張 鵬

(通遼鐵建房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

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仿生理念下的公共建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

張 鵬

(通遼鐵建房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

介紹了結(jié)構(gòu)仿生產(chǎn)生的背景，論述了結(jié)構(gòu)仿生的類型，主要從結(jié)構(gòu)仿生與造型藝術(shù)、自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)技術(shù)相結(jié)合的角度，闡述了仿生理念在公共建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以滿足多元化的建筑結(jié)構(gòu)形式。

結(jié)構(gòu)仿生，公共建筑，自然環(huán)境，經(jīng)濟(jì)技術(shù)

1 結(jié)構(gòu)仿生與背景介紹

結(jié)構(gòu)仿生(BionicStructure)一詞，最初起源于自然界，特指從自然環(huán)境中的力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)關(guān)系、比例尺度、空間大小以及材料性能等汲取靈感，應(yīng)用于建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，進(jìn)而滿足多元化的建筑結(jié)構(gòu)形式[1]。

在建筑界，西班牙的巴倫西亞建筑師圣地亞哥·卡拉特拉瓦(Santiago Calatrava)認(rèn)為仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為兩種：一種是人體仿生，一種是自然仿生。人體仿生指模仿眼睛、手掌、脊柱等；自然仿生指模仿植物，花草樹(shù)木的生長(zhǎng)肌理，動(dòng)物的骨骼、關(guān)節(jié)等[2]。然而，他所強(qiáng)調(diào)的模仿并非是完全按照生物體的樣式，而是從生物體本身結(jié)構(gòu)中提取一系列元素應(yīng)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。通過(guò)這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以將結(jié)構(gòu)工程師的嚴(yán)謹(jǐn)性與藝術(shù)家的創(chuàng)造性緊密結(jié)合，形成了以仿生理念為核心的獨(dú)特形式，將建筑結(jié)構(gòu)提升到更高的一個(gè)層次。

2 結(jié)構(gòu)仿生的分類形式

2.1 膜結(jié)構(gòu)

膜結(jié)構(gòu)主要是從自然界中胞體體系中演變而來(lái)，相比較而言，胞體形式幾何形態(tài)較復(fù)雜，易認(rèn)知,多呈現(xiàn)出曲面形態(tài)。胞體結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用主要是承受拉伸力的封閉層面,通常與其他結(jié)構(gòu)共同組合而成。常見(jiàn)的胞體有:肥皂泡、空氣泡、商品袋等,有很高的承載力,是一種具有拉伸力同一性的結(jié)構(gòu)體系。

膜結(jié)構(gòu)是由高強(qiáng)薄膜材料及加強(qiáng)構(gòu)件通過(guò)鏈接使內(nèi)部形成預(yù)張應(yīng)力，常作為覆蓋結(jié)構(gòu)，可以承受外荷載的空間結(jié)構(gòu)形式。主要分為充氣膜和張拉膜兩種結(jié)構(gòu)[3]。充氣膜結(jié)構(gòu)通過(guò)不斷充氣給室內(nèi)，室內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，屋蓋膜布受到向上的浮力，從而實(shí)現(xiàn)較大的跨度。張拉膜結(jié)構(gòu)依靠自身的張拉應(yīng)力與支撐桿件共同構(gòu)成，形成某種特殊的空間結(jié)構(gòu)。

帳篷即是一種膜結(jié)構(gòu)，有著鮮明的自身特色，利于快速搭建和重建，適宜運(yùn)輸及靈活布置。在現(xiàn)有的建筑結(jié)構(gòu)中，膜結(jié)構(gòu)也應(yīng)用較廣。如體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、各類球館、大跨度的展覽廳等,其屋頂都采用了膜結(jié)構(gòu)形式，減輕了建筑自身的重力。

2.2 殼結(jié)構(gòu)

殼結(jié)構(gòu)最初起源于動(dòng)物本身，如烏龜?shù)谋臣?，呈拱?跨度大,內(nèi)涵多種力學(xué)原理。僅靠2 mm的厚度來(lái)抵抗外界的壓力。通過(guò)相應(yīng)的曲面構(gòu)件，使產(chǎn)生的力均勻的分布在殼表面。

