从建筑学角度浅析折叠结构在工程设计中的应用
自黑abc
自黑abc Lv.2
2024年01月15日 14:52:06
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折叠结构是一种用时展开、不用时可折叠的结构,具备机动性强、施工周期短、结构效益高等独特优势,但目前其设计、计算理论体系仍有待发展、优化,在建筑工程领域中的应用也相对有限。本文以折叠结构的应用为立足点,从建筑学视角阐述其发展历史,以其结构概念及特点分析其进一步应用的具体形式及难点,从建筑工程设计的实例及自身专业视角出发,分析此类结构在今后的工程应用前景。



折叠结构是一种用时展开、不用时可折叠的结构,具备机动性强、施工周期短、结构效益高等独特优势,但目前其设计、计算理论体系仍有待发展、优化,在建筑工程领域中的应用也相对有限。本文以折叠结构的应用为立足点,从建筑学视角阐述其发展历史,以其结构概念及特点分析其进一步应用的具体形式及难点,从建筑工程设计的实例及自身专业视角出发,分析此类结构在今后的工程应用前景。



●  前  言

折叠结构(Foldable Structures)从属于可展结构(Deployable Structures),不同于传统框架结构、砌体结构等,是20世纪60年代诞生并发展起来的一种新型空间结构,具有可展开与可折叠的结构特点,一般可被多次重复使用。折叠结构在建造现场体现为干作业,施工省时、省力,运输及储存十分便捷,有显著优点。

折叠的思想古已有之,如雨伞、游牧民族的帐篷等,其近代发展主要受航天科技需求的推动,在空间伸展臂、太空可展天线中均已得到充分的应用,而应用于建筑领域的时间较晚,尚处于发展阶段,实际案例有限。与国际先进水平相比,折叠结构在我的国建筑工程领域的设计、推广、使用等方面尚存在着较大差距。

折叠结构的独特优势及其目前在我国还未投入广泛应用的状态引起了大众关注,便于运输和快速建造的折叠式金属结构可迅速构筑起临时性建筑,之后也便于拆除,对异地或往后的再利用也有一定的积极意义,在过去几年的疫情防控中也有了比较成功的应用案例。故本文以折叠结构为论述对象,从建筑学角度出发阐述其应用发展历史,以其结构概念及特点为基础,分析典型工程和设计实例,并从自身专业视角浅析该类结构的应用前景。


●  折叠结构在建筑领域中的发展

折叠结构的思想历史悠久,可追溯至春秋战国时期,但国际上对折叠结构的实际研究始于20世纪40年代。1960年,Buckminster Fuller首先提出了可展结构的概念,开始思考“将折叠成很小形状的穹顶像牵牛花那样自由地开闭、展开、收缩的方法是什么?”1961年,西班牙结构工程师E. P. Pinero提出“可移动剧院”方案,设计了由小方格组成的可折叠、展开的空间网格结构,成为现代民用建筑折叠结构的开拓者。1964年,Pinero在马德里建造了建筑面积为8,000㎡的展览馆(图1)由12m×9m的可折叠空间网格单元组成,该单元运输时折叠起来的平面尺寸仅为0.8m×0.7m,建造时采用轮式支架将已装配完成的组件展开,用附加钢杆来稳定该结构,最后在屋面铺设压型钢板,整个展览馆相继搬到圣塞巴斯汀和巴塞罗那使用。Pinero也与Salvador Dali一同开发了一种可连同表面玻璃一起展开的折叠雕塑型结构,是折叠空间结构连同覆面板一起展开的第一个工程实例。在建筑折叠结构的应用发展中,可见该类结构在运输、建造方面有着突出的便捷性。

   

