀構(gòu)筑物的基本組成構(gòu)件在穩(wěn)定狀態(tài)下無明顯形變，僅表現(xiàn)為位置的改變或位移的出現(xiàn)，即為不可變形單元. 其組成基本為剛性構(gòu)件單元. 它在建筑中的應(yīng)用歷史久遠(yuǎn)，其雛形見諸于傳統(tǒng)的門窗，公元前300年出現(xiàn)的木質(zhì)吊橋就是極好的佐證. 由不可變形單元建構(gòu)而成的景觀構(gòu)筑物在兩種穩(wěn)定狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換更為直觀，操作起來簡便易行，但耗時(shí)相對較多. 與可變形單元構(gòu)成的構(gòu)筑物相比，其體積大、質(zhì)量大、可擴(kuò)展性強(qiáng)，靈活性與適應(yīng)性則稍遜一些. 最重要的區(qū)別在于，此類構(gòu)筑物即使處于未完全展開或未完全折疊的中間狀態(tài)，依然具有穩(wěn)定性，原因主要是其結(jié)構(gòu)主體為剛體.

2.1 界面開合實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定構(gòu)形間的切換

將水平界面或圍合界面的組成構(gòu)件作為不可變形單元，單元以及單元之間位置的變化或位移的產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)界面的開合，達(dá)成景觀構(gòu)筑物不同功能需求間有效轉(zhuǎn)換之目的. 其中，以滿足遮蔽或圍合需求為主的構(gòu)筑物，界面的開合對主體支撐結(jié)構(gòu)的影響較小，屬于運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)中的嵌入結(jié)構(gòu)范疇. 完全閉合狀態(tài)下，幾何形體緊湊而規(guī)整，顯現(xiàn)出完形特征，多為規(guī)則幾何體，如正方體、長方體和球體等，以內(nèi)向封閉的環(huán)境意象明確內(nèi)部空間的功能定位；完全開啟狀態(tài)下，固定部分為結(jié)構(gòu)主體，可動(dòng)的界面展開突破原有的形式界限，以削減、增加和變形等方式重構(gòu)幾何形體，內(nèi)外空間得以滲透與融合，強(qiáng)化外向的功能需求(圖11).美國職業(yè)高爾夫球協(xié)會(huì)的“草原存儲(chǔ)箱”(prairie hopper)是一座白色鋼結(jié)構(gòu)的可移動(dòng)預(yù)制展亭[6](圖12)，旨在為各種運(yùn)動(dòng)和戶外活動(dòng)提供遮陽. 可展開的遮陽屏作為不可變形單元以圍合界面的形式排列于展亭四周，通過鉸鏈與頂界面相連，可以為觀眾創(chuàng)造出最適宜的遮陽角度，其能源需求來自于裝備的太陽能板與風(fēng)力渦輪機(jī). 完全開啟狀態(tài)下，鋼框架結(jié)構(gòu)暴露無遺，可展單元充分展開，拓展與豐富了原有的幾何形體，徹底打破內(nèi)外空間的界限.

圖11 界面開合實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定構(gòu)形間的切換示意圖Fig.11 (Color online) Diagram of the switch between stable configurations by retractable interface

圖12 “草原存儲(chǔ)箱”可移動(dòng)預(yù)制展亭[6]Fig.12 (Color online) Transforming prefab sports pavilion[6]

以滿足跨向需求為主的構(gòu)筑物，界面的開合直接關(guān)系到整個(gè)結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)型式的確定，固定單元多位于跨向的兩端(或一端)且錨固不動(dòng)，可動(dòng)單元即可開合的界面可于固定單元之間自由伸展. 在完全閉合狀態(tài)下，界面展開與固定單元完美銜接，幾何形體完整而平緩，以跨越和溝通為己任；在完全開啟狀態(tài)下，界面以各種方式實(shí)現(xiàn)收縮或偏轉(zhuǎn)，原有幾何形體發(fā)生較大變化，隨即異位為功能需求的轉(zhuǎn)變. 位于新西蘭北島璜加雷的Lower Hatea河高架橋?yàn)榭砷_啟橋梁[6](圖13)，完全閉合狀態(tài)下可減輕城市中心交通擁堵問題，固定單元向人們提供一個(gè)永久的最小凈空，可動(dòng)單元寬25 m，其開合機(jī)制基于傳統(tǒng)的豎旋橋，結(jié)構(gòu)性的鋼甲板支撐作為配重引起橋面運(yùn)動(dòng)，完全開啟狀態(tài)下允許高度超過7.5 m的船只穿行而過.

