基于仿生学的空间结构形体设计

花瓣 的网壳结 构． ２为一梅花形 网壳 结构． 图
收 稿 日期 ： ０ ２０ — ５ ２ ０ — ６０ ．
作者筒介 ： 新 （９４ ）男 ， 江杭州人 ， 士 ， 卓 １６一 ， 浙 博 副教 授 ， 要 从 事 空 间 结 构 的 研 究 工 作 ． 主
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象． １为利用 Ｃ 图 ＡＤ 技术设 计 的一 圆形平 面 、 态象 形
生 物 系统 的结 构 、 质 、 特 功能 、 能量 转换 、 信息 控 制 等
各 种优 异 特征 ， 把 它们 应 用 到技 术 系统 ， 善 已有 并 改 的技 术 工 程 设 备 ， 创 造 出新 的 工 艺 过 程 、 筑 构 并 建 型、 自动化 装 置 等技 术 系统 的综 合 性科 学 ． 生 物 学 从 角 度说 ， 生 学 属 于“ 仿 应用 生 物 学 ” 的一 个 分 支 ； 从建
图 ７ 钻石形 正 ２ ０面 体 结 构
成 本 的经 济性 等 因 素． （ ） 体 优美 的结构 可 采 用玻 璃 、 材等 作 为 其 ４形 膜
表 面覆 盖 材料 ， 以充 分 展示 结 构美 ． 图 ８ 见 ．
３ 结
语
（ ） 特 种形 体 结 构 的力 学 分析 、 件制 作 以及 ５对 构 （） １ 由于钢 结 构材 料 加工 与 安装 的特 殊性 ， 现在 越来 越 多 的体 育 建 筑 、 文化 场馆 、 场 大 厅 、 型会 机 大 展 中心 等公 共建 筑 采 用钢 结 构 型式 ． 些 建 筑往 往 这 结 构施 工 来 说 ， 作 难 度 将 大 大 增 加 ． 此 ， 这 类 工 因 对 结构 的设 计 与施 工 进行 进 一 步 的深 入研 究 是必 要 的
结 构形 态 等 ． 建筑 作 品 与 自然形 体 的相 似 将 体 现 自
然 生命 的力 量 与 造 物 的神 奇 ， 符合 人 们 对 美 好 事 物 的追 求 心理 ， 也符 合 当今 世 界对 环 境 保 护 的要求 ．
２ 空 间 结 构 的形 体 设 计
（） １ 模仿 自然界 形 体 ： 花卉 、 果 、 壳 、 物 骨 水 贝 生 架 、 山等 ， 可 以作为 空 间结 构 形体 设 计 的模 仿 对 群 都
中图分类 号 ： ＴＵ３ ５ 文献 标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ６６ ７ （ ０ ３ ０ －０ ３０ １ ０— ５ ８ ２ ０ ）３０ ０－ ３
Ｓｈ ｐ ｓ ｇ ｆ ｓ ｃ ｔ ｕｃ ｕ ｅ ｓ ｄ ｏ ｏ ｃ ａ ｅ ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｐａ ｅ ｓ ｒ ｔ ｒ ｓ ｂａ ｅ ｎ ｂｉ ｎｉ ｓ
透 视 图 ， 中 ａ和 ｂ图为 基 本 形 状 ， 其 Ｃ和 ｄ图 为 把 ａ 进 行不 同组 合 后 形 成 的单 层 索 网结 构 ， 形 态 象 一 而
一
（） ｄ
一
图 ４ 螺 旋 展 开 线 形 结 构
一
（ Ｄ
圈 ６ 双 曲 抛 物 面 结构
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术 上 的竞争 在 很 大程 度 上 是建 筑 设计 方 案 结构 形 体
的新 颖 美 观． 利用 仿 生 学 原 理进 行 建 筑 与 结 构 设 计
是 一 种 行 之有 效 的方 法 ．
（ ） 最 近 几 年 国 外 一 些 建 筑 事 务 所 参 与 我 国 ２从
国际招 标 工程 所 提供 的设 计 方 案来 看 ， 筑 型 式 的 建
（ 江大学土木 工程学 系 ， 江 杭 州 ３０ ２） 浙 浙 １ ０ ７
摘
