结构概念设计课程论文

仿生结构设计------自然与建筑结构的交融式设计
摘要：大自然处处存在天然的美感与协调，而城市的快速发展则是在一定的程度上破坏了这种美感和协调性，城市建筑异军突起，看似千姿百态实则形态单一，如何设计切合自然美感，功能，环保的建筑结构是新世纪建筑师与结构师们必须面对的问题，而在21世纪初，随着仿生学理论的建立与逐步发展，将仿生学应用于结构概念设计中，使更多的城市建筑结构与自然相协调，且能同时满足功能需求，美观，环保且易于建造。

实体的仿生，是从自然界中选取研究对象，将对象的形态，结构转化为可以利用在技术领域的抽象功能，考虑用不同的材料和工艺手段进行创造新的形态和结构，具有科技性，时代性和标志性。

关键词：结构概念，仿生建筑，美观，协调性，功能与环保
结构设计案例：北京水立方游泳中心
一·建筑结构功能和目标
水立方的设计灵感来源于肥皂泡，主体结构采用钢结构，内部空间巨大，同时设立了多个大型的游泳池，不仅能够完全胜任比赛的要求，平时生活中也可以继续使用，不像有的奥运场馆，奥运会结束后出了纪念价值之外就没有了其他作用，也带不来经济收益。

方形是中国古代城市建筑最基本的形态，它体现的是中国文化中以纲常伦理为代表的社会生活规则。

“天圆地方”的设计哲学催生了“水立方”，而这个“方盒子”又能够最佳体现国家游泳中心的多功能要求。

传统文化与建筑功能就这样实现了完美结合。

在中国文化里，水是一种重要的自然元素，并激发起人们欢乐的情绪。

国家游泳中心赛后将成为北京最大的水上乐园，所以设计者针对各个年龄层次的人，探寻水可以提供的各种娱乐方式，开发出水的各种不同的用途，他们将这种设计理念称作“水立方”。

肥皂泡式的膜结构具有很好的透光作用，不需要过多的灯光来供应照明，因此节约了能源，体现了环保的意识，而08年的奥运会目标，“绿色”，“环保”就是其中的主题，和自然界像协调，同国家奥运中心，另一个仿生建筑“鸟巢”相互呼应。

在全球化的语境下，地域性就显得很重要了，而一个地方地域性的特色表示，很多时候往往会采取地标性建筑来担当这个角色，因此仿生建筑有了新的要求，需要融入更多的历史文化，人文观念等进去，而对中国来说，水具有极为深刻的文化代表性，上善若水，是古代哲学家的人文情怀的体现，也是对后人的告诫，因此水立方的设计，不仅仅是给奥运会提供了一处比赛的场地，也向世界展现出了中国的特色，传达了中国人的理念。

水立方水泡式的膜结构
二，结构方案的选择
结构是决定一座建筑是否能够修建的最主要因素，选择什么样的结构，直接决定了建筑功能与外形会是什么样的，一幢建筑，在兼顾可施工性的情况下还得考虑多种结构方案，从
中选择最能体现结构概念，也是最为主要的，一旦确定了结构方案，那么施工方案等也就跟着确定。

水立方的结构方案的选择与优化极尽曲折，因为采用膜结构，这是从未有过的，乃是国内外的首创。

“水立方”是世界上首个基于“气泡理论”建造的多面体钢架结构建筑。

独特的结构设计给施工带来了很大困难。

“水立方”的创意来自于肥皂泡的构造。

这种在自然界常见的形态从未在建筑结构中出现过。

从截面上看，‘水立方’墙面和屋顶都分为内外3层，9803个球形节点、20870根钢质杆件中，没有一个零件在空间定位上是完全平行的，传统的二维图纸无法标出工件的坐标。

因此给设计者带来了很大的挑战，一个无法施工的结构方案，哪怕是再卓越，再完美，也等于废纸一张，在水立方确定之前，鸟巢已经修建好，因此水立方与之要能和谐搭配，鸟巢代表阳，水立方则代表阴，中国讲究的是阴阳平衡，水则是代表阴的最佳代表事物，因此设计中要将之体现出来。

水代表阴阳中的阴，也代表着明净，轻巧与厚重并重，厚德载物等等，水立方采用了水泡外形，膜结构，这将水文化极好地体现了出来，这也是水立方设计方案最终从数十种设计方案中脱颖而出，最终被确定为国家奥运游泳中心的原因之一。