圖13 Lower Hatea河高架橋[6]Fig.13 (Color online) Lower Hatea river viaduct[6]

2.2 單元重組實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定構(gòu)形間的切換

以剛性構(gòu)件固結(jié)而成的結(jié)構(gòu)單元，在外力的作用下幾何形狀保持不變，則該基本單元為剛體．只要確保此單元的尺度適宜，以其作為不可變形單元進(jìn)行拼接與重組，即可快速搭建起臨時(shí)性景觀構(gòu)筑物. 完全折疊狀態(tài)下，維持自身幾何形體不變的單元之間彼此契合地疊放在一起；完全展開工作狀態(tài)下，單元之間特定的組合方式可拼合出線性的平面形式與空間形態(tài).

伊朗的Maziar等[19]提出了一種新型的可展結(jié)構(gòu)，幾何形狀衍生自簡單的三角形折疊圖案，構(gòu)筑物由尺寸大小不一、跨度和高度均不同的單元組成. 他們通過實(shí)驗(yàn)建造了一個(gè)最高點(diǎn)為3 m、最低點(diǎn)為2.6 m、跨度約為3 m的構(gòu)筑物，單元線性排列后覆蓋的總面積達(dá)到50 m2. 每個(gè)主體單元由2塊三角形構(gòu)件組成，在這些單元間夾有2個(gè)較小的次要單元，既對主體單元起到支撐作用，又彌補(bǔ)了主體單元之間的空隙，它們還能夠移至一側(cè)帶來大小各異的開口，從而使得構(gòu)筑物呈現(xiàn)出截然不同的幾何形狀與視覺體驗(yàn). 主次單元均可沿著兩側(cè)軌道在滑動(dòng)機(jī)制作用下進(jìn)行移動(dòng)與展開. 為方便運(yùn)輸，結(jié)構(gòu)可以折疊至很小的一包. 主體單元移動(dòng)后相互疊置，次要單元通過滾輪在內(nèi)側(cè)傾斜的軌道上滑至結(jié)構(gòu)兩側(cè)疊放. 為了更精確地控制折展過程，單元頂部都設(shè)置了導(dǎo)軌條，避免移動(dòng)時(shí)單元發(fā)生搖動(dòng)，防止三角形構(gòu)件的損壞，容許結(jié)構(gòu)經(jīng)受起反復(fù)的打開與關(guān)閉操作. 對于此類小型景觀構(gòu)筑物而言，結(jié)構(gòu)的開合沒必要使用其他驅(qū)動(dòng)能量，所有的工作僅需2人完成(圖14).

圖14 新型的可展結(jié)構(gòu)[19]Fig.14 (Color online) New deployable kinetic structure[19]

2.3 整體移動(dòng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定構(gòu)形間的切換

不施加任何外力使景觀構(gòu)筑物的幾何形狀發(fā)生變動(dòng)，可以說，結(jié)構(gòu)整體即為不可變形單元本身，只要通過簡單的挪移、滑動(dòng)等動(dòng)作改變其所處場地，便可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，類似于房車. 使用功能的轉(zhuǎn)換實(shí)際上演變?yōu)槲恢没驁龅氐霓D(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的途徑是從一個(gè)完全靜止?fàn)顟B(tài)到另一個(gè)完全靜止?fàn)顟B(tài)的切換. 整體移動(dòng)須結(jié)構(gòu)體滿足一定的條件，或是體積小、質(zhì)量輕且便于裝載運(yùn)輸，或是相對位移較小.

柏林公共藝術(shù)實(shí)驗(yàn)室(Public Art Lab)的可移動(dòng)博物館(The Mobile Museums)為若干白色立方體[20](圖15)，其移動(dòng)性不僅意味著它們能夠從一處挪動(dòng)到另一處，臨時(shí)占據(jù)城市中心非常重要的公共空間，而且還能以不同的排列方式重新安置，從而在每個(gè)地方創(chuàng)造出獨(dú)一無二的移動(dòng)社區(qū). 構(gòu)筑物的地板由實(shí)木框架構(gòu)成，可以通過鏟車進(jìn)行移動(dòng)；墻體由雙層聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)硬質(zhì)泡沫塑料板制成；屋頂則是覆有PVC的木框架，并為結(jié)構(gòu)提供支撐和穩(wěn)定. 結(jié)構(gòu)體的寬小于2.4 m，高小于3.1 m，恰好容納進(jìn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的平板卡車內(nèi). 簡潔與牢固的建造確保其經(jīng)受住往來各個(gè)場地之間多次的挪移.