图1  1961年Pinero展示“可移动剧院”设计,可见折叠结构的展开过程

而早期折叠结构的应用也显现了该结构的部分不足。在成型稳定方式方面Pinero最早提出的剧院结构属于外加锁式,在完全展开形态下必须加入索或是其他支撑才能保证结构的稳定,这使得结构展开费时且不方便。为改善这一情况,1976年,Zeigler提出了自锁式折叠结构,即结构在展开过程中存在应力并能够锁定于完全展开形态下,但因自锁后仍存在弯曲和残余应力,致使结构承载力被严重削弱。直至20世纪90年代,MIT的学者通过附加的几何约束得到了无应力的自支撑式折叠结构;同时期,希腊学者对自稳定折叠网架进行了大量研究,推动了折叠结构在建筑中的应用。

1992年塞维利亚世界博览会的委内瑞拉展馆屋盖是当时折叠结构应用于建筑的实例之一(图2)。因西班牙的施工费用过高,展馆屋盖采用了空间折叠结构,于国内预制完成后运至塞维利亚展开安装,闭幕后再折叠运回。折叠结构的临时性和经济性符合了该展馆建筑的国内工程预算和当地规划的要求。

   

图2  1992年塞维利亚世界博览会委内瑞拉展馆

随着折叠结构的概念、理论及应用不断发展,近年来,我国国内研发的新型折叠式网壳帐篷结构安装方便、无须设置专门的基础,对场地适应性强,具有重复利用率高、使用空间大等优势,在军事领域已得到了广泛应用。折叠式轻型板式野营房也逐步展开了试点使用。但就目前而言,我国仍缺乏可投入使用、具备实用性的民用折叠结构,也未能系统地提出折叠结构的计算理论体系,现行的结构设计规范《建筑结构可靠度统一设计标准》和主要参考的计算规范《钢结构设计标准》、《网壳结构技术规程》、《网架结构设计与施工规程》等文件中也没有根据折叠结构的特殊结构特点具体说明与反映。折叠结构的建筑工程应用在未来还有很大的发展空间。


●  折叠结构的概念及特点

▲  特点综述

折叠结构是由杆系、索系和板混合组成的结构体系,通常采用钢、铝合金、碳纤维等轻质高强结构材料,表面可采用柔性编织材料,属于轻型空间结构。其自重轻、自振频率较低,展开后结构表面一般呈现复杂或不规则的空间曲面(图3)。折叠结构有一系列特殊的优势及特点,认识其结构特点有助于对其结构计算和工程应用有一定的把控性。

   

图3  折叠结构形状举例

折叠结构具有可展开性,含两种稳定状态:完全折叠状态和完全展开状态。折叠状态时,结构体积较小;在外界驱动力作用下,结构可逐步展开,最终完全展开并锁定为稳定状态。在展开或收起过程中,其为可变体系,实质上为机构;而在完全展开状态时,则是几何不变的结构体系,可承受荷载。如前文所述,折叠结构的这一特点使之在实际应用中具有机动性强、建造周期短、结构效益高等优势。可展开性是折叠结构区别于传统结构的最本质特征,影响了其结构形状与受力性能,也使得折叠结构有折叠、展开的次数要求,使用年限一般为3~5年。

可展开性对结构形状的影响导致折叠结构的内力分布、失稳路径、气流压力分布等均有一定复杂性。就结构的几何组成特征而言,折叠结构为达到无应力、自支撑的成型稳定状态,通常为超静定结构,对缺陷非常敏感。但实际工程中的生产、安装往往会带来各类初始缺陷,包括曲面形状的安装偏差、杆件的初弯曲、杆件对节点的初偏心、各种原因引起的初应力等。因此实际结构的极限承载力远远无法达到理想情况分析的结果,这给折叠结构的工程应用造成了一定程度的困难,也是设计中需着重考虑的问题。

除可展开及缺陷敏感性以外,对于折叠结构的荷载计算而言,由于折叠结构多采用轻质材料、自重较轻且屋面可能采用柔性织膜材料,风荷载、雪荷载是设计中的主要考虑荷载,其计算取值直接影响结构的安全性和经济性。抗震设计方面,地震荷载在折叠结构中引起的附加内力作用可以忽略不计,其抗震性能较好,可不进行抗震验算。