结构概念设计的重要性也就凸显出来了，我们要的是赋予了某种“概念”的建筑结构，而不仅仅是一幢方方正正，中规中矩，除了提供功能之外却没有其他作用的“死”建筑。

我们需要能诠释与传达某种文化，凸显地域性，以及风俗特色等的“活”建筑，水立方的设计，恰好满足这一基本需求。

三，建筑是一种美的艺术
大自然有无数鬼斧神工的杰作，五一不被称作“自然艺术品”，除了给人们带来无数的惊叹，感叹自然力量的神奇之外，还彰显出了极致的美感。

而建筑，则是出自人类工程师以及建筑师之手的艺术品。

仿生建筑，不仅仅是仿的外形，还有利用其独特的围观结构达到功能建造的同时，将仿生的神韵更好地体现出来。

美国现代建筑学家托伯特·哈姆林，提出了现代建筑技术美的10大法则，即：统一、均衡、比例、尺度、韵律、布局中的序列、规则的和不规则的序列设计、性格、风格、色彩等，水立方的设计，无疑是很符合建筑艺术美感的，比如建筑风格来说，水元素是世界的，因此水立方是中西方文化的交融，但又独具特色、又比如色彩，一滴水是透明的，但无数的水滴凝聚在一起就形成了独特的“海之蓝”，让人感觉宁静自然，又不失欢快。

建筑美学的内容是艺术的审美本质和审美特征；建筑艺术的审美创造与现实生活关系；建筑艺术的发展历程和建筑观念、流派、风格的发展嬗变过程；建筑艺术的形式美法则；建筑艺术的创造规律和应具有的美学品格；建筑艺术的审美价值和功能；鉴赏建筑艺术的心理机制、过程、特点、意义、方法等。

基于这一要求，水立方的设计中，基于“泡沫”理论的设计灵感，设计师们为“方盒子”包裹上了一层建筑外皮，上面布满了酷似水分子结构的几何形状，表面覆盖的ETFE(四氟乙烯)透明膜又赋予了建筑冰晶状的外貌，使其具有独特的视觉效果和感受，轮廓和外观变得柔和，水的神韵在建筑中得到了完美的体现。

也将仿生建筑独特的美感生动地体现了出来。

可以说，来源于自然，回归自然，这种交融式的设计方式，使得建筑更具美感。

突出了水神韵的水立方，极具美感
四．结构概念设计必须兼顾可施工性和可维护性
任何建筑都是设计出来的，也是建造出来的，只有建造在地基的实体建筑才是有意义的，艺术可以天马行空，但作为艺术之一的建筑，必须得考虑实际的建造施工问题。

水立方的设计方案提出来的时候，各方面的因素都考虑到了，但遇到的最大难题就建造施工。

因为水立方是世界上最大的膜结构工程，很多关键性的技术成了难题，最主要的就是室内声环境系统关键技术、钢结构关键技术和ETFE膜结构装配系统关键技术。

关键性技术不到位，自然是不能盲目施工的，因此必须解决好了这些技术难题方能施工。

“水立方”整体建筑由3000多个气枕组成，气枕大小不一、形状各异，覆盖面积达到10万平方米，堪称世界之最。

除了地面之外，外表都采用了膜结构。

安装成功的气枕将通过事先安装在钢架上的充气管线充气变成“气泡”，整个充气过程由电脑智能监控，并根据当时的气压、光照等条件使“气泡”保持最佳状态。

膜结构的关键技术得意兼顾，而骨架结构，也就是主体钢结构，经过一系列的技术攻关，成功地找到了钢杆的连接点坐标，使其施工技术得以解决。

另外，这种“泡泡装”一样的膜材料有自洁功能，使膜的表面基本上不沾灰尘。

即使沾上灰尘，自然降水也足以使之清洁如新。

这就保证了可维护性，此外，膜材料具有较好的抗压性，如果万一出现外膜破裂，根据应急预案，可在8个小时内把破损的外膜修好或换新。

维护较为方便，哪怕是破了，也容易修补。

“水立方”晶莹剔透的外衣上面还点缀着无数白色的亮点，被称为镀点，它们可以改变光线的方向，起到隔热散光的效果，也在一定的程度上减少了强光对膜结构的破坏作用。

结语：结构设计的最高境界就是结构概念设计，概念来源于多方面，比如历史，比如自然。

而更多的设计者认为，建筑应该融入自然，从自然中寻找建筑结构设计的灵感，方能打造与自然形态像协调的标志性建筑。

参考文献：1.《国家游泳中心水立方结构设计》，中国建筑工业出版社，2009年1月第一版；
2.傅学怡,顾磊,杨先桥,余卫江,陈贤川;国家游泳中心结构设计与研究[J];空间结构;2005年03期
3.邓有生，《建筑美学》，北京大学出版社，2014年5月。