可展結構的基本展開方式及其應用＊

趙占偉 侯艷芳

（陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000）

可展結構的種類非常多，將可展開與可折疊的思想轉變為產品的實踐活動極大地方便了人們的生活，推動了社會的進步。工程技術領域在結合了可展元素后展現出了更多的可能性，相關課題也逐漸成為當今工程技術界的研究熱點。然而，將可展開與可折疊的思想引入建筑領域的時間還非常短。但隨著可展結構在航空航天等領域的飛速發展，也帶動了可展建筑結構形式的不斷創新。

1 可展結構的概念

受限于工業化水平，可展建筑結構出現的比較晚，關于其定義也各有不同，本文采用希臘學者Gantes C J的觀點。可展結構是一類可以由緊密的折疊（堆疊）狀態展開成為預定構形的工作狀態，以穩定地承擔荷載的結構體系的總稱[1]。

由于可展結構體系具備可適應不同空間需求、模塊化設計、工業化生產、重復使用、輕質以及便于運載等特性，使得它們受到了越來越多的關注。得益于材料、數字信息、傳感系統和電子控制系統等科學技術領域取得的巨大進展，可展結構的形式也得到了不斷地創新和發展，顯示出了蓬勃的活力和廣闊的應用前景。

2 可展結構的展開方式及應用

一直以來，人類在展開與折疊方式運用上的創新從未停止。盡管各領域的可展開與可折疊的產品眾多，但實現展開與折疊的最基本方式可歸納為內部構件間的相對滑移、相對旋轉和構件本身的變形三種方式。

2.1 利用構件間的相對滑移完成展開

采用相對滑移的方式來實現可展的結構體系有很多，最典型的是套筒伸縮式結構，如移動家庭系統[2]。另外，機械工程領域的吊車臂、光學工程領域的天文望遠鏡及相機的光學變焦鏡頭等都普遍采用了這類可展結構形式。

這種展開方式在主流建筑工程領域也有相關應用，不過與其他工程領域的不同點主要在于結構的橫截面形式以及采用的驅動方式有所不同。加拿大多倫多的Sky Dome 屋蓋和英國薩福克的Sliding house（圖1），是目前已經建成的采用滑移形式的建筑結構案例。

圖1 單獨采用相對滑移的方式實現可展的建筑結構

2.2 利用構件間的相對旋轉完成展開

采用相對旋轉的方式來實現可展的結構體系，最典型的是采用“合頁”式連接的結構，如一種衛星天線的可展桁架[3]。建筑工程領域中也有很多成功采用相對旋轉的方式來實現可展的應用案例，例如日本福岡體育館的球面形旋轉屋蓋。

2.3 利用構件本身的變形完成展開

目前，利用構件的彈性變形實現展開的結構種類很多。利用變形原理的可展結構有雙穩態管材、盤繞式伸展臂、充氣膜結構以及折紙類結構等。

（1）雙穩態管材。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定性差等缺點。

（2）盤繞式伸展臂。通過釋放盤繞起來的全長縱梁實現展開，但該結構不適用于對展開精度和展開后的穩定性要求高的任務。

（3）充氣膜結構。可利用膜的張拉與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，但也有在惡劣環境中使用時間不長的缺點。充氣膜結構在建筑工程領域的應用也很廣泛[4]。因地面環境中可不斷補充氣體維持外形，故使用時長上不再是主要問題。另外，利用膜的材質輕的特點，氣承式膜結構也應運而生，如日本的東京穹頂。但這種結構必須通過鼓風裝置不間斷地充氣以維持室內外的氣壓差。

（4）折紙結構。靈感來源于東方文化特色的折紙藝術（圖2），也因此而得名。當然，折紙結構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構中，區別在于采用的“折痕”形式不同。折紙結構最有價值之處在于“折紙技術”。目前，折紙結構在醫學、機械、航天、建筑[5]等領域都有極大的應用潛能。

圖2 折紙技術及其應用

2.4 利用組合方式完成展開

（1）相對滑移與旋轉的組合方式。采用滑動加旋轉的組合方式實現展開的結構體系，例如利用伸縮桿實現可開合的體育場看臺蓋[6]，可折疊和展開的滾橋以及可變幾何的桁架體系。

