摺疊結構

摺疊結構(Deployable Structures)是一種用時展開、不用時可摺疊收起的結構.從這個意義上說,有著悠久歷史廣為人們所熟悉的雨傘或陽傘就是一種摺疊結構,這表明摺疊結構的思想古已有之,但摺疊結構用於建築領域、並形成相應的設計計算理論是近幾十年來的事。

1961年西班牙建築師皮奈偌(P.Pinero)展出了他的傷口一個可摺疊移動的小劇院,人們從中發現了這種結構的諸多優點.摺疊結構一般可重複使用,且摺疊後體積小,便於運輸及儲存,與永久性建築物相比不僅在施工上省時省力,而且可避免不必要的資金再投入而造成的浪費.隨著人們對“摺疊”概念逐漸理解，摺疊結構在計算理論上及結構形式上都得以很大發展，目前這種結構已走出實驗室，得到了廣泛的工程套用。在生活領域，可用於施工棚、集市大棚、臨時貨倉等臨時性結構；在軍事上可用於戰地指揮、戰場救護、裝配搶修及野外帳篷等，對提高部隊的後勤保障能力、增加部隊戰鬥力有重要意義；在航空航天領域，摺疊結構有著不可替代的地位，已用作太陽帆、可展式天線等。 依據不同的標準摺疊結構有著不同的類型劃分：按照摺疊結構組成單元的類型可分為桿系單元、板系單元，而桿系單元又可再分為剪式單元及伸縮式單元；根據結構展開成型後的穩定平衡方式可分為結構幾何自鎖式、結構構件自鎖及結構外加鎖式；根據結構組成是否採用索單元可分為剛性結構及柔性結構；根據結構展開過程的驅動方式可分為液壓（氣壓）傳動方式、電動方式、節點預壓彈簧驅動方式等。
結構幾何自鎖式又稱自穩定摺疊結構，是工程界普遍重視的一種結構。其自鎖原理主要是由結構的幾何條件及材料的力學特性決定。在這種結構中，一些剪彩式單元（簡稱剪鉸）以一定方式相連而組成鎖鉸。鎖鉸中每根桿件只有在摺疊狀態與完全展開時，才與結構的幾何狀態相適應，桿件應力為零，而在展開過程中桿件彎曲變形，儲存外荷能量，最後反方向釋放這些能量。自穩定摺疊結構展開方便、迅速，但其桿件抗彎剛度比較小，因而承受外荷載能力低，只適合小跨度情況。結構構件自鎖式的自鎖機理主要是靠鉸接處的銷釘在結構展開時自動滑入桿件端部預留的槽孔處而鎖定結構。結構外加鎖式亦稱附加穩定結構，在結構展開過程中，桿件內無應力，整個結構是一個機構體系，在展開到預定跨度時，在結構的端部附加桿件或其它約束而消除機構形成結構。這種結構的桿件剛度比較大，可滿足較大跨度的要求。
沒有過彈鐵摺疊結構稱為剛性結構，而柔性摺疊結構的受拉單元為索單元。柔性結構在收納狀態時，索呈鬆弛狀態，剛性桿件可形成捆狀便於運輸儲存。在展開時可拉緊驅動索使結構展開，亦可增加壓桿長度來張拉索，在完全展開時可形成張拉整體體系。這種結構自重輕、展開成型後剛度較大，可用於跨度較大的結構。
摺疊結構根據其在展開過程中所表現的運動特性可分為兩大類：一類是各部分運動為剛體運動，稱其為多剛體體系，它的運動描述及內力分析比較容易解決；另一類則是部件在空間中經歷著大的剛性運動的同時，還存在自身的變形運動，表現出剛性運動與變形運動互相影響，強烈耦合的特徵。自穩定桿繫結構就屬於後一種類型，其中鎖鉸的設計是整個自穩定摺疊結構設計的基礎，直接影響結構的合理性及使用方便性。理想的自鎖條件是在疊展的過程中，組成鎖鉸的桿件內產生內力，內力變化呈緩升陡降的趨勢，變化率表現出大範圍變化的慢變數與小幅度的快變數的特徵。這種運動特性必須採用非線性理論來描述，這正是這種結構計算的難點所在。
對於任何空間結構，節點設計都占有很重要的位置，摺疊結構自不例外，而且還有一些特殊要求：摺疊結構的節點必須能夠保證桿件在展開過程中運動自如，桿件與節點連線處沒有較大摩擦或易於彎曲的變形；在結構收納狀態時能夠保證桿件成緊密捆狀，以便儲存；人有足夠的強度來承受桿件的拉壓及局部的彎、剪、摩擦等各種作用。目前套用比較普遍的是轂節點，節點材料可用金屬或高分子材料。