金洛羽，胡福良

（1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院建筑學(xué)1801 班，浙江 杭州 310058；2.浙江大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058）

蜜蜂一直被譽(yù)為自然界的“天才建筑師”，蜂巢的結(jié)構(gòu)也啟發(fā)了無數(shù)建筑師的設(shè)計(jì)，從漢娜住宅到紐約的標(biāo)志性建筑The Vessel。而在建筑工程領(lǐng)域，蜂巢獨(dú)特的力學(xué)結(jié)構(gòu)和特性也大放異彩，為現(xiàn)代的建筑工程作出了卓越的貢獻(xiàn)。

1 蜂巢與蜂巢結(jié)構(gòu)

蜂巢是蜜蜂用自身蠟腺所分泌的蜂蠟修筑的為蜂群生活和后代繁殖的處所，由一片片巢脾所構(gòu)成。

蜂巢由工蜂房、雄蜂房、貯蜜區(qū)組成，均由大小不等的六棱柱巢房相互組合而形成。較小的工蜂房占據(jù)了巢脾的大部分，較大的雄蜂房僅占巢脾的一小部分，貯蜜區(qū)位于巢脾的最上部，且其深度超過其他蜂房。

蜜蜂“天才建筑師”的美名主要來自其神奇的蜂巢結(jié)構(gòu)。每一個(gè)蜂房都是嚴(yán)格的六棱柱體，一端是我們可視的六邊形開口，另一端是共邊共底的共用菱形面。

在平面上能滿足密鋪的正多邊形只有正三角形、正方形和正六邊形。而對于正多邊形來說，其邊數(shù)越多就越接近圓，其單體面積也就越大。因此在幾何學(xué)上，正六邊形的建筑結(jié)構(gòu)密合度最高，可使用的空間也最大。在蜂巢中每個(gè)巢房的底部的兩面都與另外的巢房共用邊底，用最少的材料構(gòu)成了最大的空間。巢房底面的3 個(gè)菱形面，也有效地起到互相支撐的作用，防止巢房底破裂。

2 蜂巢結(jié)構(gòu)對建筑的參考價(jià)值

由于六棱柱幾何形狀特質(zhì)，蜂巢具有堅(jiān)固質(zhì)輕、抵抗變形強(qiáng)等力學(xué)性能優(yōu)勢?，F(xiàn)代研究表明，蜂窩結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、比剛度大、隔熱隔音效果好、吸能性強(qiáng)、形狀多樣和較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性等許多優(yōu)良的力學(xué)性能，甚至還可以通過設(shè)計(jì)不同的構(gòu)型來滿足零泊松比或者負(fù)泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)等這類特殊需要[1]。

蜂巢因多墻面的排列和連續(xù)的蜂窩形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以分散承擔(dān)來自各方的外力，使得蜂窩結(jié)構(gòu)對擠壓力的抵抗，比其他幾何形要高許多[2]。

蜂房的底部為3 個(gè)三角形拼接而成的錐形，這可以對側(cè)向力能起到很好的緩沖，同時(shí)從結(jié)構(gòu)上削弱了外力的傳遞效果。大部分的變形都可以由受力點(diǎn)附近的幾個(gè)單元來消解，其他多數(shù)單元?jiǎng)t能保持相對較小的應(yīng)力和變形水平[3]。

3 蜂巢結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用實(shí)例

3.1 蜂巢型混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，體育館等大跨度空間常常要求無柱落在主要使用空間內(nèi)，這就要求其建筑結(jié)構(gòu)采用如網(wǎng)殼等特殊結(jié)構(gòu)。而多層大跨度建筑目前仍需要使用預(yù)應(yīng)力等混凝土框架梁樓板結(jié)構(gòu)[4]。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的框架仍采用十字交叉形，這就導(dǎo)致在某些空間三維受力的結(jié)構(gòu)中，由于梁跨度過長從而導(dǎo)致梁高大大增加，不僅降低了實(shí)際可用層高也浪費(fèi)了大量鋼材。而六邊形的蜂巢結(jié)構(gòu)可以很好地改善這樣的情況。由于其可以密鋪的特性，可以很好地適應(yīng)多樣的空間結(jié)構(gòu)。每個(gè)單元的形狀一致，作為梁的邊長所承擔(dān)的跨度是相同的，這就保證了空間內(nèi)梁高結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性，能通過調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)單元的大小來線性地調(diào)整層高。

