可展结构的基本展开方式及其应用＊

赵占伟 侯艳芳

（陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000）

可展结构的种类非常多，将可展开与可折叠的思想转变为产品的实践活动极大地方便了人们的生活，推动了社会的进步。工程技术领域在结合了可展元素后展现出了更多的可能性，相关课题也逐渐成为当今工程技术界的研究热点。然而，将可展开与可折叠的思想引入建筑领域的时间还非常短。但随着可展结构在航空航天等领域的飞速发展，也带动了可展建筑结构形式的不断创新。

1 可展结构的概念

受限于工业化水平，可展建筑结构出现的比较晚，关于其定义也各有不同，本文采用希腊学者Gantes C J的观点。可展结构是一类可以由紧密的折叠（堆叠）状态展开成为预定构形的工作状态，以稳定地承担荷载的结构体系的总称[1]。

由于可展结构体系具备可适应不同空间需求、模块化设计、工业化生产、重复使用、轻质以及便于运载等特性，使得它们受到了越来越多的关注。得益于材料、数字信息、传感系统和电子控制系统等科学技术领域取得的巨大进展，可展结构的形式也得到了不断地创新和发展，显示出了蓬勃的活力和广阔的应用前景。

2 可展结构的展开方式及应用

一直以来，人类在展开与折叠方式运用上的创新从未停止。尽管各领域的可展开与可折叠的产品众多，但实现展开与折叠的最基本方式可归纳为内部构件间的相对滑移、相对旋转和构件本身的变形三种方式。

2.1 利用构件间的相对滑移完成展开

采用相对滑移的方式来实现可展的结构体系有很多，最典型的是套筒伸缩式结构，如移动家庭系统[2]。另外，机械工程领域的吊车臂、光学工程领域的天文望远镜及相机的光学变焦镜头等都普遍采用了这类可展结构形式。

这种展开方式在主流建筑工程领域也有相关应用，不过与其他工程领域的不同点主要在于结构的横截面形式以及采用的驱动方式有所不同。加拿大多伦多的Sky Dome 屋盖和英国萨福克的Sliding house（图1），是目前已经建成的采用滑移形式的建筑结构案例。

图1 单独采用相对滑移的方式实现可展的建筑结构

2.2 利用构件间的相对旋转完成展开

采用相对旋转的方式来实现可展的结构体系，最典型的是采用“合页”式连接的结构，如一种卫星天线的可展桁架[3]。建筑工程领域中也有很多成功采用相对旋转的方式来实现可展的应用案例，例如日本福冈体育馆的球面形旋转屋盖。

2.3 利用构件本身的变形完成展开

目前，利用构件的弹性变形实现展开的结构种类很多。利用变形原理的可展结构有双稳态管材、盘绕式伸展臂、充气膜结构以及折纸类结构等。

（1）双稳态管材。主要有STEM 和CTM，它们依靠自身变形的方式完成展开，但存在展开精度低与展开后的稳定性差等缺点。

（2）盘绕式伸展臂。通过释放盘绕起来的全长纵梁实现展开，但该结构不适用于对展开精度和展开后的稳定性要求高的任务。

（3）充气膜结构。可利用膜的张拉与气压的平衡形成天线的反射面、伸展臂等，具备更高的轻量化及收纳比，但也有在恶劣环境中使用时间不长的缺点。充气膜结构在建筑工程领域的应用也很广泛[4]。因地面环境中可不断补充气体维持外形，故使用时长上不再是主要问题。另外，利用膜的材质轻的特点，气承式膜结构也应运而生，如日本的东京穹顶。但这种结构必须通过鼓风装置不间断地充气以维持室内外的气压差。

（4）折纸结构。灵感来源于东方文化特色的折纸艺术（图2），也因此而得名。当然，折纸结构的材料并不局限于纸张，高分子材料、金属材料等都可以用在折纸结构中，区别在于采用的“折痕”形式不同。折纸结构最有价值之处在于“折纸技术”。目前，折纸结构在医学、机械、航天、建筑[5]等领域都有极大的应用潜能。

图2 折纸技术及其应用

2.4 利用组合方式完成展开

（1）相对滑移与旋转的组合方式。采用滑动加旋转的组合方式实现展开的结构体系，例如利用伸缩杆实现可开合的体育场看台盖[6]，可折叠和展开的滚桥以及可变几何的桁架体系。

（2）转动与变形的组合方式。现代的薄膜可作为刚性电池板的载体起到柔性连接的作用。利用精心设计的“折痕”可实现全部电池板的展开和折叠。同样，折纸技术也可用于太阳帆薄膜的折叠。然而，这种折纸结构本身一般不具备主动展开的能力，需配合可展桁架、充气膜等具备一定可展刚度的结构一同使用。因此，以这种被动展开式的折纸结构作为组成构件的结构一般都包含多种展开运动形式。比如，可展的卫星太阳能电池板系统就需要转动与变形组合的展开方式。

