公共建筑結構設計與應用研究

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摘要:介紹了結構仿生產生的背景，論述了結構仿生的類型，主要從結構仿生與造型藝術、自然環境、經濟技術相結合的角度，闡述了仿生理念在公共建筑結構設計中的應用，以滿足多元化的建筑結構形式。

關鍵詞:結構仿生，公共建筑，自然環境，經濟技術

1結構仿生與背景介紹

結構仿生(BionicStructure)一詞，最初起源于自然界，特指從自然環境中的力學特性、結構關系、比例尺度、空間大小以及材料性能等汲取靈感，應用于建筑的結構設計中，進而滿足多元化的建筑結構形式［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(SantiagoCalatrava)認為仿生結構設計分為兩種: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，花草樹木的生長肌理，動物的骨骼、關節等［2］。然而，他所強調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構中提取一系列元素應用到結構設計中。通過這樣的結構設計，可以將結構工程師的嚴謹性與藝術家的創造性緊密結合，形成了以仿生理念為核心的獨特形式，將建筑結構提升到更高的一個層次。

2結構仿生的分類形式

2．1膜結構

膜結構主要是從自然界中胞體體系中演變而來，相比較而言，胞體形式幾何形態較復雜，易認知，多呈現出曲面形態。胞體結構在建筑中的應用主要是承受拉伸力的封閉層面，通常與其他結構共同組合而成。常見的胞體有: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構體系。膜結構是由高強薄膜材料及加強構件通過鏈接使內部形成預張應力，常作為覆蓋結構，可以承受外荷載的空間結構形式。主要分為充氣膜和張拉膜兩種結構［3］。充氣膜結構通過不斷充氣給室內，室內外產生壓力差，屋蓋膜布受到向上的浮力，從而實現較大的跨度。張拉膜結構依靠自身的張拉應力與支撐桿件共同構成，形成某種特殊的空間結構。帳篷即是一種膜結構，有著鮮明的自身特色，利于快速搭建和重建，適宜運輸及靈活布置。在現有的建筑結構中，膜結構也應用較廣。如體育運動場、各類球館、大跨度的展覽廳等，其屋頂都采用了膜結構形式，減輕了建筑自身的重力。

2．2殼結構

殼結構最初起源于動物本身，如烏龜的背甲，呈拱形，跨度大，內涵多種力學原理。僅靠2mm的厚度來抵抗外界的壓力。通過相應的曲面構件，使產生的力均勻的分布在殼表面。在建筑結構中，殼結構即曲面的薄壁結構，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。殼體結構為了適應建筑工程的需要，廣泛應用于大跨度建筑的屋蓋以及中小跨度的屋面板等，大多數情況下由工廠生產后運輸現場進行安裝，快速便捷，是公共建筑中備受歡迎的結構形式。建筑材料的使用也相對靈活，以鋼筋和混凝土為主，也可用鋼、木、石、磚或玻璃鋼做成。殼結構產生的建筑形態優美，經濟適用，樣式多變，在公共建筑中，尤其是體育類建筑中應用廣泛。因此，建筑結構工程師們將該結構特色應用到建筑設計中，如舉世聞名的悉尼歌劇院，北京火車站大廳35m×35m雙曲扁殼，大連港倉庫屋蓋16個23m×23m組合型扭殼，均是典型的實際案例。

3仿生理念在公共建筑結構中的設計與應用

3．1與造型藝術相結合

很多情況下，建筑師往往忽略從建筑結構本身去尋找適合自己的建筑造型，甚至以犧牲建筑的結構空間而過分追求建筑造型。然而，工程師們比建筑師更善于觀察自然界的一切生成規律，已應用現代技術創造了一系列嶄新的仿生結構體系。他們善于發現自然，善于把自然界的肌理應用到建筑結構中，甚至將一片片樹葉的葉脈衍生成建筑的支撐體系。例如，1947年—1949年，意大利結構工程師奈爾維和建筑師巴托利仿照樹葉葉脈肌理，將意大利都靈展覽館的巨型拱頂按照葉脈肌理進行設計，形成了寬93．6m，長75m的拱頂。從下往上看，在設計理念上，接近自然，在造型設計上非常藝術，透過混凝土骨架和玻璃格交織錯落，使得該建筑聞名于世(見圖1)。此外，丹下健三在1964年的東京奧運會建造的游泳館與球類館，利用懸索結構，仿照貝殼的形體，從中間向兩側緩緩卷翹，仿佛是一只只大雁向上起飛(見圖2)。丹下健三將建筑的造型與功能、結構完美結合，是當代建筑結構創作中典型代表，成為了建筑藝術作品的優秀范例。

