折纸的帐篷

可部署结构转向新的灵感:折纸

充气结构在建筑中至关重要。折纸能给这些可部署组件提供新的灵感吗?
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Lindsay Gruetzmacher绘图

在2016年环法自行车赛第七赛段,亚当·耶茨(Adam Yates)领先主队10秒,距离世界上最负盛名的自行车比赛终点只有1000米。就在他经过标志着比赛最后一公里的充气拱门时,一切都变得一团糟。

一个观众被什么东西缠住了——要么是空气压缩机的电源线,要么是建筑本身的腿——导致整个拱门迅速放气,砸在耶茨身上。

虽然他最终在车祸中受了轻伤离开了现场,事件强调了充气结构的一个明显但非常真实的弱点:你必须让它们保持充气状态。

但如果你没有呢?

这是今年早些时候在美国发表的一篇新论文的核心问题本性,它从日本折纸艺术中汲取灵感,创造出充气结构,即使在切断空气供应的情况下也能保持其形状。

除了环法自行车赛距离标记外,可展开结构在建筑和工程的许多角落都很重要。从可伸缩的体育场屋顶到救灾房屋,世界需要易于移动和搭建的建筑。

“我们如何考虑在不需要额外组件的情况下保持它们的正常运行?”他问道卡蒂娅·贝尔托迪他是哈佛大学应用力学教授,也是这篇论文的作者之一。“折纸提供了一个可行的平台来创建形式——从平面到3D形式。”

可以使用折纸构建的形状库非常庞大,但为了创建这些可展开结构,Bertoldi和她的同事选择在设计中重点使用三角形和矩形面。利用一些基本的几何知识,研究小组创建了一个潜在充气结构的计算机库,包括楔形物、多面体帐篷,当然还有拱门。

哈佛研究人员折纸帐篷的一个例子。

所有这些形状都有科学家们称之为“双稳定性”,这意味着它们有一个稳定的平面形状和一个稳定的充气形状,即使在空气压力被消除的情况下也能保持。从那以后,研究小组继续在现实生活中制作这些形状,以证明这个概念在规模上是可行的。

到目前为止,他们已经使用瓦楞塑料和胶粘带进行了气密密封,将几个设计付诸实践。尤其令人印象深刻的是两米高的帐篷结构。很容易想象一下这样一个帐篷正在部署在一场灾难之后,为流离失所的人提供了短期住房。贝托尔迪说,这肯定是他们考虑的一个应用。

但是,在下一轮气候危机难民能够被安置在爆炸的吊舱中之前,研究人员说,他们仍然需要进行一些认真的结构分析。每个结构能承受多少载荷?例如,如果下雪会发生什么?如果有大风呢?

为此,Bertoldi和她的团队正在建立新的计算机模型,使他们能够模拟不同的材料和设计形状,并深入了解每个形状的坚固程度。

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