在建筑結(jié)構(gòu)中，殼結(jié)構(gòu)即曲面的薄壁結(jié)構(gòu)，按照曲面的樣式共有筒殼、圓頂薄殼、雙曲扁殼和雙曲拋物面殼等四種。殼體結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)建筑工程的需要，廣泛應(yīng)用于大跨度建筑的屋蓋以及中小跨度的屋面板等，大多數(shù)情況下由工廠生產(chǎn)后運(yùn)輸現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝，快速便捷,是公共建筑中備受歡迎的結(jié)構(gòu)形式。建筑材料的使用也相對(duì)靈活，以鋼筋和混凝土為主，也可用鋼、木、石、磚或玻璃鋼做成。殼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的建筑形態(tài)優(yōu)美，經(jīng)濟(jì)適用，樣式多變，在公共建筑中，尤其是體育類建筑中應(yīng)用廣泛。因此，建筑結(jié)構(gòu)工程師們將該結(jié)構(gòu)特色應(yīng)用到建筑設(shè)計(jì)中，如舉世聞名的悉尼歌劇院，北京火車(chē)站大廳35 m×35 m雙曲扁殼，大連港倉(cāng)庫(kù)屋蓋16個(gè)23 m×23 m組合型扭殼，均是典型的實(shí)際案例。

3 仿生理念在公共建筑結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 與造型藝術(shù)相結(jié)合

很多情況下，建筑師往往忽略從建筑結(jié)構(gòu)本身去尋找適合自己的建筑造型，甚至以犧牲建筑的結(jié)構(gòu)空間而過(guò)分追求建筑造型。然而，工程師們比建筑師更善于觀察自然界的一切生成規(guī)律，已應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)創(chuàng)造了一系列嶄新的仿生結(jié)構(gòu)體系。他們善于發(fā)現(xiàn)自然，善于把自然界的肌理應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)中，甚至將一片片樹(shù)葉的葉脈衍生成建筑的支撐體系。例如，1947年—1949年，意大利結(jié)構(gòu)工程師奈爾維和建筑師巴托利仿照樹(shù)葉葉脈肌理，將意大利都靈展覽館的巨型拱頂按照葉脈肌理進(jìn)行設(shè)計(jì)，形成了寬93.6 m，長(zhǎng)75 m的拱頂。從下往上看，在設(shè)計(jì)理念上，接近自然，在造型設(shè)計(jì)上非常藝術(shù)，透過(guò)混凝土骨架和玻璃格交織錯(cuò)落，使得該建筑聞名于世(見(jiàn)圖1)。此外，丹下健三在1964年的東京奧運(yùn)會(huì)建造的游泳館與球類館，利用懸索結(jié)構(gòu)，仿照貝殼的形體，從中間向兩側(cè)緩緩卷翹，仿佛是一只只大雁向上起飛(見(jiàn)圖2)。丹下健三將建筑的造型與功能、結(jié)構(gòu)完美結(jié)合，是當(dāng)代建筑結(jié)構(gòu)創(chuàng)作中典型代表，成為了建筑藝術(shù)作品的優(yōu)秀范例。

3.2 與自然環(huán)境相結(jié)合

幾何學(xué)是大自然中抽象的代表，而現(xiàn)代化的建筑空間，往往追隨自然，從幾何學(xué)中尋找答案。常以直角、水平線和垂直線或曲線等形體，構(gòu)成建筑的主體結(jié)構(gòu)，仿佛該類型的建筑結(jié)構(gòu)直接從大自然中演變而來(lái)。例如氣泡和水滴，通過(guò)最小的截面空間，不規(guī)則的組合方式，集聚成多，以點(diǎn)帶面，形成了三維空間。國(guó)家游泳中心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以三維空間的最有效分割為基礎(chǔ)進(jìn)行的，它是有機(jī)細(xì)胞的基本構(gòu)成單位，在礦物質(zhì)的結(jié)晶構(gòu)造和自然形成的肥皂泡中都可見(jiàn)到。它的外表看似是薄弱的薄膜結(jié)構(gòu)，實(shí)際上內(nèi)部采用了強(qiáng)度較大的鋼結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)與外表膜結(jié)構(gòu)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。

此外，鳥(niǎo)巢、上海萬(wàn)人體育場(chǎng)、國(guó)家大劇院以及天津保稅區(qū)區(qū)標(biāo)等均是國(guó)內(nèi)著名的膜結(jié)構(gòu)建筑，充分利用大自然中的元素為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，體現(xiàn)了自然元素為主的建筑結(jié)構(gòu)語(yǔ)言(見(jiàn)圖3～圖5)。