3．2與自然環境相結合

幾何學是大自然中抽象的代表，而現代化的建筑空間，往往追隨自然，從幾何學中尋找答案。常以直角、水平線和垂直線或曲線等形體，構成建筑的主體結構，仿佛該類型的建筑結構直接從大自然中演變而來。例如氣泡和水滴，通過最小的截面空間，不規則的組合方式，集聚成多，以點帶面，形成了三維空間。國家游泳中心的結構設計是以三維空間的最有效分割為基礎進行的，它是有機細胞的基本構成單位，在礦物質的結晶構造和自然形成的肥皂泡中都可見到。它的外表看似是薄弱的薄膜結構，實際上內部采用了強度較大的鋼結構，實現了鋼結構與外表膜結構相結合的結構形式。圖2日本代代木體育館此外，鳥巢、上海萬人體育場、國家大劇院以及天津保稅區區標等均是國內著名的膜結構建筑，充分利用大自然中的元素為結構基礎，體現了自然元素為主的建筑結構語言(見圖3～圖5)。

3．3與經濟技術相結合

中國目前是一個發展中的國家，在很多行業，尤其是建筑行業，如何用最少的材料和先進的技術成為了重要的使命。在眾多仿生建筑結構中，蜂巢結構由若干個整齊排列的六棱柱形組成，每一個六棱柱的底部由3個相同的菱形組成，與近代數學家們所計算的菱形鈍、銳角完全相同或幾近相同，這種結構最明顯的優勢即節省建筑材料，節約經濟，有著穩定堅固、體積大的優勢，無論是建筑界還是數學界的專家們都嘆為觀止(見圖6)。圖3國家游泳中心圖4國家大劇院圖5上海萬人體育場圖6蜂巢結構模型示意圖例如，新西蘭是一個多地震的國家，國會大廈的建造采用了全木結構形式，其外形設計在原有結構模式下酷似蜂巢，簡潔的蜂巢結構外立面穩定堅固、施工便利、由下到上逐層遞減，減少用料(見圖7)。韓國Kang-nam位于十字路口的一角，以圓孔組合并非表達模型的有效性，而試圖解決暴露于外的雙層結構墻(見圖8)。視角緩解了城市的緊張，通過張力松弛無大體積混凝土和無剛度軟化，形成了特殊的空間場景，是建筑技術與經濟的合理詮釋［4］。此外，蜂巢結構原理還可以應用在航天飛機、人造衛星等部分材料中，集物理、化學性能于一體的多功能結構，為中國的現代化建設節約了經濟和能源，是比較理想的建筑結構形式。

4結語

如何建造良好的可持續發展生態環境，需要當今建筑師、結構工程師們對生物界進行深入的了解，尤其是起支撐作用的建筑結構形式與建筑功能、造型藝術、經濟價值相結合的設計理念，非常值得從業者乃至高校的教師們去倡導。圖7新西蘭國會大廈圖8韓國Kang-nam道十字路口建筑仿生已成為一種新時代潮流，也是建筑文化的新課題。為啟發建筑合理創新，以使城市環境達到生態平衡和持續發展，建筑仿生學乃是一種重要手段。在人類謀求生存，爭取成功并且實現自我的過程中，仿生學的觀點賦予了他們非凡的洞察力。希望更多的專家、學者，合理的利用現有資源，將適宜的、可持續的仿生理念更多的應用到實際工程中，讓建筑結構與建筑本身融為一體，更好的服務人類。

作者:張鵬 單位:通遼鐵建房地產開發有限責任公司

參考文獻:

［1］魏曉華，田長河．結構仿生在大跨度建筑設計中的應用分析［J］．建材與裝飾，2015(7):73-74．

［2］祝玉龍，蔣歡軍．我國鋼結構仿生建筑的應用與展望［J］．結構工程師，2014(4):166-167．

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