结构大师系列--富勒

Ryan0

                                                                                                    We are all astronauts.Do not fight forces,use them.Do the most with the least.Think global, act local.Architecture, out of laboratory.

Richard Buckminster Fuller 富勒(1895-1983)，美国富有远见的发明家，同时也是一位没有执照的建筑师。他留传在世的建筑作品很少，但关于建筑、人类、地球、宇宙的思想超越时代、影响深远。他发明或着发展的Dymaxion思想、短线程穹顶、张拉整体概念、索穹顶至今仍是结构工程研究的前沿。


Richard Buckminster Fuller富勒 (1895-1983)


富勒和他的发明

Dymaxion思想
富勒崇尚科学技术，他对自己的描述是：“一个彻底的，未来思想、科学设计的探险者。” 21岁时，富勒加入美国海军、海军士兵学校学习。对海洋、舰艇、技术的热爱促成了他最主要的思想Dymaxion，“用少的材料创造最多”的终极理想(像在海洋中的舰艇一样质轻、高效)。Dymaxion是由Dynamic，Maximum，ion派生而来，意思是最大限度地利用能源，以最少的材料提供最大的创造力。
富勒读了勒·柯布西耶的《迈向新建筑》（Vers une architecture, 1923）后深受启发，将Dymaxion思想与建筑设计融合，画出了一系列稚嫩的草图。这种建筑集灯塔、电力塔、飞艇塔和高桅帆船桅楼的特点于一身。


富勒设计的塔(1928年)   Copyright: Kyle Vanhemert为富勒绘制的插画
1929年，富勒设计了相对成熟的Dymaxion房屋模型。六边形的楼板，通过张拉索悬挂在中央动力支承柱上。包围房屋主体是张力更大的张拉索网格，网格表面覆盖绝缘的双层透明材料。浴室、厨房、通讯设备所需能量都将通过标准插口由中央动力柱接入。[拉力与压力分离也是张拉整体结构思想的萌芽]

Dymaxion房屋模型，1929年

Dymaxion汽车，1934年Copyright: Corbis
在1927年左右，富勒发明了以矢量平衡体为基础的综合能量几何学(Energetic Synergetic Geometry)。他研究正八面体和正二十面体几何，开发了一种对球面三角测量和投影制图的新策略，也被人称为Dymaxion地图，方法是把球面地势转换成一系列平面三角形和正方形的几何。



富勒与Dymaxion地图(1945年)  Copyright: Kyle Vanhemert为富勒绘制的插画
“通过有效地控制了投影绘制时产生的扭曲，使地图上陆地的大小能够与现实保持较为准确的比例。因为这些几何元素可以重新排列，我们也就能用无数种不同方式“剥开”地球。” [Dymaxion地图是短程线穹顶的萌芽]

富勒理论中最清楚易懂、受人欢迎的部分是在1969年出版的《地球号太空船操作手册》（Operating Manual for Spaceship Earth）。书中富勒将地球比喻是一艘太空船行驶在宇宙中、资源有限，人类是地球太空船的宇航员，必须停止过度使用资源，正确运行地球才能幸免于难。无论当时还是现在，都有人说富勒是环境与可持续发展理论方面的先驱者。富勒毕生都在讨论人类的未来、地球环境与宇宙的秩序。他想“改变建筑(architecture)的名称，改称为环境设计(environmentaldesigning)，就是想以这种思想来定义环境与宇宙。”

  短线程穹顶
富勒并不是传统意义上的建筑师，他将Dymaxion地图想法和能量几何学结合，发明了短程线穹顶。短程线(Geodesic Line)是连接曲面上两点、线长度最短的线条。“可以将二十面体描绘成由31个大圆交错排列形成的球面三角形网络，而二十面体可以分解为八面体并进而分解为四面体。富勒由此找到了三角形与球体之间的联系，并意识到可以用这一方法做成一个半球形结构或圆屋顶，球体上的三角形表面是四面体露在外的一面，这些四面体均指向球心并且牢固不可分离。”



正二十面和正十二面球体的设计专利 Copyright: cinventors.about.com上图左下方的分别是正二十面（三角形）和正十二面（五边形）构成球体的基本单元。他认为“自然界存在着能以最少结构提供最大强度的向量系统，如有机物或金属中由四面体晶格，基本单元四角锥体与八面体聚合后便成为最经济的覆盖空间的结构”。
1949年,富勒将这一完美的几何体应用于建筑设计领域，制作了直径4米的短程线穹顶，并成功进行了载荷试验。新的穹顶结构形式十分轻便、牢固。之后在希尔顿饭店音乐厅(1959年，直径44m铝制凯泽kaiser穹顶)、圣路易斯的生物化学馆(1960年)、北极圈雷达站穹顶相继成功应用。


北极圈的雷达站穹顶

北极圈雷达站的建造过程1967年蒙特利尔国际博览会上，富勒和Shoji Sadao设计了一座直径为76m的3/4球形建筑---美国馆，外表面覆盖着透明的亚克力板。这座展馆成为美国先进科技的象征，引得世人瞩目。

富勒和蒙特利尔世博会美国馆(1967年)