▲  折叠结构体系分类

折叠结构按构件组成可分为杆系折叠结构、索杆系折叠结构和板式折叠结构。杆系折叠结构由刚性杆组合而成,需采用既可受拉、又可受压的材料,荷载作用在节点上。索杆系折叠结构由刚性杆和柔性索组成,其中索部分或全部承受结构所受拉力,结构展开时可拉紧索或增加压杆长度来拉张拉索。此类结构自重轻,展开成型后刚度大,可用于跨度较大的结构,其受力较杆系更为复杂,在工程设计中需综合考虑结构体系的布置、几何外形、预应力、结构刚度、索的自重等一系列问题。而板式折叠结构目前在建筑领域使用较少,但其中杆-板的组合开拓了杆系或索杆系折叠结构与金属薄板、木板、塑料板和玻璃板等平面构件的组合使用,集承重、围护和装饰于一体,有一定的发展前景。

折叠结构按结构展开过程的驱动方式则可分为液压(气压)传动方式、电机驱动方式、自伸展驱动方式、节点预压弹簧驱动方式等。


▲  结构基本单元

折叠结构的基本构成单元有剪铰单元及伸缩式单元两类,其中剪铰单元应用更为普遍(图4),是对折叠结构可展开的具体实现形式的反映。剪铰单元可分为直杆和折杆两种,其中多折杆在折点销接可构成穹顶结构,而直杆剪铰在现代建筑工程中使用更多,即两根直杆在相交处联结成剪刀状并可绕枢轴自由转动。剪铰单元可通过端部铰点相互连接,构成折叠结构的基本片单元,进而通过铰接组成折叠结构。数个剪铰首尾线性相连即可构成一维折叠结构,如线性网架;若干剪铰纵横相连可构成二维折叠结构,如折叠式平面网架(图5)。剪铰单元组合方式多元,还可用于三维曲面结构的成形。 折杆单元及其构成的穹顶结构如图6所示。

   

图4  剪铰单元示意图

   

图5  剪铰单元可构成的折叠结构形态

   

图6  折杆单元及其构成的穹顶结构

折叠结构的可展开设计是满足其结构根本特性的重要内容,由于展开过程中某些阶段的杆件几何尺寸较难协调,结构很可能无法展开或展开不便,因此这也是折叠结构设计与工程应用的难点之一。


▲  成型稳定方式

折叠结构在完全展开状态才是真正意义上的结构,因此成型稳定方式极大地影响了折叠结构的承载力和使用性能,是其得以成为结构的重要保证。如前文所述,折叠结构的成型稳定方式随其在建筑工程领域的应用发展不断得到改善,目前与建筑学相关的已有外加锁式及几何自锁式。

外加锁式是折叠结构在应用于建筑领域之初就被设计出的成型稳定方式,在实际工程中也曾得到广泛使用。外加锁式主要依靠附加约束来使结构稳定。在结构展开过程中,杆件内无应力,整体上为机构体系;在展开到预定跨度时可在结构端部附加杆件或其他约束而形成结构。该种结构的杆件刚度较大,可满足较大跨度的要求(图7、图8)。

   

图7  外加锁式示意图

   

图8  外加锁式的另一种附加约束形式

几何自锁式是在折叠结构不断发展中针对外加锁式的不足而提出的成型稳定方式,在当今工程界得到普遍重视,其自锁原理由结构的几何条件及材料力学特性决定。在几何自锁式折叠结构中,剪式单元以一定的方式组合为锁铰,其中每个杆件只有在完全展开状态和完全折叠状态才与结构的几何状态相适应,从而使杆件应力达到零。展开过程中,杆件弯曲变形、储存外荷能量,最后反方向释放,以致该种结构展开方便、迅速,展开后也不需要外加约束,可达到自稳定状态。但其杆件抗弯刚度较小,承受外荷载能力有限,较适合小跨度情况(图9)。

     