（2）轉動與變形的組合方式。現代的薄膜可作為剛性電池板的載體起到柔性連接的作用。利用精心設計的“折痕”可實現全部電池板的展開和折疊。同樣，折紙技術也可用于太陽帆薄膜的折疊。然而，這種折紙結構本身一般不具備主動展開的能力，需配合可展桁架、充氣膜等具備一定可展剛度的結構一同使用。因此，以這種被動展開式的折紙結構作為組成構件的結構一般都包含多種展開運動形式。比如，可展的衛星太陽能電池板系統就需要轉動與變形組合的展開方式。

用到轉動與變形的基本組合方式實現展開的結構體系還有一類名為“張拉整體結構”的體系。依據提出該類體系時的最初設想，理想的張拉整體結構體系在展開后利用鋼索的張力達到合適的剛度，體系中的桿件只受壓。從最終效果上看，使結構骨架展開的主要原因在于內部桿件的轉動，而連續的鋼索可以看作為聯系孤立桿件的一種柔性連接。

（3）相對滑移與變形的組合方式。實際工程中存在很多只采用滑動加變形的組合方式實現展開的結構體系，例如索膜結構體系（德國法蘭克福的商業銀行競技場）與熱變形的滑動空間伸展架[7]。

另外，要使張拉整體結構體系展開后的桿件受壓和鋼索受拉，方式不止滑輪加主動索一種。比如，實現展開的運動方式還可以是桿件的轉動加伸縮滑移[8]或者桿件的轉動加雙穩態形變的方式[9]等。

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

（4）三種基本運動展開方式并存。在張拉整體結構體系家族中，除了利用構件變形和相對轉動方式外，部分結構的桿件與拉索之間還采用了滑動的運動方式實現展開。孤立的桿件通過滑輪與鋼索連接，利用主動鋼索的張力實現展開，即實際上這些結構的展開方式是三種基本運動方式均存在。

3 變形展開具備發展潛力的幾個方向

雖然利用構件變形實現展開的技術仍處于發展初期，但潛力巨大，有望為人類創造更加智能化、高效率和可持續發展的未來。因此，變形展開一直是研究的前沿領域。下文給出了變形展開具備發展潛力的幾個方向：

（1）新型充氣張拉膜結構體系。例如，近年來借鑒張拉整體結構的概念并結合充氣膜結構，又發展出了一種很有前景的新型充氣張拉膜結構體系[11]。這類結構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，可用作大型承重結構，具備較好的應用前景。但也存在充氣膜結構的通病問題，即因膜無法做到完全避免氣體的緩慢逸出，這類結構也需要全時監測氣壓并及時補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、電子科學以及控制理論的不斷發展，對符合時代潮流的可變行智能材料的研究更是炙手可熱。一般而言，觸發智能材料展開的方式包括電、光、熱和磁等，當然，最新的研究也給出了其他觸發方式的可能性。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合材料，可以通過觸碰、吸水的方式來實現變形，潛在的應用方向包括自卷曲仿生血管壁、自打結手術縫合線等。

（3）折紙技術。折紙結構的靈活性和可變性使其成為設計和工程領域的一種有趣且具有潛力的工具。不論是利用該技術制作的血管支架、組織培養裝置，車輛等的耗能裝置，還是空間衛星、太陽帆，以及可展的建筑結構等，均可利用折紙技術巧妙實現。不僅如此，折紙結構還給了建筑的立面設計以靈感，目前在波蘭已有落地項目，可以暢想，也許未來利用折紙原理的高新電子屏幕也會出現。

4 結語

盡管可展技術仍處于發展初期，但其應用前景非常廣闊，具有巨大的經濟和社會價值。推進和完善對可展結構體系的研究對我國來說是迫切和必然的選擇，也符合時代的潮流。本文通過梳理可展結構體系的典型應用案例，得出以下結論：

（1）可展結構一般有三種基本展開方式，即內部構件間的相對滑移、相對旋轉和構件本身的變形。

（2）基于三種基本展開方式的任意組合，可以設計出創新型可展結構體系。隨著研究的深入，創新型可展結構體系仍將會不斷出現。這些結構形式不僅可以滿足各個領域的使用需求，而且還可以滿足人們對產品美學方面的期待。

（3）利用到構件變形的方式來實現展開的結構體系，雖然展開機制相對復雜，但也具有巨大的發展潛力，相關研究課題將持續受到關注和投入。