仿生结构的力学分析

建筑的力学之美

分析报告

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二0一二年十月

仿生结构的力学分析

一、仿生建筑与建筑仿生学

建筑仿生学的表现与应用方法，归纳起来大致有四个方面－城市环境仿生，使用功能仿生，建筑形式仿生，组织结构仿生。当然，往往会出现综合性的仿生应用，形成一种城市与建筑的仿生整体

仿生建筑是以生物界某些生物体功能组织和形象构成规律为研究对象，探寻自然界中科学合理的建造规律，并通过这些研究成果的运用来丰富和完善建筑的处理手法，促进建筑形体结构以及建筑功能布局等的高效设计和合理形成。从某个意义上说，仿生建筑也是绿色建筑，仿生技术手段也应属于绿色技术的范畴。

二、贝类仿生

众所周知，在神秘的海洋大世界中有许多形状各异的美丽的贝类生物，这些生物不仅外观美丽而且他们的结构构造也非常符合建筑的力学原理。

贝壳是大自然所创造出的最精美的有机造型之一，常被设计师们作为形态仿生的对象。贝壳坚固的原因其一是贝壳的主要成份是碳酸钙和少量的壳质素。它有一股强大的韧劲。贝壳还有三层壳体，这三层壳体可以使微小的受力沿着这些层理分散开来，可以防止破坏性大的裂痕产生。这几层的高强度来产生于矿物质的特殊排列，其基本标准结构部件为蛋白质包裹的霰石组成的矩形梁，这些梁又

组合成了一个稍大的中型梁，中型梁再堆积成更大的结构。在各层这样的结构中，各相邻结构体均相互垂直。如果裂纹沿着中间层里的蛋白质条纹式边界到达临近的结构，就会碰到由霰石组成的壁。

原因其二是大多数的贝类生活在深海之中，它们的外壳呈波浪状起伏，这与生活在浅滩上表面光滑的贝壳完全不同，因为生活在几百米甚至几千米的海洋之中，其外壳始终承受着很大的水压力，而波浪状的几何表面结构构成可以使壳体在同等厚度下的抗压强度大幅度提高，因此这样的几何结构构成使结构受力非常的科学合理。这也是贝壳的独特魅力所在，所以国内外就有许多的建筑大师青睐于仿贝类建筑，这种建筑不仅外观美丽而且十分坚固。

在建筑学里有种具有仿生特征的新型穹顶结构——扇贝型网壳结构。

网壳的平面特征为圆形，它的经向杆组合成拱形结构，而纬向杆组合的集合特征表现为正弦曲线或半正弦曲线。

这在建筑的实际应用中不仅可以使建筑的平面很美观而且在建筑的实用功能上增加了支撑的功能。

实际上扇贝型网壳虽然是一种仿生结构，但是它的结构体系还是属于传统的空间网格结构，所以他的受力与网格结构基本相同，空间的刚度非常大，整体性和稳定性都很好还有很好的抗震性能和较好的建筑造型效果，适用于各种支承条件和各种平面形状、大小跨度的工业和民用建筑。直接落地点支撑式、周边支撑式和立柱点支撑式是扇贝型网壳在支座设计上的三种方案。

在当今社会上，扇贝类的网壳结构因其结构性能受力性能好，形态美观成为一种易于推广的新型结构形式。我相信，在不久的将来，根据这种结构建造的房屋会越来越多。

三、仿贝类建筑

1、清真寺的圆顶

2、香港国际会展中心

3、墨西哥城建筑

4、世博以色列国家馆

5、日本代代木体育馆

日本的代代木国立综合体育馆是日本建筑大师丹下建三设计的，是60年代的技术进步象征，它是1964年东京奥运会的主会场，其独特的结构形式，类似贝类的特异外部形状展现了大师丹下建三的于是想象力和创造力。

代代木体育馆达到了

材料、功能、结构以及比例

上的高度统一，由此被誉为

是20世纪世界上最美的建

筑之一。代代木国立综合体

育馆的的力学结构是根据力

学法则和几何学理论而创造

出的奇妙的扭曲。

这是代代木综合国力体育馆的俯视图如下：

代代木的外形犹如一只大海螺，他的曲线流畅、轻快、形态动人。不规则的曲线给人一种视觉上的享受。而且它采用的是薄壳结构，在生物界中，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”。这种薄壳结构与贝类的大海螺有相似之处，它的表面虽然很薄，但是它的耐压程度相当高。这种模仿贝类壳体在外力作用下，内力都沿着整个表面扩散和分布的力学特征，早已在建筑工程中得到了广泛的应用。

代代木国立体育馆总占地约91公顷，包括一幢游泳馆和一幢球类馆。两馆都采用了悬索结构，使功能、结构与造型达到有机结合，令人耳目一新，成为建筑艺术作品的优秀范例。在游泳馆的设计上，他的平面为两个对错的新月形，长边240米，短边120米。屋顶采用悬索结构，长轴方向有两根钢筋混凝土桅杆柱，高

404米，跨度126米，用以支承两根主索.每根主索各由37根外经33厘米的钢缆组成，次索沿短轴方向布置，跨过主索与外围的钢筋混凝土承力环连结。索网覆盖以焊接起来的45毫米厚的钢板；内表面用石棉板保护.主索两端所形成的三角形入口，自然地把观众导入馆内.利用两根主索之间的缝隙设置顶光，勾划出屋脊的轮廊，在视觉上有助于形成一个流线型的宏伟别致的内部空间。

而球类馆的平面为蜗牛形，直径70米。屋顶采用单根主索螺旋形布置。这两个馆遥相呼应，协调而有变化。贝类结构的流线型使应力分散，力流减小，跨度增大，而且不失美感，给人一种紧张感和灵动感。据新闻报道，当时体育馆的外形图刚出现在世人眼前时，就引起了公众的强烈回应，他们觉得有这个瞬间海浪旋窝形态和贝类形态而引发的设计灵感，不仅造型独特美观还给人一种强烈的视觉冲击力。在整个设计线条上没有直角直线，最多的就是悬索柔韧的弧度，许多专业人士用建筑专业术语说就是两个字：柔性。从总体而言，代代木国立综合体育馆的仿生结构十分完美，很有日本独特风情。

四、结语

在当下这个越来越提倡绿色环保的社会中，建筑也在逐渐在往绿色建筑的方向发展，仿生建筑就是绿色建筑之一，建筑仿生学就成了新时代的一种潮流，今后会成为建筑创新的源泉和保证环境生态平衡的重要手段。从建筑之美的范畴来讲，仿生建筑满足了形式美，稳定美和技术合理美三种建筑之美。因此仿生建筑不仅美观，具有观赏性而且实用功能也非常高，新颖的造型还能为发挥新结构体系的作用创造出非凡的效果。而仿生力学在建筑仿生学的主要任务就是利用动物的力学机理使建筑物更加的坚固。力学与仿生学的有机结合奠定的绿色建筑的发展基础。

参考来自：

1、百度百科

2、《海洋贝类仿生建筑的结构形体研究》

3、朱杰江——《建筑的力学之美讲义大纲》