圖15 可移動(dòng)博物館[20]Fig.15 (Color online) The mobile museums[20]

結(jié) 語

盡管包括可展結(jié)構(gòu)和嵌入結(jié)構(gòu)在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā)展已近半個(gè)世紀(jì)，但它仍屬于一種新穎且不成熟的結(jié)構(gòu)體系，在建筑上的應(yīng)用多始于具有實(shí)驗(yàn)意義的景觀構(gòu)筑物；反之，實(shí)驗(yàn)與摸索的過程亦推動(dòng)了景觀構(gòu)筑物自身的創(chuàng)新發(fā)展. 結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定構(gòu)形是景觀構(gòu)筑物功能需求得以滿足的前提，而穩(wěn)定構(gòu)形間的切換靈活適應(yīng)了不同用途下的特定要求，在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了構(gòu)筑物功能的改變與拓展. 雖然設(shè)計(jì)的復(fù)雜性陡增，但運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)對施工速度的加快、施工難度的降低、社會(huì)生產(chǎn)效率的提高以及自然資源的節(jié)約等方面均有著重大意義. 景觀構(gòu)筑物的發(fā)展日益呼喚對運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)這種頗具創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)的深入研究、技術(shù)提升與廣泛應(yīng)用. 除了文中所提到的可變形單元與不可變形單元兩種基本構(gòu)成單元外，不斷進(jìn)步的科技與強(qiáng)大的機(jī)械技術(shù)必將促使現(xiàn)有的可變系統(tǒng)進(jìn)一步革新，進(jìn)而以新穎、動(dòng)態(tài)與適應(yīng)力強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)回應(yīng)景觀構(gòu)筑物各異與變化的功能需求.

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【中文責(zé)編：坪 梓；英文責(zé)編：之 聿】

Function extension of landscape architecture based on switch between different stable configurations of kinetic structures

Wang Yu1,2?and Chen Zhen3

1)Arts College, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, Jiangsu Province, P.R.China 2)School of Architecture, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu Province, P.R.China 3)School of Media and Design, Jiangsu Open University, Nanjing 210036, Jiangsu Province, P.R.China

In response to the phenomenon of widespread use of kinetic structures in landscape architecture, we set the key factors affecting stability of kinetic structures, namely the constructing elements. These elements can be categorized as either transformable or non-transformable ones based on their transformability. Each category corresponds to certain stable configuration. We find that the category of transformable elements includes foldable structures constructed from scissor-like element, rigid slab element and rod-cable element, inflatable structures constructed from membrane, and retractable structures constructed from cable-membrane. The transition to stable configuration is also based on non-transformable elements such as unfolding and folder planes, recombination of elements and entire movement of landscape architecture itself. The smooth transition between stable configurations can be tailored to match desired purposes. It will change and extend the functions of landscape architecture.

arckitectural design; stable configuration; kinetic structure; landscape architecture; transformable element; non-transformable element

Received：2015-11-07；Revised：2016-08-30；Accepted：2016-10-30

Foundation：Fundamental Research Funds for the Central Universities(NR2015013)； Social Science Foundation of Jiangsu Province (15YSC009)

? Corresponding author：Lecturer Wang Yu．E-mail: jodewang@163.com

：Wang Yu, Chen Zhen. Function extension of landscape architecture based on switch between different stable configurations of kinetic structures[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2017, 34(1): 51-62.(in Chinese)

TU 201

A

10.3724/SP.J.1249.2017.01051

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(NR2015013)；江蘇省社會(huì)科學(xué)基金資助項(xiàng)目(15YSC009)

王 瑜(1980—)，女，南京航空航天大學(xué)講師、博士．研究方向：景觀設(shè)計(jì)．E-mail：jodewang@163.com

引 文：王 瑜，陳 震. 運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定構(gòu)形切換實(shí)現(xiàn)景觀構(gòu)筑物的功能拓展[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版，2017，34(1)：51-62.