图9  几何自锁式的结构单元展开过程


▲  节点设计

节点设计在折叠结构中占有很重要的位置,如弹簧驱动式折叠结构就是通过节点的展开折叠而实现其自身的可展开性的。折叠结构中的节点构造有一定特殊要求:节点必须保证杆件在展开过程中运动自如,杆件与节点连接处无较大摩擦或弯曲变形;在结构折叠状态时能保证杆件成紧密捆状,以便储存;具有足够强度来承受杆件的轴向拉、压及局部的抗弯、剪、扭及摩擦等各种作用。在实际结构中,杆件的截面尺寸使得剪铰单元中存在摩擦,节点存在偏心作用,而且在结构铰接点处也不可能汇聚为一点,因此还需具体考虑。

目前折叠结构已应用的节点包含:毂节点、螺栓球节点、螺栓圆柱节点、米字及十字焊接钢板节点、井字形焊接钢板节点等。其中,较普遍的是毂节点(图10),其为非偏心节点,构造相对简单,受力性能较好,经济性强。在折叠状态时,毂节点能使结构上下端较平。此外,毂节点内部留有锁槽或者有金属环线,便于与杆件连接,经过合理设计可消除杆件与节点的扭转应力。此类节点所需数量多,在折叠结构自重中占比较大,可采用轻质高强金属或高分子材料制作。

   

图10  毂节点示意图

综上所述,基于对折叠结构在建筑工程领域应用的概念及特点分析,可展开是折叠结构最根本、最显著的特征,不仅是折叠结构形式多样、机动性强、便于运输和储藏等应用优势的源泉,也是折叠结构设计与计算的核心。可展开对折叠结构的结构组成、基本单元、成型稳定方式及节点设计等均有一定程度的决定性作用,也影响了其受力性能。具体可表现为:结构的可展开决定了其基本单元必然具备活动、变化的可能,也决定了节点必然是一种活动节点。节点的可活动性和展开的便捷性对构件的尺度、连接方式和自重均形成了一定限制,意味着其组成构件必将明显区别于框架结构中有一定宽度、厚度的梁、柱,而应与空间网壳结构构件的性质更为接近,显现为细长的高强度杆件或薄板。为强化可展开蕴含的运输优势,减少自重负担,增加可活动节点的使用年限,在材料选用上以轻质为主,这也进一步影响了折叠结构的受力性能。由于结构严格意义上应为几何不变、可承受荷载的体系,因此折叠结构展开后必须能够具有成型的稳定、平衡状态,且应保证该种状态下的极限承载力可以满足实际应用的要求,从而使得各类成型稳定方式应运而生,在不断优化、发展过程中也影响了结构的缺陷敏感性和刚度表现。而可展开要求下结构构件的轻质与细长也造成了一定的稳定性问题,雪荷载成为了该结构的控制荷载,即是对这一问题的现实反映。

由此可见,折叠结构的展开设计及平衡状态的承载能力是其应用中需重点分析的内容,前者是可展开特性得以实现和不断完善的重要保证,后者是折叠结构可被称为结构进而应用于建筑工程的基础,两者均与可展开的结构特性有一定联系。只有两者结合才能将折叠结构的应用价值及结构效益最大化。在对折叠结构的概念及特点有一定认识后,下文将选取典型的工程实例并结合建筑学专业设计进一步展开对其的应用分析。


●  折叠结构的工程实例

尽管目前折叠结构具有前文所述的诸如可展开方案、缺陷敏感、刚度、稳定性等一系列应用难点,且其设计计算和相应理论仍处于研究与发展阶段,但建筑结构有着其现实意义,往往有在实践中获得发展的需求,因此折叠结构的应用不容忽视。折叠结构本身就具备突出的应用潜能,也已在一部分国内外建筑工程实例中得到了较好的运用。


▲  折叠式网壳结构——塞维利亚游泳池折叠屋盖

折叠式网壳结构是在折叠结构的基础上将大跨度空间结构的概念引入形成的一种折叠式轻型金属结构体系,兼备折叠结构和网壳结构的特点及优势,也是折叠结构目前在工程应用中的主要结构形式。该结构的应用实例具体可表现为塞维利亚游泳池折叠屋盖和我国研发的折叠式网壳帐篷结构。