要 ： 构 的 形 态 仿 生 主 要 从 仿 生 学 角 度 去 研 究 结 构 的 空 间 形 体 ． 态 万 千 的 自然 界 蕴 藏 着 无 数 优 美 的 可 供 模 结 形
仿 的 建 筑 造 型 ， 卉 、 壳 、 体 、 蛛 网 、 胞 结 构 、 川 、 林 、 形 的形 态 乃 至 纯 数 学 方 程 式 都 是 空 间结 构 形 体 花 贝 晶 蜘 细 山 森 地 设 计 可 以 借 鉴 模 仿 的 对 象 ．本 文 讨 论 了应 用 数 学 与仿 生 学 原 理 进 行 空 问结 构 形 体 设 计 的 方 法 ， 介 绍 了 利 用 Ｃ 并 ＡＤ 技 术建构 的几种形态 的空间结构 ． 关 键 词 ： 间 结 构 ； 体 设 计 ； 生 学 空 形 仿
空 间 结 构
第 ９卷
（）平 面 图 ａ
（） 视 图 ｂ透
（）平 面 图 ａ
（） 视 图 ｂ透
图 １ 瓣 形 网壳 结 构
图 ２ 梅 花 形 网 壳 结 构
（）斜截２ 面体 形 式 Ｉ ａ Ｏ
（）斜 截２ 面体 形 式 Ⅱ ｂ ０
图 ３ 桁 架 式 球 形 结 构
（）斜 截 ２＿１面体 结 构 Ｃ ０ ＿２
Байду номын сангаас
第３ 期
卓 新 ， ：基 于仿 生 学 的 空 间结构 形 体 设计 等
只 飞 鸟 的 ｅ图 和 ｆ图则 分 别 为 组 合 后 的单 层 、 层 双
网格结 构扭 壳 ．
是 一 个 城 市 的标 志 性 建 筑 ， 以 建设 部 门 往 往 对 建 所 筑 的美 观 效 果 有 很 高 的要 求 ， 计 与 工 程 承 包方 技 设
Ａｂ ｔ ａｃ ｓ ｒ ｔ：Ｔ ｈ ｒ ｒ ａ ａ ｉｕ ｈ ｐｅ ｉ ａ ｕｒ ｓ ｆｏ ｒ ｅ ｅ ａ ｅ ｍ ｎｙ ｂｅ ｕｔｆ ｌ ｓ ａ ｓ ｎ ｎ ｔ ｅ ａ ｌ ｗｅ ｓ，ｓ ｌｓ，ｃ ｙ ｔ ｌ ｈｅ ｌ ｒ ｓ ａ ，ｍｏｌ ｃ ｅ，ｓ ｄｅ ｂ， ｅ ｕｌ ｐｉ ｒ ｗｅ ｍｏ ｔｉ ｕｎ ａ ｎｓ，ｅ ｃ ｔ ．Ａｌ ｆｔ ｅ ｅ ｓ ｐｅ ａ ｅ ｏ ｅ ｅ ｅ ｅ ｉ ｈ ｈａ ｅ ｄ ｓｇｎ ｏ ｐａ ｅ ｓ ｒ ｔ ｅ ．Ｔｈｅ ｌｏ ｈ ｓ ｈａ ｓ ｃ ｎ ｂｅ ｕｓ ｄ ｆ ｒ ｒ ｆ ｒ ｎｃ ｎ ｔ ｅ ｓ ｐ ｅ ｉ ｆｓ ｃ ｔ ｕｃ ｕｒ ｓ ｄｅ ｉ ｔ ｄ ｕｔｌｚｎｇ ｔ ｈ ｏ ｙ ｏ ｏ ｃ ｎｄ ｍ ａ ｈｅ ａ ｉ ｓ ｗｅ ｅ ｄｉｃ ｓ ｅ ｎ ｓ ｖ ｒ ｌｔ ｐｅ ｈ ｅ ｆ ｓ ｇｎ ｍｅ ｈｏ ｉｉｉ ｈｅ ｔ ｅ ｒ ｆｂｉ ｎｉｓ ａ ｔ ｍ ｔｃ ｒ ｓ ｕ ｓ ｄ ａ ｄ ｅ ｅ ａ ｙ ｓｏｆｓ ａｐ ｓ ｏ ｓ ａ ｅ ｓ ｒ ｔ ｅ ｒ ｓ ｇｎ ｄ ｂｙ ｍｅ ｎｓ ｏ ｐ ｃ ｔ ｕｃ ｕｒ ｓ ｗｅ ｅ ｄｅ ｉ ｅ ａ ｆ ＣＡ Ｄ ｅ ｈｎｉ ｕｅ ． ｔｃ ｑ ｓ Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ：ｓ ｃ ｔ ｕｃ ｕｒ ｓ；ｓ ｐｅ ｄ ｓｇｎ；ｂｉ ｃ ｐａ ｅ ｓ ｒ ｔ ｅ ｈａ ｅ ｉ ｏｎｉｓ
和有 价 值 的 ．
一
参 考 文 献
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第 ９卷 第 ３期 ２０ ０ ３年 ９月
ＳＰＡ空 间 结 构 ＴＩ ＡＬ ＳＴＲ Ｕ ＣＴＵ ＲＥＳ
Ｖｏ． ． １９Ｎｏ ３
Ｓｅ ｐ． ２ ００３
基 于 仿 生 学 的 空 间结 构 形 体 设 计
卓 新 ， 石麟 董
的发 展方 向．
（ ） 结构 的形体 设 计 中 ， ３在 模仿 自然物 质 形 体决 不 能 简 单 地 照 搬 照 抄 ， 须 结 合 钢 结 构 自身 的特 点 必 和力 学 机 理 ． 间钢 结 构 的形 体 设 计 只 注 重美 观 是 空 不 够 的 ， 必 须 同 时注 重结 构受 力 的合 理 性 和 工 程 还