蜂巢型混凝土樓蓋和正交樓蓋在力學(xué)上的原理一致，都需要抗剪切負(fù)荷。蜂窩型樓蓋結(jié)構(gòu)落柱較密， 柱數(shù)量多，因此每根柱所支撐的負(fù)荷更小，柱截面相比一般正交樓板尺寸更小，節(jié)省材料[5]。

圖2 蜂窩型樓蓋結(jié)構(gòu)平面示意圖

3.2 仿蜂巢結(jié)構(gòu)鋼節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接一直是結(jié)構(gòu)安全性的重中之重。十字交叉節(jié)點(diǎn)加上多邊形或圓形節(jié)點(diǎn)區(qū)域是目前工程上常用的做法，但是由于工程實(shí)踐中的不確定性因素，這樣的節(jié)點(diǎn)常常存在節(jié)點(diǎn)自重過大，應(yīng)力集中等問題。而蜂窩結(jié)構(gòu)在鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化也提供了仿生學(xué)優(yōu)化的靈感。蜂巢的六邊形結(jié)構(gòu)使節(jié)點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)的形狀劃分和數(shù)量的設(shè)置有了依據(jù)，能快速得到力學(xué)拓?fù)錁?gòu)型。仿蜂巢結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在十字交叉節(jié)點(diǎn)優(yōu)后能形成明顯的薄壁空心特征，形成了類似實(shí)心桿件組成的桁架結(jié)構(gòu)，材料分布更加合理。在仿蜂巢結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，節(jié)點(diǎn)的最大位移、最大等效應(yīng)力和自重都顯著降低，優(yōu)化結(jié)果理想[6]。

3.3 蜂窩輕質(zhì)墻體

蜂巢輕質(zhì)墻體是通過草木纖維制作蜂巢芯材，并以草木纖維水泥加壓板為面材的結(jié)構(gòu)板材。其內(nèi)芯模仿了蜂巢的六邊形結(jié)構(gòu)，巢體結(jié)構(gòu)內(nèi)填充改性聚氨酯環(huán)保材料。墻體板材之間通過限位槽來連接。

蜂巢輕質(zhì)墻體發(fā)揮了蜂巢六棱柱結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，抗震性能優(yōu)越，在實(shí)際工程中有利于設(shè)計(jì)方案本身的力學(xué)優(yōu)化。特別是應(yīng)用于高烈度地震區(qū)的高層建筑，將更有利于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

其墻體相較傳統(tǒng)的混凝土磚塊輕80%，比加氣混凝土輕60%，安裝與調(diào)整更為方便，可以大大減輕建筑工人的勞動(dòng)強(qiáng)度[7]。地震力對鋼混結(jié)構(gòu)配筋量有巨大的影響。由于地震作用是慣性力作用,采用蜂巢結(jié)構(gòu)減少質(zhì)量將會(huì)降低結(jié)構(gòu)承受的地震作用，同時(shí)節(jié)省了鋼材用量。在砌造速度上蜂巢墻比傳統(tǒng)材料快7～20 倍，不僅縮短了建造工期，也降低了結(jié)構(gòu)投資與整體工程造價(jià)[8]。

3.4 蜂窩鋁板

蜂窩鋁板是一種近年來廣泛應(yīng)用于高層建筑幕墻體系上的裝飾材料，有著密度小、強(qiáng)度高、剛度大等優(yōu)點(diǎn)。主要選用合金鋁板或高錳合金鋁板制成的六邊形蜂窩作為基材內(nèi)芯，氟碳滾涂板作為面材。