3.3 與經(jīng)濟(jì)技術(shù)相結(jié)合

中國(guó)目前是一個(gè)發(fā)展中的國(guó)家，在很多行業(yè)，尤其是建筑行業(yè)，如何用最少的材料和先進(jìn)的技術(shù)成為了重要的使命。在眾多仿生建筑結(jié)構(gòu)中，蜂巢結(jié)構(gòu)由若干個(gè)整齊排列的六棱柱形組成，每一個(gè)六棱柱的底部由3個(gè)相同的菱形組成，與近代數(shù)學(xué)家們所計(jì)算的菱形鈍、銳角完全相同或幾近相同，這種結(jié)構(gòu)最明顯的優(yōu)勢(shì)即節(jié)省建筑材料，節(jié)約經(jīng)濟(jì)，有著穩(wěn)定堅(jiān)固、體積大的優(yōu)勢(shì)，無(wú)論是建筑界還是數(shù)學(xué)界的專家們都嘆為觀止(見(jiàn)圖6)。

例如，新西蘭是一個(gè)多地震的國(guó)家，國(guó)會(huì)大廈的建造采用了全木結(jié)構(gòu)形式，其外形設(shè)計(jì)在原有結(jié)構(gòu)模式下酷似蜂巢，簡(jiǎn)潔的蜂巢結(jié)構(gòu)外立面穩(wěn)定堅(jiān)固、施工便利、由下到上逐層遞減，減少用料(見(jiàn)圖7)。韓國(guó)Kang-nam位于十字路口的一角，以圓孔組合并非表達(dá)模型的有效性，而試圖解決暴露于外的雙層結(jié)構(gòu)墻(見(jiàn)圖8)。視角緩解了城市的緊張，通過(guò)張力松弛無(wú)大體積混凝土和無(wú)剛度軟化，形成了特殊的空間場(chǎng)景，是建筑技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的合理詮釋[4]。此外，蜂巢結(jié)構(gòu)原理還可以應(yīng)用在航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星等部分材料中，集物理、化學(xué)性能于一體的多功能結(jié)構(gòu)，為中國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)節(jié)約了經(jīng)濟(jì)和能源，是比較理想的建筑結(jié)構(gòu)形式。

4 結(jié)語(yǔ)

如何建造良好的可持續(xù)發(fā)展生態(tài)環(huán)境,需要當(dāng)今建筑師、結(jié)構(gòu)工程師們對(duì)生物界進(jìn)行深入的了解，尤其是起支撐作用的建筑結(jié)構(gòu)形式與建筑功能、造型藝術(shù)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，非常值得從業(yè)者乃至高校的教師們?nèi)コ珜?dǎo)。

建筑仿生已成為一種新時(shí)代潮流，也是建筑文化的新課題。為啟發(fā)建筑合理創(chuàng)新,以使城市環(huán)境達(dá)到生態(tài)平衡和持續(xù)發(fā)展，建筑仿生學(xué)乃是一種重要手段。在人類謀求生存，爭(zhēng)取成功并且實(shí)現(xiàn)自我的過(guò)程中,仿生學(xué)的觀點(diǎn)賦予了他們非凡的洞察力。希望更多的專家、學(xué)者，合理的利用現(xiàn)有資源，將適宜的、可持續(xù)的仿生理念更多的應(yīng)用到實(shí)際工程中，讓建筑結(jié)構(gòu)與建筑本身融為一體，更好的服務(wù)人類。

[1] 魏曉華，田長(zhǎng)河.結(jié)構(gòu)仿生在大跨度建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析[J].建材與裝飾，2015(7):73-74.

[2] 祝玉龍，蔣歡軍.我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)仿生建筑的應(yīng)用與展望[J].結(jié)構(gòu)工程師，2014(4):166-167.

[3] 楊小峰，羅文緩.仿生建筑淺析[J].青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，26(6):66-70.

[4] 陶建紅.仿生建筑學(xué)及其應(yīng)用研究[J].山西建筑，2015，41(4)：5-6.

The public architecture structures in the concept of bionic design and application research

Zhang Peng

(TongliaoRailwayConstructionRealEstateDevelopmentLimitedLiabilityCompany,Tongliao028000,China)

This paper introduced the background of structure bionic production, discussed the types of structure bionic, mainly from the structure bionic and type art, natural environment, economic and technical combination point of views, elaborated the application of bionic concept in public building structure design, to meet the diverse building structure forms.

structure bionic, public building, natural environment, economic technology

1009-6825(2017)10-0053-03

2017-01-21

張 鵬(1966- ),男，工程師

TU318

A