用到转动与变形的基本组合方式实现展开的结构体系还有一类名为“张拉整体结构”的体系。依据提出该类体系时的最初设想，理想的张拉整体结构体系在展开后利用钢索的张力达到合适的刚度，体系中的杆件只受压。从最终效果上看，使结构骨架展开的主要原因在于内部杆件的转动，而连续的钢索可以看作为联系孤立杆件的一种柔性连接。

（3）相对滑移与变形的组合方式。实际工程中存在很多只采用滑动加变形的组合方式实现展开的结构体系，例如索膜结构体系（德国法兰克福的商业银行竞技场）与热变形的滑动空间伸展架[7]。

另外，要使张拉整体结构体系展开后的杆件受压和钢索受拉，方式不止滑轮加主动索一种。比如，实现展开的运动方式还可以是杆件的转动加伸缩滑移[8]或者杆件的转动加双稳态形变的方式[9]等。

虽然张拉整体结构体系有突出的轻质化特性，但因结构性能受杆件端点微小位移的影响大，因而其抗弯能力稍差，因此纯粹意义上的张拉整体结构体系较难在建筑工程中应用。为了推进工程应用，学者们提出了多种泛张拉整体结构体系[10]。在这类结构体系中，杆件或梁之间可以相连，但索张力依然是形成结构刚度的关键。

（4）三种基本运动展开方式并存。在张拉整体结构体系家族中，除了利用构件变形和相对转动方式外，部分结构的杆件与拉索之间还采用了滑动的运动方式实现展开。孤立的杆件通过滑轮与钢索连接，利用主动钢索的张力实现展开，即实际上这些结构的展开方式是三种基本运动方式均存在。

3 变形展开具备发展潜力的几个方向

虽然利用构件变形实现展开的技术仍处于发展初期，但潜力巨大，有望为人类创造更加智能化、高效率和可持续发展的未来。因此，变形展开一直是研究的前沿领域。下文给出了变形展开具备发展潜力的几个方向：

（1）新型充气张拉膜结构体系。例如，近年来借鉴张拉整体结构的概念并结合充气膜结构，又发展出了一种很有前景的新型充气张拉膜结构体系[11]。这类结构将充气膜引入作为一种承力元素，主要起到在受拉索与受压杆件（或梁）之间传力的作用，可用作大型承重结构，具备较好的应用前景。但也存在充气膜结构的通病问题，即因膜无法做到完全避免气体的缓慢逸出，这类结构也需要全时监测气压并及时补充气体以维持必要的刚度。

（2）可变形智能材料。随着材料科学、电子科学以及控制理论的不断发展，对符合时代潮流的可变行智能材料的研究更是炙手可热。一般而言，触发智能材料展开的方式包括电、光、热和磁等，当然，最新的研究也给出了其他触发方式的可能性。例如，中科院基于含羞草叶片的折叠伸展原理仿生出的一种复合材料，可以通过触碰、吸水的方式来实现变形，潜在的应用方向包括自卷曲仿生血管壁、自打结手术缝合线等。

（3）折纸技术。折纸结构的灵活性和可变性使其成为设计和工程领域的一种有趣且具有潜力的工具。不论是利用该技术制作的血管支架、组织培养装置，车辆等的耗能装置，还是空间卫星、太阳帆，以及可展的建筑结构等，均可利用折纸技术巧妙实现。不仅如此，折纸结构还给了建筑的立面设计以灵感，目前在波兰已有落地项目，可以畅想，也许未来利用折纸原理的高新电子屏幕也会出现。

4 结语

尽管可展技术仍处于发展初期，但其应用前景非常广阔，具有巨大的经济和社会价值。推进和完善对可展结构体系的研究对我国来说是迫切和必然的选择，也符合时代的潮流。本文通过梳理可展结构体系的典型应用案例，得出以下结论：

（1）可展结构一般有三种基本展开方式，即内部构件间的相对滑移、相对旋转和构件本身的变形。

（2）基于三种基本展开方式的任意组合，可以设计出创新型可展结构体系。随着研究的深入，创新型可展结构体系仍将会不断出现。这些结构形式不仅可以满足各个领域的使用需求，而且还可以满足人们对产品美学方面的期待。

（3）利用到构件变形的方式来实现展开的结构体系，虽然展开机制相对复杂，但也具有巨大的发展潜力，相关研究课题将持续受到关注和投入。