可展結(jié)構(gòu)的基本展開方式及其應(yīng)用＊

趙占偉 侯艷芳

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

可展結(jié)構(gòu)的種類非常多，將可展開與可折疊的思想轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的實(shí)踐活動(dòng)極大地方便了人們的生活，推動(dòng)了社會(huì)的進(jìn)步。工程技術(shù)領(lǐng)域在結(jié)合了可展元素后展現(xiàn)出了更多的可能性，相關(guān)課題也逐漸成為當(dāng)今工程技術(shù)界的研究熱點(diǎn)。然而，將可展開與可折疊的思想引入建筑領(lǐng)域的時(shí)間還非常短。但隨著可展結(jié)構(gòu)在航空航天等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，也帶動(dòng)了可展建筑結(jié)構(gòu)形式的不斷創(chuàng)新。

1 可展結(jié)構(gòu)的概念

受限于工業(yè)化水平，可展建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的比較晚，關(guān)于其定義也各有不同，本文采用希臘學(xué)者Gantes C J的觀點(diǎn)。可展結(jié)構(gòu)是一類可以由緊密的折疊（堆疊）狀態(tài)展開成為預(yù)定構(gòu)形的工作狀態(tài)，以穩(wěn)定地承擔(dān)荷載的結(jié)構(gòu)體系的總稱[1]。

由于可展結(jié)構(gòu)體系具備可適應(yīng)不同空間需求、模塊化設(shè)計(jì)、工業(yè)化生產(chǎn)、重復(fù)使用、輕質(zhì)以及便于運(yùn)載等特性，使得它們受到了越來越多的關(guān)注。得益于材料、數(shù)字信息、傳感系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域取得的巨大進(jìn)展，可展結(jié)構(gòu)的形式也得到了不斷地創(chuàng)新和發(fā)展，顯示出了蓬勃的活力和廣闊的應(yīng)用前景。

2 可展結(jié)構(gòu)的展開方式及應(yīng)用

一直以來，人類在展開與折疊方式運(yùn)用上的創(chuàng)新從未停止。盡管各領(lǐng)域的可展開與可折疊的產(chǎn)品眾多，但實(shí)現(xiàn)展開與折疊的最基本方式可歸納為內(nèi)部構(gòu)件間的相對(duì)滑移、相對(duì)旋轉(zhuǎn)和構(gòu)件本身的變形三種方式。

2.1 利用構(gòu)件間的相對(duì)滑移完成展開

采用相對(duì)滑移的方式來實(shí)現(xiàn)可展的結(jié)構(gòu)體系有很多，最典型的是套筒伸縮式結(jié)構(gòu)，如移動(dòng)家庭系統(tǒng)[2]。另外，機(jī)械工程領(lǐng)域的吊車臂、光學(xué)工程領(lǐng)域的天文望遠(yuǎn)鏡及相機(jī)的光學(xué)變焦鏡頭等都普遍采用了這類可展結(jié)構(gòu)形式。

這種展開方式在主流建筑工程領(lǐng)域也有相關(guān)應(yīng)用，不過與其他工程領(lǐng)域的不同點(diǎn)主要在于結(jié)構(gòu)的橫截面形式以及采用的驅(qū)動(dòng)方式有所不同。加拿大多倫多的Sky Dome 屋蓋和英國薩?？说腟liding house（圖1），是目前已經(jīng)建成的采用滑移形式的建筑結(jié)構(gòu)案例。

圖1 單獨(dú)采用相對(duì)滑移的方式實(shí)現(xiàn)可展的建筑結(jié)構(gòu)

2.2 利用構(gòu)件間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)完成展開

采用相對(duì)旋轉(zhuǎn)的方式來實(shí)現(xiàn)可展的結(jié)構(gòu)體系，最典型的是采用“合頁”式連接的結(jié)構(gòu)，如一種衛(wèi)星天線的可展桁架[3]。建筑工程領(lǐng)域中也有很多成功采用相對(duì)旋轉(zhuǎn)的方式來實(shí)現(xiàn)可展的應(yīng)用案例，例如日本福岡體育館的球面形旋轉(zhuǎn)屋蓋。

2.3 利用構(gòu)件本身的變形完成展開

目前，利用構(gòu)件的彈性變形實(shí)現(xiàn)展開的結(jié)構(gòu)種類很多。利用變形原理的可展結(jié)構(gòu)有雙穩(wěn)態(tài)管材、盤繞式伸展臂、充氣膜結(jié)構(gòu)以及折紙類結(jié)構(gòu)等。

（1）雙穩(wěn)態(tài)管材。主要有STEM 和CTM，它們依靠自身變形的方式完成展開，但存在展開精度低與展開后的穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。

（2）盤繞式伸展臂。通過釋放盤繞起來的全長縱梁實(shí)現(xiàn)展開，但該結(jié)構(gòu)不適用于對(duì)展開精度和展開后的穩(wěn)定性要求高的任務(wù)。

