金洛羽，胡福良

（1.浙江大學建筑工程學院建筑學1801 班，浙江 杭州 310058；2.浙江大學動物科學學院，浙江 杭州 310058）

蜜蜂一直被譽為自然界的“天才建筑師”，蜂巢的結(jié)構(gòu)也啟發(fā)了無數(shù)建筑師的設計，從漢娜住宅到紐約的標志性建筑The Vessel。而在建筑工程領域，蜂巢獨特的力學結(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。

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)。每一個蜂房都是嚴格的六棱柱體，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)對建筑的參考價值

由于六棱柱幾何形狀特質(zhì)，蜂巢具有堅固質(zhì)輕、抵抗變形強等力學性能優(yōu)勢?，F(xiàn)代研究表明，蜂窩結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、比強度高、比剛度大、隔熱隔音效果好、吸能性強、形狀多樣和較強的可設計性等許多優(yōu)良的力學性能，甚至還可以通過設計不同的構(gòu)型來滿足零泊松比或者負泊松比蜂窩結(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附近的幾個單元來消解，其他多數(shù)單元則能保持相對較小的應力和變形水平[3]。

3 蜂巢結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應用實例

3.1 蜂巢型混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)

隨著經(jīng)濟的發(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應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致梁高大大增加，不僅降低了實際可用層高也浪費了大量鋼材。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，可以很好地適應多樣的空間結(jié)構(gòu)。每個單元的形狀一致，作為梁的邊長所承擔的跨度是相同的，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)設計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上的原理一致，都需要抗剪切負荷。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)點優(yōu)化

鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點連接一直是結(jié)構(gòu)安全性的重中之重。十字交叉節(jié)點加上多邊形或圓形節(jié)點區(qū)域是目前工程上常用的做法，但是由于工程實踐中的不確定性因素，這樣的節(jié)點常常存在節(jié)點自重過大，應力集中等問題。而蜂窩結(jié)構(gòu)在鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點優(yōu)化也提供了仿生學優(yōu)化的靈感。蜂巢的六邊形結(jié)構(gòu)使節(jié)點連接結(jié)構(gòu)的形狀劃分和數(shù)量的設置有了依據(jù)，能快速得到力學拓撲構(gòu)型。仿蜂巢結(jié)構(gòu)節(jié)點在十字交叉節(jié)點優(yōu)后能形成明顯的薄壁空心特征，形成了類似實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)點的最大位移、最大等效應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)的力學特性，抗震性能優(yōu)越，在實際工程中有利于設計方案本身的力學優(yōu)化。特別是應用于高烈度地震區(qū)的高層建筑，將更有利于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。

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強度[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)量將會降低結(jié)構(gòu)承受的地震作用，同時節(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[8]。

3.4 蜂窩鋁板

蜂窩鋁板是一種近年來廣泛應用于高層建筑幕墻體系上的裝飾材料，有著密度小、強度高、剛度大等優(yōu)點。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∈摇N房以及其他內(nèi)外墻。

3.5 蜂巢簾

蜂巢簾又稱風琴簾，使用時類似于手風琴緩緩拉開，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，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

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

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，通過利用其獨特的力學性能，蜂窩結(jié)構(gòu)也在受災的第一線發(fā)揮了自己的長處。

目前有許多運用PLA 材料3D 打印的臨時建筑復合夾層結(jié)構(gòu)，可以更好地提高遇到災難后臨時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 打印試驗測試證明蜂窩結(jié)構(gòu)比目前許多臨時性建筑所使用的材料構(gòu)造強度更高，也更適用多種受災情況，可以作為未來的快速裝配住宅推廣[11]。

4 結(jié)語

蜂巢獨特的力學性能一直啟發(fā)著建筑的發(fā)展，促進了建筑本身的設計優(yōu)化，在現(xiàn)代的建筑領域作出了重大的貢獻。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)展下走在應用的前沿，繼續(xù)發(fā)揮著自己的特性。