仿生结构

摘要：本文着重介绍了仿生建筑的概念，通过一些仿生建筑的案例，分析了仿生设计的经验、现状和未来的发展方向。仿生学是模仿生物原理来建造技术系统,或者使人造技术系统具有类似于生物特征的科学。自然界中现存的生物物种大多数都是经过漫长的生物进化和自然选择后保留下来的,它们在结构、形态和功能等方面得到了全面优化。为改善自己的生存条件和生活质量,人类已将这些生物物种的优点广泛应用于各种空间结构体系的仿生设计中。

关键词：仿生学，建筑仿生设计，仿生结构

一、建筑仿生的发展

在人类社会的发展进程中，不断向大自然学习、汲取营养，模仿与自己生活息息相关的生物构造或自然形式是人类进步的重要原因。吊桥、车辆、船只、帐篷、飞行器，这些从大自然中寻找灵感而发明的东西都在证明着这一点。中国传统建筑中，优美线条的构成感，上扬如飞鸟的形态特点；西方古典建筑中，表达的对人体美感的敬意。无论是那种仿生建筑的类型，仿生建筑都遍及世界各地。功能仿生，例如芬兰著名建筑师阿尔托设计的德国不莱梅的高层公寓，平面仿自蝴蝶造型，把建筑的服务部分与卧室部分比作蝶身与翅膀，不仅造成内部空间布局新颖，而且也使建筑的造型变得更为丰富。又如勒•柯布西耶设计建造的法国朗香教堂的平面就是模拟人的耳朵，象征着上帝可以倾听信徒的祈祷，正是因其平面具有超现实的功能，以致在造型上也相应获得了奇异神秘的效果。形态和视觉上的仿生如埃罗．萨里宁于1958 年所作的美国耶鲁大学冰球馆，形如海龟；又如善于结合自然环境的建筑师莱特1944 年设计建造的威斯康星州雅可布斯别墅，把住宅按照地面菌菇类植物进行设计，给人以自然的形态，达到和环境融为一体的境界。再如萨巴在1975--1987 年建成的印度德里的母亲庙是仿自一朵荷花的造型，表达了圣洁与优美的形象。仿生建筑设计可分为结构仿生设计、形态仿生设计、功能仿生设计和视觉仿生设计。相比其他三种仿生的形式，结构仿生非常复杂，通常需要建筑师具有很强的结构运用能力，并且能够将结构赋予更多的美感和意义，也就是一种抽象的理性，下面介绍结构仿生。

二、空间结构仿生

结构仿生是研究并模仿生物体的结构或其巢穴等的优良力学性能,进而设计出用料省、强度高、刚度大且稳定性好的建筑结构。自然界的空间结构如蛋壳、海螺壳是薄壳结构,蜂窝是空间网格结构,肥皂泡是充气膜结构,蜘蛛网是索网结构,棕搁树叶是折板结构等等。建筑空间结构本身就是一种仿生结构,它们比平面结构更美观、经济和高效。其结构形式主要包括:薄壳结构、网格结构、悬索结构、膜结构、张力结构、可展结构、开闭结构等。此外,塔桅结构、筒仓结构等也属于空间结构的范畴。空间结构构成建筑物,并为使用功能提供空间环境的支承体,承担着建筑物的自重、使用荷载、风雪荷载、撞击、震动等作用下所产生的各种荷载。

自然界的各种蛋壳、贝壳、乌龟壳、海螺壳以及人的头盖骨等都是一种曲度均匀、质地轻巧的/薄壳结构。这种薄壳结构的表面虽然很薄,但利用其弧状曲面结构能分散外部作用的特性,可以显著提高其承载能力,它能以极少的材料创造较大的空间。由此形成了一种仿生学原理薄壳原理。法国国家工业与技术中心(CNIT)大厦建于1958年,它的整体结构造型就像一个倒扣的贝壳,其造型非常独特。这幢

纯现代主义的建筑有当时全世界最大的水泥苍穹,它是一个只有三个支撑点的曲壳建筑,其内部以钢索张力拉住,顶下所覆盖的面积几乎可罩住巴黎协和广场。虽然CNIT陈列大厅跨度较大,但它采用的混凝土壳层的厚度仅12 cm。被称为世界上最有魅力的候机楼的美国肯尼迪机场候机大楼,它的外形似一只展翅欲飞的大鸟。其屋面为四瓣组合式薄壳,由下部的丫形柱支撑,中间有缝隙采光,整个屋面很像拼合的人的头盖骨。这一别出心裁的设计,既解决了自由曲线造型的难点,在结构与形式上也达到了有机的融合。

王莲为世界上最大的睡莲科植物,其叶片直径可达3 m,最大承重可达60 kg。王莲之所以具有如此大的支撑力,是因为叶片背面具有排列成肋条状的粗壮叶脉,且支叶脉相互交织呈网状,使整个组织成为一个不易折断的受力工作整体。借鉴王莲在受力性能方面的优越性,有人构思出一种王莲脉络网架结构形式。蜜蜂的巢房是一种轻巧的六边形网格状结构,与其他结构形式相比,它具有结构稳固、经济性好的优点。受蜜蜂巢房结构的启发,人们发明了一种新型蜂窝形三角锥网架结构体系。它是一种杆件数和节点数相对较少的网架类型,且建筑造型美观,还便于施工。

被称为鸟之翼的坐落在美国密尔沃基的艺术博物馆就是他众多仿生建筑中的另外一个例子，卡拉特拉瓦第一次将鸟的形态搬上了建筑的大舞台，充分地体现出了建筑的复杂性和丰富性。价值 1 亿美元的双曲面穹顶由金属钢条支撑，在内测进行了焊接固定。屋面从中间分为两个部分，每部分由36 个钢条排列组成，这些钢条长度从32 米逐渐减到8 米，从而形成特殊的屋面形式。桅杆和海鸟羽翼般屋顶构成了一个极具吸引力的形象，而这一结构体系是由两根平行的、倾斜47 度的桅杆通过拉力支撑，其中一根桅杆位于屋顶的中线上，另一根位于通过博物馆入口的桥上，这些元素共同创造了富有诗意的结构体系和动感的整体效果。

鸟巢地面以上呈椭圆形，长轴最大尺寸为332．3 m，短轴最大尺寸为296．4 m。大跨度屋盖被支撑在24 根桁架柱之上，主桁架围绕敞开屋盖洞口环向放射形布置，有22 榀主桁架直通或接近直通。这样交叉布置的主结构与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊造型，而那种崇尚自然人文情怀，以及游离于喧嚣外的独特气质更是吸引着观者前来观看。

三、结语

大自然是人类最好的老师,开展建筑仿生设计可以使我们从中获得很多启示。随着人类社会的发展和科学技术的进步,人们对各类空间结构的造型、空间效果和使用功能提出了越来越高的要求,新颖、美观、个性化的建筑将是今后发展的方向,无论是在建筑造型还是结构构造合理性方面,仿生建筑都能很好地满足这一发展趋势。同时在结构的形体设计中,模仿自然物质形体决不能简单地照搬照抄,必须结合空间结构自身的特点和力学机理。空间结构的形体设计只注重美观是不够的,还必须同时注重结构受力的合理性和工程成本的经济性等因素。