西班牙塞维利亚游泳馆由西班牙学者F. Escrig与P. Valcarcel主持建造,是将剪铰单元研究应用于工程及单体建筑的成功案例。该建筑的屋盖为折叠结构,长60m,宽30m,由两个相同的正方形折叠球壳连接而成,其中杆件与拉索共同作用,采用了外加锁式的成型平衡方式。屋盖表面采用柔性材料,工程中将双层织物屋面通过网格单元的下节点固定在结构上,使得屋面可以随着结构折叠和展开。全部展开时,织物受拉,结构稳定;闭合时,双层织物相互连接,有序折合。这一设计保证了承载与遮盖、结构与形式的一致性(图11)。

   

图11  塞维利亚游泳馆折叠结构屋盖

在该结构设计中,还特别考虑了折叠屋盖的稳定性,并从整体结构的稳定性出发处理。游泳馆可折叠屋盖的六个角点均与地面铰接并在其周边以及每个正方形网格的一个对角边下弦节点处合理布置拉索,提升了结构刚度和可达跨度。该屋盖结构从工厂加工成型后运至建筑工地,于建造现场展开,最终投入实际使用之中(图12)。

   

图12  折叠屋盖运输及施工展开过程


▲  折叠式网壳帐篷结构

该结构由我国某工程研究所研制、开发,帐篷主体采用双层柱面网壳,以铝合金圆管杆件和钢丝绳拉索组成结构,采用毂节点连接各构件,网壳内外层覆盖防水、隔热、保温性能好的篷布。该结构将门架部分也纳入折叠结构体系中,但可独立折叠、展开,在结构上获得整体性及一致性,也便于日常使用(图13)。

   

图13  我国折叠式网壳帐篷结构,右侧为门架折叠状态

该结构的基本单元由剪铰发展而来,经由设计形成剪刀撑式,即两根杆件中央交叉处铆接相连,四副剪刀撑受力构件通过毂节点连接,且沿对角线增加交叉的软索约束,使之形成稳定的承载单元。而以锁杆代替毂盘节点之间的链杆后,通过锁紧或打开基本单元锁杆就可实现网架的展开和收拢,加之对交叉杆中央铆钉位置的调节,最终形成了拱形索杆式折叠结构体系。该结构在架设场地充分展开后,从正中跨逐节向两边锁紧锁件,使结构逐级升高形成拱形,沿拱形环向的杆件须错动,确保锁紧的杆件下端两点接触地面,使已成型的拱架受力均匀(图14、图15)。

   

图14  折叠式网壳帐篷结构基本单元示意图

   

图15  折叠式网壳帐篷结构骨架示意图

在刚度处理上,该结构在沿拱形环向杆件两侧都设有钢丝绳,充分发挥软索抗拉能力强的特点,使杆件受力更加合理,避免了构件中心钻孔造成的应力集中,有效地提高了结构的整体刚度。而结构内侧软索采用下端固定、上端挂接的方法,也使结构可方便地展开和折叠。

折叠式网壳帐篷结构展开、折叠方便迅速,重复利用率高,可利用空间大,适应性强,具有广泛的用途。在民用领域,该结构有助于快速构筑临时性建筑,在突发性事件发生时用于救助及指挥或用作多功能经济性仓库;在军事领域,也可用作野营住房。折叠结构的这一应用充分体现了临时性与机动性,表现了其在工程应用上的潜力,在本质上它并非一种建筑,现主要用于军用,但对应用于民用建筑也有无穷潜力。


▲  卡拉特拉瓦的空间可折叠结构

前文所述折叠结构在折叠式网壳结构中的应用虽与建筑有一定关联,但本身仍主要侧重于对结构本身的表达。而西班牙大师卡拉特拉瓦具有建筑师和结构工程师双重身份,既接受了本科的建筑学教育,也从事过结构研究,因此善用结构作为营造建筑空间的手段,其建筑作品也是建筑学领域中形式与结构统一的突出案例。卡拉特拉瓦尤其重视复杂结构的运动表现和复杂曲面的表达,因而他对空间可折叠结构有一定的研究和运用。