筑 工 程 技 术 方 面 来 看 ， 生 学 根 据 对 生 物 形 体 的研 仿
１ 引 言
仿 生 学作 为 一 门独立 的学 科 ， １ ６ 于 ９ ０年 正 式诞 生 ． 梯 尔 为 这 一 新 兴 的 学 科 命 名 为 “ ｉｎｃ ” 希 斯 Ｂｏ ｉ ， ｓ 腊 文 的意 思 是研 究 生 命 系统 功 能 的科 学 ， ９ ３ 我 １６ 年 国将 “ ｉｎｃ ” Ｂｏ ｉｓ 翻译 为“ 生 学 ” 斯 梯 尔把 仿 生学 定 仿 ． 义 为“ 仿 生 物原 理 来建 造 技术 系 统 ， 者使 人 造技 模 或 术 系 统具 有 或类 似 于 生 物 特 征 的科 学 ” 简 言 之 ， ． 仿 生 学就 是模 仿 生 物 的科 学． 确切 地说 ， 生学 是 研究 仿
能 力 ， 每 条 边设 计 成桁 架 型 式 ． 故 （ ） 仿 数 学 曲线 与 曲面 ： 何 学 中有许 多形 态 ３模 几
丰 富 而且 变 化 规 则 的 曲 线 ， 展 开 线 、 物 线 、 曲 如 抛 双
图 ５ 斜 截 斜 角 锥 体 结 构
线 、 圆线 等 ， 有无 数 形 态 丰富 而 变化 不 规则 的 自 椭 还
由曲 线 ， Ｂ ｚｅ 如 ｅｉ ｒ曲线 、 ＮＵＲ Ｓ曲面 等 ［ ］这 些 线 Ｂ ２ ，
形 和 面形 都 是 空 间结 构 设 计 可 以借 鉴 模 仿 的对 象 ．
图 ４为一 螺 旋 展 开 线 形 的结 构 透 视 图． ５为 斜 截 图
斜 角锥 体 结 构 透 视 图． ６为 双 曲抛 物 面 形 结 构 的 图
（） ４ 其它 ： 画 、 塑 、 绘 雕 各类 形 态 美 观 的商 品 等都
可 以是 空 间结 构 形 体 设 计 可 以借 鉴 与 模 仿 的对 象 ． 多面体 中平 面 的杆 件构 成 可 以根 据 设计 者 的构想 及 建 筑物 的功能设 计 成其它 构成 型式 ， 图 ７为形 态 象 如 钻石的正 ２ Ｏ面体 结 构 的桁 架 型式 与单 层 网壳 型 式． 实际工程 应用 时 ， 可把这 两种结 构 型式组 合起 来．
生 态 化 是 一个 明 显 的 特 点 ， 态 单 一 的设 计 方 案 已 形 没 有竞 争 力 ． 此 同时 ， 与 随着 我 国 国民经 济 日益强 大 和 人 民 生 活 水 平 的不 断 提 高 ， 们 已不 再 满 足 实 用 人
型 的建 筑 了 ， 颖 美 观 个 性 化 的建 筑 产 品将 是 今 后 新
（ ） 仿 微 观 世 界 分 子 和原 子 结 构 形 体 ： 花 、 ２模 雪
花粉、 晶体 结 构 等 都 可 以是 模 仿 的对 象 ． 图 ３ 、 ｂ 如 ａ ３ 所 示 为 一形 态象 足 球 的 Ｃ６ Ｏ分 子 结 构 桁 架 形 式 ， 即 斜截 ２ ０面 体 结 构 的两 种 形 式 ， 由 ２ 它 ０个 六 边 形 平 面和 １ ２个 五 边 形 平 面 组 成 ＿ ． ３ 】 图 ｃ为 斜 截 ２ — １ ］ ０ ２ 面 体结 构 ， 由 ２ 它 ０个 六 边 形平 面 、 ２个 十边 形 平 面 １ 和 ３ ０个 四边 形 平 面组成 ． 考虑 到 结 构 的跨 度 和承 载
ＺＨ Ｕ Ｏ ｎ。 Ｘｉ ＤＯ ＮＧ Ｓｈｉｌｎ —ｉ
（ ｐ ｒｍｅ ｔｏ Ｃｉ ｉ Ｅｎ ｎ ｅｉｇ，Ｚｈｊａ ｇ Ｕｎ ｖ ｒｉ Ｄｅ ａ ｔ ｎ ｆ ｖ ｌ ｇｉｅｒｎ ｅｉ ｎ ｉｅ ｓ ｙ，Ｈａ ｇｚ ｏ １ ０ ７， ｉ ａ ｔ ｎ ｈ ｕ ３ ０ ２ Ｃｈｎ ）
究， 为设 计 和建 造 新颖 的建 筑结 构 提供 新 的概念 、 方 法 和途 径 ． 自然物 质 形 体 是 上 亿 年 演 化 过 程 中优 化
的结 果 ， 些物 质 的结构 形 态包 括 宇 宙 的结 构形 态 、 这
地球 生 物 的结 构形 态 以及微 观 世 界 中分 子与 原 子 的