（3）充氣膜結(jié)構(gòu)?？衫媚さ膹埨c氣壓的平衡形成天線的反射面、伸展臂等，具備更高的輕量化及收納比，但也有在惡劣環(huán)境中使用時(shí)間不長的缺點(diǎn)。充氣膜結(jié)構(gòu)在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用也很廣泛[4]。因地面環(huán)境中可不斷補(bǔ)充氣體維持外形，故使用時(shí)長上不再是主要問題。另外，利用膜的材質(zhì)輕的特點(diǎn)，氣承式膜結(jié)構(gòu)也應(yīng)運(yùn)而生，如日本的東京穹頂。但這種結(jié)構(gòu)必須通過鼓風(fēng)裝置不間斷地充氣以維持室內(nèi)外的氣壓差。

（4）折紙結(jié)構(gòu)。靈感來源于東方文化特色的折紙藝術(shù)（圖2），也因此而得名。當(dāng)然，折紙結(jié)構(gòu)的材料并不局限于紙張，高分子材料、金屬材料等都可以用在折紙結(jié)構(gòu)中，區(qū)別在于采用的“折痕”形式不同。折紙結(jié)構(gòu)最有價(jià)值之處在于“折紙技術(shù)”。目前，折紙結(jié)構(gòu)在醫(yī)學(xué)、機(jī)械、航天、建筑[5]等領(lǐng)域都有極大的應(yīng)用潛能。

圖2 折紙技術(shù)及其應(yīng)用

2.4 利用組合方式完成展開

（1）相對(duì)滑移與旋轉(zhuǎn)的組合方式。采用滑動(dòng)加旋轉(zhuǎn)的組合方式實(shí)現(xiàn)展開的結(jié)構(gòu)體系，例如利用伸縮桿實(shí)現(xiàn)可開合的體育場(chǎng)看臺(tái)蓋[6]，可折疊和展開的滾橋以及可變幾何的桁架體系。

（2）轉(zhuǎn)動(dòng)與變形的組合方式?，F(xiàn)代的薄膜可作為剛性電池板的載體起到柔性連接的作用。利用精心設(shè)計(jì)的“折痕”可實(shí)現(xiàn)全部電池板的展開和折疊。同樣，折紙技術(shù)也可用于太陽帆薄膜的折疊。然而，這種折紙結(jié)構(gòu)本身一般不具備主動(dòng)展開的能力，需配合可展桁架、充氣膜等具備一定可展剛度的結(jié)構(gòu)一同使用。因此，以這種被動(dòng)展開式的折紙結(jié)構(gòu)作為組成構(gòu)件的結(jié)構(gòu)一般都包含多種展開運(yùn)動(dòng)形式。比如，可展的衛(wèi)星太陽能電池板系統(tǒng)就需要轉(zhuǎn)動(dòng)與變形組合的展開方式。

用到轉(zhuǎn)動(dòng)與變形的基本組合方式實(shí)現(xiàn)展開的結(jié)構(gòu)體系還有一類名為“張拉整體結(jié)構(gòu)”的體系。依據(jù)提出該類體系時(shí)的最初設(shè)想，理想的張拉整體結(jié)構(gòu)體系在展開后利用鋼索的張力達(dá)到合適的剛度，體系中的桿件只受壓。從最終效果上看，使結(jié)構(gòu)骨架展開的主要原因在于內(nèi)部桿件的轉(zhuǎn)動(dòng)，而連續(xù)的鋼索可以看作為聯(lián)系孤立桿件的一種柔性連接。

（3）相對(duì)滑移與變形的組合方式。實(shí)際工程中存在很多只采用滑動(dòng)加變形的組合方式實(shí)現(xiàn)展開的結(jié)構(gòu)體系，例如索膜結(jié)構(gòu)體系（德國法蘭克福的商業(yè)銀行競技場(chǎng)）與熱變形的滑動(dòng)空間伸展架[7]。

另外，要使張拉整體結(jié)構(gòu)體系展開后的桿件受壓和鋼索受拉，方式不止滑輪加主動(dòng)索一種。比如，實(shí)現(xiàn)展開的運(yùn)動(dòng)方式還可以是桿件的轉(zhuǎn)動(dòng)加伸縮滑移[8]或者桿件的轉(zhuǎn)動(dòng)加雙穩(wěn)態(tài)形變的方式[9]等。

雖然張拉整體結(jié)構(gòu)體系有突出的輕質(zhì)化特性，但因結(jié)構(gòu)性能受桿件端點(diǎn)微小位移的影響大，因而其抗彎能力稍差，因此純粹意義上的張拉整體結(jié)構(gòu)體系較難在建筑工程中應(yīng)用。為了推進(jìn)工程應(yīng)用，學(xué)者們提出了多種泛張拉整體結(jié)構(gòu)體系[10]。在這類結(jié)構(gòu)體系中，桿件或梁之間可以相連，但索張力依然是形成結(jié)構(gòu)剛度的關(guān)鍵。