(1)空间结构的可折叠性(Zur Faltbarkeit von Fachwerken)

卡拉特拉瓦1981年完成的博士论文主题为空间结构的可折叠性,其研究对象是一系列由杆和节点连接而成的杆系结构,可在稳定和不稳定的状态中转换。论文主要涉及对于基本单元组成的平面结构、空间球形结构几何特征、力学特征、节点等问题的探讨。卡拉特拉瓦认为,折叠结构必须是静不定的,通过刻意释放杆件使非静不定结构变成静不定结构以发生相对运动,再通过锁定杆件保持稳定,这与前文所述折叠结构的特点相一致。但卡拉特拉瓦特别强调了折叠、展开的动态过程,将结构的可展开理解为静力学和机械装置理论结合的产物。

卡拉特拉瓦基于构件标准化的结构要求,提出了不同于剪铰而以简单菱形为基础的基本单元(图16)。该单元结合了三角形的稳定性和菱形的灵活性,其中C节点 (图17) 为可沿AC滑动的支座。释放C节点可变形折叠;锁住C节点则可达到具备结构承载力的平衡、稳定状态。菱形基本单元在交叉点处相互连接,可构成不同的规则网格,可应用于两铰拱、三铰桁架等多种方向。

   

图16  卡拉特拉瓦菱形基本单元分析

   

图17  C节点设计示意图

以此类推,卡拉特拉瓦逐步研究了六边形、三角形乃至正多变形组成的空间可折叠结构,奠定了以杆件体系表达复杂曲面的设计基础,该研究成为他将建筑的运动意向追求变为现实的理论根基。


(2)卡拉特拉瓦在建筑中对折叠结构的应用

1979年卡拉特拉瓦为IBA大厅提供了一个四柱斜拉式的可折叠屋顶方案(Roof for IBA Squash Complex,图18、图19)。在完全展开状态,屋面荷载经由屋顶传递至壁球馆墙体上;结构于E点处设驱动滑轮,A点为连续栓接,结构需折叠时,收缩AD长度即可使斜拉结构整体绕D转动,三角形ABC面积逐渐变小,直至A点运动到A’点,B点运动到B’点,达到折叠后的稳定状态。该折叠结构的设计是卡拉特拉瓦对菱形基本单元的变化应用。随屋顶折展,大厅中的光影将发生变化,给人以充满运动与韵律的心理感受,丰富内部空间体验。

   

图18  可折叠屋顶方案草图

   

图19  屋顶折叠结构状态变化分析

在建于1991年的瓦伦西亚艺术科学城天文馆中,折叠结构也得到了较为充分的应用。天文馆表面由一组混凝土拱、钢和玻璃构成的长110m、宽55.5m的半透明结构覆盖,结构以下为球形天文馆核心部分。该覆盖结构的局部可折叠部分由上臂、下臂、驱动管和玻璃面组成,展开过程的驱动方式为液压传动,具体表现为驱动管受五根伸缩式液压臂协同工作驱动。由于驱动管为弧线,下臂与驱动管的节点设计为球形铰,保证了上部直线形的玻璃和钢管运动方向上的自由。折叠稳定状态下,驱动管与上方的固定拱合并在一起,每条玻璃板的方向并不平行而指向同一圆心。卡拉特拉瓦以折叠结构的运用表达了眼睛张闭的形式意向,也使得建筑外立面的开合成为可能,既能确保建筑在一定气候条件下可形成封闭室内空间,又能在合适的场合进一步增强建筑空间中人与水面的互动,营造休闲舒适的空间氛围(图20~22)。

   

图20  局部折叠结构组件示意图

   

图21  天文馆局部折叠结构折叠稳定状态及完全展开状态

   