球顶内部




1976年，球顶在改造过程中遭受火灾，外装饰被烧毁，外露的结构清晰。
Copyright: wikipedia.org



富勒设计建造了3座Fly's EyeDome(1965)
Copyright:waaaat.welovead.com 有趣的是，1985年H.W. Kroto和R.E.Smalley发现了继金刚石和石墨之后碳元素的第三种晶体形态--碳原子簇结构分子C60，并猜想它具有类似球形的结构，便命名为“富勒烯”（Fullerenes）。后来证明，C60的分子结构的确为球形32面体，碳原子以20个六元环和12个五元环连接而成，具有极强的分子稳定性。

富勒烯Copyright:wikipedia.org
【注】实际上，富勒并不是第一个建造网格球顶的人——早在1923年，德国工程师Walther Bauersfeld就为蔡司公司在德国修建了一座同样结构的天文馆。
张拉整体结构 “Small islands of compression in a sea of tension” (压杆的孤岛存在于拉杆的海洋之中)。富勒比喻宇宙中的天体就像是漂浮在张力的海洋之中、受压的孤岛，万有引力是一个平衡的张力网，而各个星球是这个网中相互独立的受压体，大自然符合“间断压连续拉”的规律。富勒创造了一个新词“tensegrity”(张拉整体)来描述这种平衡，由“tensional”和“integrity”两个词的缩写组合而成。张拉整体结构是一种稳定的自平衡结构体系。
张拉整体结构的最早的记录可追溯到1921年，当时雕刻家K.约翰逊在莫斯科的建筑模型展览会上展出了一个平衡结构，它由三根杆和七根索组成，并由第八根非应力索控制。三杆八索的模型并不具有刚度，任一根索的收缩都会使模型产生机构性位移。这个模型与后来经典的三杆九索自平衡体已经非常接近。

K.约翰逊 三杆八索模型张拉整体


三杆九索的张拉整体结构
二十世纪50年代，K.斯内尔逊的极具艺术性的雕塑给了人们灵感。之后富勒、P.G.Emmerich、瓦尔耐O.Vilnay、莫特罗R.Motro、汉纳A.Hanaor等基于数学和图形理论研究，创造了多种张拉整体结构体系。



K.斯内尔逊设计建造的针塔needle tower，30米高




富勒  基于短程线穹顶构造的20面体张拉结构（Icosahedron）

遗憾的是，这些张拉整体结构或用于雕塑作品，或仅停留在模型层面，没有在建筑空间上应用的案例。
索穹顶
1960年富勒构想出超大尺度的保护罩覆盖整体曼哈顿城区，是一种技术乌托邦式的假想，可能是未来建筑结构的极限。

富勒的曼哈顿大穹顶概念(1960年)
1964年，富勒在张拉整体结构、短线程穹顶思想的基础上发明了Aspension Dome。Aspension是根据ascending suspension structure(向上升的悬吊式穹顶)创造出的新词。Aspension Dome是一种全新的结构形式，利用环向和径向拉索将立柱层层向上抬起排列，形成穹顶形态。由此开启了大跨空间结构的新篇章。


富勒设计的悬吊穹顶Aspension Dome，1964年
可惜富勒没能亲眼见到这个伟大发明成为现实建筑的那一天。在他去世以后的1986年，盖格尔（D.H.Geiger）在富勒创造的张拉整体穹顶的基础上，发明了支承于周边受压环梁上的一种索杆预应力张拉整体穹顶体系，即索穹顶。索穹顶是Aspension Dome张拉整体结构的进化,但它还没有严格实现结构自支承、自应力的原则。盖格尔将索穹顶结构体系成功应用于汉城奥运会的体操馆（D=119.8m）、击剑馆(D=89.9m)、美国的红鸟体育馆(椭圆91.4m×76.8m)和太阳海岸穹顶(D=210m)。
1992年M.莱维(Levy)设计了一种稳定性更好的三角形网格穹顶，作为亚特兰大奥运会的主体育馆---乔治亚穹顶(Georgia Dome)平面呈椭圆形(193m×240m)，双曲抛物面型张拉整体索穹顶的用钢量仅30kg/㎡。




M.莱维(Levy)设计的乔治亚穹顶(1992年)


富勒的著作有：《Nine·Chains·to·the·Moon》、《思想与整合》（Ideas·and·Integrities）、《地球号太空船操作手册》、《乌托邦或湮灭》、《直觉》、《巨人之现金抢劫》，以及与E·J·爱普尔怀特合著的《协同：几何思维探索》等。
富勒不是一位传统意见的建筑师，他甚至没有执照；也不是一位传统意见的结构工程师，他的设计大多从几何、图解的角度出发。但他的思想、发明、设计，对现代、未来建筑结构的发展影响极其深远。


2004年发行的富勒纪念邮票，画面上有很多他的发明和构想
  本文由iStructuer根据富勒生平资料编辑整理。参考资料：
1.  全球前景：理查德·巴克明斯特·富勒留下来的财富.2.  Dymaxion_富勒生态设计思想的启示, 倪丽君,吕爱民.3.  www.wikipedia.org4. 《Buckminster Fuller: Poet of Geometry》，KyleVanhemert.5.  本文图片均来源于网络，版权属于原作者或网站。
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