（4）三種基本運(yùn)動(dòng)展開方式并存。在張拉整體結(jié)構(gòu)體系家族中，除了利用構(gòu)件變形和相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)方式外，部分結(jié)構(gòu)的桿件與拉索之間還采用了滑動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)展開。孤立的桿件通過滑輪與鋼索連接，利用主動(dòng)鋼索的張力實(shí)現(xiàn)展開，即實(shí)際上這些結(jié)構(gòu)的展開方式是三種基本運(yùn)動(dòng)方式均存在。

3 變形展開具備發(fā)展?jié)摿Φ膸讉€(gè)方向

雖然利用構(gòu)件變形實(shí)現(xiàn)展開的技術(shù)仍處于發(fā)展初期，但潛力巨大，有望為人類創(chuàng)造更加智能化、高效率和可持續(xù)發(fā)展的未來。因此，變形展開一直是研究的前沿領(lǐng)域。下文給出了變形展開具備發(fā)展?jié)摿Φ膸讉€(gè)方向：

（1）新型充氣張拉膜結(jié)構(gòu)體系。例如，近年來借鑒張拉整體結(jié)構(gòu)的概念并結(jié)合充氣膜結(jié)構(gòu)，又發(fā)展出了一種很有前景的新型充氣張拉膜結(jié)構(gòu)體系[11]。這類結(jié)構(gòu)將充氣膜引入作為一種承力元素，主要起到在受拉索與受壓桿件（或梁）之間傳力的作用，可用作大型承重結(jié)構(gòu)，具備較好的應(yīng)用前景。但也存在充氣膜結(jié)構(gòu)的通病問題，即因膜無法做到完全避免氣體的緩慢逸出，這類結(jié)構(gòu)也需要全時(shí)監(jiān)測(cè)氣壓并及時(shí)補(bǔ)充氣體以維持必要的剛度。

（2）可變形智能材料。隨著材料科學(xué)、電子科學(xué)以及控制理論的不斷發(fā)展，對(duì)符合時(shí)代潮流的可變行智能材料的研究更是炙手可熱。一般而言，觸發(fā)智能材料展開的方式包括電、光、熱和磁等，當(dāng)然，最新的研究也給出了其他觸發(fā)方式的可能性。例如，中科院基于含羞草葉片的折疊伸展原理仿生出的一種復(fù)合材料，可以通過觸碰、吸水的方式來實(shí)現(xiàn)變形，潛在的應(yīng)用方向包括自卷曲仿生血管壁、自打結(jié)手術(shù)縫合線等。

（3）折紙技術(shù)。折紙結(jié)構(gòu)的靈活性和可變性使其成為設(shè)計(jì)和工程領(lǐng)域的一種有趣且具有潛力的工具。不論是利用該技術(shù)制作的血管支架、組織培養(yǎng)裝置，車輛等的耗能裝置，還是空間衛(wèi)星、太陽帆，以及可展的建筑結(jié)構(gòu)等，均可利用折紙技術(shù)巧妙實(shí)現(xiàn)。不僅如此，折紙結(jié)構(gòu)還給了建筑的立面設(shè)計(jì)以靈感，目前在波蘭已有落地項(xiàng)目，可以暢想，也許未來利用折紙?jiān)淼母咝码娮悠聊灰矔?huì)出現(xiàn)。

4 結(jié)語

盡管可展技術(shù)仍處于發(fā)展初期，但其應(yīng)用前景非常廣闊，具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。推進(jìn)和完善對(duì)可展結(jié)構(gòu)體系的研究對(duì)我國來說是迫切和必然的選擇，也符合時(shí)代的潮流。本文通過梳理可展結(jié)構(gòu)體系的典型應(yīng)用案例，得出以下結(jié)論：

（1）可展結(jié)構(gòu)一般有三種基本展開方式，即內(nèi)部構(gòu)件間的相對(duì)滑移、相對(duì)旋轉(zhuǎn)和構(gòu)件本身的變形。

（2）基于三種基本展開方式的任意組合，可以設(shè)計(jì)出創(chuàng)新型可展結(jié)構(gòu)體系。隨著研究的深入，創(chuàng)新型可展結(jié)構(gòu)體系仍將會(huì)不斷出現(xiàn)。這些結(jié)構(gòu)形式不僅可以滿足各個(gè)領(lǐng)域的使用需求，而且還可以滿足人們對(duì)產(chǎn)品美學(xué)方面的期待。

（3）利用到構(gòu)件變形的方式來實(shí)現(xiàn)展開的結(jié)構(gòu)體系，雖然展開機(jī)制相對(duì)復(fù)雜，但也具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，相關(guān)研究課題將持續(xù)受到關(guān)注和投入。