图22  局部折叠结构下天文馆内部空间效果

经过对卡拉特拉瓦折叠结构的研究和在建筑实际应用中的分析可见,卡拉特拉瓦对折叠结构的具体形式和基本单元进行了一定理论和技术上的创新,但与普遍意义上的折叠结构应用不同,折叠结构在其建筑中往往仅仅是承受荷载较为有限的结构组成部分,而非形成整个建筑空间的主体结构。应用折叠结构的构件固定于主体结构上,不具备异地再使用的条件,其折叠状态也并非基于易于存储和运输的考虑,因此更多地呈现出开合状态间的变化。尽管在结构应用上可能不完全符合折叠结构的特点,但卡拉特拉瓦的应用在结构与形式、空间之间搭建起了桥梁,使得折叠结构从单纯的结构领域走出。折叠结构不再仅仅是构建的实用工具,而更加符合建筑学对空间体验的追求,为新型结构如何在应用中与建筑设计相结合提供了一种方案和思路。


(3)新的尝试

笔者曾在自身专业设计中尝试使用折叠结构,并在木结构建造节点中进行了相应的建造实践。在方案设计阶段,小组成员经过试验,发现用螺钉节点将木条以一定形式相连,可使木条组成的单元具备可展开性,在导师的建议下,方案在推进中强化设计,但因难以解决折叠结构的承载力和展开方案问题而最终只形成了木结构廊亭中可折叠的门与吊椅元素。因材料及时间有限,未能设计出明确的成型稳定方式,最终折叠门的展开状态用绳索固定,吊椅处于折叠状态时可架于上部水平构件上,大体保证了其可展开和稳定状态。

经过此次亲身实践,对折叠结构的应用和设计难点有了更深刻的认识与体会。尽管对折叠结构的应用十分的有限,但可折叠的门、椅仍激活了整个空间,吸引了小朋友们的注意(图23、图24),丰富了人们在廊亭中的体验。目前有关折叠结构的研究仍在不断发展,其在建筑工程领域的应用也必将随之逐渐展开与完善,折叠结构及其应用有值得期待的广阔前景。

   

图23  木构建造节方案设计图纸,立面图上可见可折叠的门与椅

   

图24  木构建造节成果照片,右图为可折叠的吊椅


●  结  语

折叠结构是20世纪60年代诞生的一种新型空间结构,具有可展开与折叠的结构形式,有完全折叠和完全展开的两种稳定状态。可展开是折叠结构最根本的特征,是其形式多样、机动性强、便于运输和储藏等应用优势的源泉,也是折叠结构设计与计算的核心。可展开对折叠结构中的结构组成、基本单元、成型稳定方式及节点设计等均有一定程度的决定性作用,也较大地影响了其受力性能,使可展开方案设计、缺陷敏感处理、荷载计算、刚度及稳定性问题等成为折叠结构的应用难点。基于折叠结构的特点及工程应用潜力,本文列举了折叠结构的典型工程实例,分析其展开设计及承载能力,并从建筑学视角体会结构与建筑形式、空间的相互成就,结合建筑学专业实践体验进一步认识该结构及其应用。对于折叠结构的特性及作为结构的现实意义而言,折叠结构的展开方案设计与完全展开状态的承载力计算在建筑领域的实际应用中缺一不可。而尽管折叠结构目前的设计、计算理论体系及建筑应用还处于发展阶段,在我国也基本没有用于民用建筑的实例,但该结构可展开性的显著特征及相应的独特优势也必将随着不断发展优化而与建筑形式美学、空间效果进一步融合,折叠结构及其应用有值得期待的良好前景。

值得一提的是,从建筑学视角来看,在建筑方案的设计中往往先考虑形式、功能与空间等,待概念方案发展到一定阶段才会考虑结构选型,也往往配用常规、可满足空间效果要求的结构。但经过对建筑结构的不断认识,其实结构工程师与建筑师看待问题的视角是存在着差异的,也从折叠结构的特点及应用发展中得到启示:结构是可以生长而出的。结构远不仅仅是建筑赖以存在于大地上的实用性工具,其与空间的共同作用可以创造出令人意想不到的建筑作品——结构本身可以成为建筑空间体验的一部分,甚至可以成为建筑空间的最重要的亮点。这或许也是认识结构、学习结构基本知识对于建筑师的重要意义所在。

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