蜂窩鋁板的空心結(jié)構(gòu)使其大大降低了材料自重荷載，相比于常見的龍骨加大塊分割玻璃幕墻的做法大大減輕了重量。而在其他板材裝飾中常見的中段材料因剛度不夠而造成的變形問題，由于蜂窩構(gòu)造的剛度特性也可以被很好地克服解決。同時(shí)材料抗震性能好，由于中空的特質(zhì)，蜂窩鋁板隔音隔熱效果好，外加一層覆膜也可以完成防水防潮等功能[9]。

在向蜂窩鋁板內(nèi)空心結(jié)構(gòu)填充不同耐火或聚合物基復(fù)合材料后，也可以作為泡沫三明治板，用于隔墻結(jié)構(gòu)?？梢圆贾迷谠∈?、廚房以及其他內(nèi)外墻。

3.5 蜂巢簾

蜂巢簾又稱風(fēng)琴簾，使用時(shí)類似于手風(fēng)琴緩緩拉開，但截面形狀則與蜂巢類似。中空的結(jié)構(gòu)有利于存儲(chǔ)一定量的空氣，利用空氣本身的持溫特性，可以較為環(huán)保地保持室內(nèi)溫度的恒定。根據(jù)研究，蜂巢簾節(jié)能效果優(yōu)于固定遮陽篷。對于單層透明窗戶，蜂巢簾布置于建筑總能耗最小[10]。在夏熱冬冷地區(qū)，蜂巢簾是居住建筑遮陽方式的優(yōu)選。六邊形的截面也可以充分發(fā)揮其剛度特性，避免因自身重力不斷伸展拉長后上部截面的變形，在視覺上做到了統(tǒng)一。

相比普通的百葉窗，蜂巢簾也有著易于清潔的特點(diǎn)，拉繩可以隱藏在氣囊層中，日常使用也比傳統(tǒng)百葉窗更加簡單。

圖5 蜂巢簾

3.6 快速裝配式蜂窩體住宅

在災(zāi)后重建時(shí)常常需要在受災(zāi)地快速地為災(zāi)民們搭建臨時(shí)性的居所，而這些居所不僅要滿足輕質(zhì)、便于運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)也需要較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來保證災(zāi)民不受到二次災(zāi)害的波及。

建筑師們也做了許多嘗試，如坂茂的紙管建筑和聯(lián)合國的可變塑料支篷等。在蜂窩板問世后，通過利用其獨(dú)特的力學(xué)性能，蜂窩結(jié)構(gòu)也在受災(zāi)的第一線發(fā)揮了自己的長處。

目前有許多運(yùn)用PLA 材料3D 打印的臨時(shí)建筑復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)，可以更好地提高遇到災(zāi)難后臨時(shí)性建筑的制作效率與抗震等性能。3D打印的蜂窩結(jié)構(gòu)可以作為一種快速的可取得材料被用于制作大空間的難民居所。而對不同蜂窩結(jié)構(gòu)的3D 打印試驗(yàn)測試證明蜂窩結(jié)構(gòu)比目前許多臨時(shí)性建筑所使用的材料構(gòu)造強(qiáng)度更高，也更適用多種受災(zāi)情況，可以作為未來的快速裝配住宅推廣[11]。

4 結(jié)語

蜂巢獨(dú)特的力學(xué)性能一直啟發(fā)著建筑的發(fā)展，促進(jìn)了建筑本身的設(shè)計(jì)優(yōu)化，在現(xiàn)代的建筑領(lǐng)域作出了重大的貢獻(xiàn)。在未來建筑的發(fā)展中，蜂巢結(jié)構(gòu)也在新技術(shù)的發(fā)展下走在應(yīng)用的前沿，繼續(xù)發(fā)揮著自己的特性。