淺談建筑結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)

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摘要：建筑代表著一個(gè)時(shí)代的時(shí)代精神、審美特征和科學(xué)技術(shù)水平。仿生學(xué)作為一門獨(dú)立的綜合性學(xué)科正在蓬勃發(fā)展，將仿生設(shè)計(jì)原理與建筑設(shè)計(jì)相結(jié)合無疑是建筑設(shè)計(jì)的有益嘗試。從仿生設(shè)計(jì)原理入手，探討仿生設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，以建筑仿生設(shè)計(jì)中的纖維結(jié)構(gòu)、氣泡結(jié)構(gòu)、螺旋結(jié)構(gòu)、骨干結(jié)構(gòu)和殼體結(jié)構(gòu)為研究對象，結(jié)合仿生設(shè)計(jì)原理進(jìn)行實(shí)際案例分析，為建筑結(jié)構(gòu)提供了新的設(shè)計(jì)方法和思路。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；仿生設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)原理；技術(shù)應(yīng)用

1960年仿生學(xué)作為一門獨(dú)立的學(xué)科正式成立。21世紀(jì)建筑學(xué)領(lǐng)域掀起了一場仿生設(shè)計(jì)運(yùn)動，而建筑結(jié)構(gòu)仿生是建筑仿生設(shè)計(jì)中發(fā)展較為迅速的分支學(xué)科。近幾十年以來，世界各國的設(shè)計(jì)師對建筑結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)進(jìn)行了勇敢的嘗試，創(chuàng)作出了新穎的結(jié)構(gòu)，使建筑更加安全、經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能和適用，形成了一套完整仿生建筑結(jié)構(gòu)理論與實(shí)踐體系，使建筑設(shè)計(jì)煥發(fā)出了無限生機(jī)。

1建筑結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)的理論依據(jù)

生物在世界上存活了數(shù)萬年之久，它們?yōu)榱松娑粩嗤晟谱约旱能|干組織結(jié)構(gòu)，獲得了更加順應(yīng)自然、更加堅(jiān)固的自我防御系統(tǒng)，從而得以生存和繁衍。它們擁有美麗的形態(tài)、奇妙的結(jié)構(gòu)和驚人的本領(lǐng)，吸引著人類去借鑒和模仿。仿生學(xué)是人類受自然界啟示，汲取靈感進(jìn)行再創(chuàng)造，創(chuàng)作出更好的設(shè)計(jì)。建筑是人類之居，將人類之居植根于自然是十分必要的。建筑仿生學(xué)以仿生設(shè)計(jì)原理為依據(jù)，提取和升華大自然中對建筑設(shè)計(jì)有益的因素，將其運(yùn)用于建筑設(shè)計(jì)中。建筑與生態(tài)環(huán)境相互作用，使建筑更好融入大自然的美麗中，達(dá)到人和自然的和諧統(tǒng)一。在建筑設(shè)計(jì)的諸多構(gòu)成要素中，建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新與合理化配置是不可或缺的重要組成部分。深入研究建筑結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)的理論和實(shí)踐，對于建筑結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、合理化設(shè)計(jì)研究有著重要的意義。

2仿生元素在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

2.1纖維結(jié)構(gòu)仿生

在研究一個(gè)生物體時(shí)，研究者最先研究的是它的基本組成部分。世界上大部分生物體是由細(xì)胞和纖維結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，但生物體并不是細(xì)胞簡單堆砌，它們會按照一定的規(guī)律進(jìn)行排列和組合，形成各種各樣的纖維結(jié)構(gòu)，纖維結(jié)構(gòu)有獨(dú)特的受拉特性，人們從此特性中汲取靈感，創(chuàng)造了懸索結(jié)構(gòu)和索膜結(jié)構(gòu)。在自然界中很少有類似懸索結(jié)構(gòu)的物體，蜘蛛網(wǎng)的織造結(jié)構(gòu)與其有幾分相似之處。懸索結(jié)構(gòu)最初運(yùn)用于懸索橋，建筑采用這種結(jié)構(gòu)的想法是從懸索橋得來的。建筑懸索結(jié)構(gòu)是以成組正交的纜索張拉而成相互反向的曲面，從而產(chǎn)生三維穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。日本設(shè)計(jì)師丹下健三設(shè)計(jì)的奧運(yùn)會主場館——東京代代木體育館是懸索結(jié)構(gòu)的典型案例。屋頂造型采用了經(jīng)典的鞍形索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，采用似于懸索橋的設(shè)計(jì)手法，長軸方向由兩根鋼筋混凝土桅桿柱支撐，由數(shù)根鋼索牽引起兩片新月形的建筑主體結(jié)構(gòu)，從建筑外觀來看非常優(yōu)美和靈動。在很早之前，人類借鑒蝙蝠翅膀或者水鳥蹼的構(gòu)成結(jié)構(gòu)，發(fā)明制作了帳篷，帳篷的造型本身就是一種建筑結(jié)構(gòu)，值得在建筑設(shè)計(jì)中廣泛借鑒和采用。德國設(shè)計(jì)師弗賴·奧托首次大規(guī)模應(yīng)用了支撐膜技術(shù)，他設(shè)計(jì)的蒙特利爾世博會德國館采用了金屬索和高分子聚合材料制成的薄膜，以14～35m高的桅桿支撐，索網(wǎng)傳力給各桅桿，每50cm設(shè)立一個(gè)支點(diǎn)，以輕便靈活的網(wǎng)夾固定，覆蓋面積約8000m2。這種建筑結(jié)構(gòu)具有成本較低、設(shè)計(jì)風(fēng)格簡約、輕便易拆卸等優(yōu)點(diǎn)。蒙特利爾世博會德國館是網(wǎng)索結(jié)構(gòu)支撐的帳篷式構(gòu)筑物的實(shí)驗(yàn)性設(shè)計(jì)，是世界建筑史上一座燦爛的里程碑。

2.2氣泡結(jié)構(gòu)仿生

氣泡在生物界廣泛存在，藍(lán)蜻蜓的翅膀采用由薄膜構(gòu)成的不封閉的充氣結(jié)構(gòu)，魚肚子中的魚鰾采用封閉性的充氣結(jié)構(gòu)。將充氣結(jié)構(gòu)應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)方面，可以使建筑具有用料少、重量輕、施工快、易調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。北京奧運(yùn)會國家游泳中心“水立方”成功采用了由氣泡仿生理論衍生出來的充氣膜結(jié)構(gòu)。“水立方”主體鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以氣泡原理為基礎(chǔ)，將大大小小的氣枕覆蓋在建筑內(nèi)外表面，氣枕采用了環(huán)保節(jié)能型的新材料——ETFE薄膜。它具有保溫、透光、抗老化、抗腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。“水立方”結(jié)合國內(nèi)外先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，并大膽創(chuàng)新，填補(bǔ)了中國ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的空白。

2.3螺旋結(jié)構(gòu)仿生

螺旋結(jié)構(gòu)在生物界是一種很常見的結(jié)構(gòu)，海蝦窩以螺旋狀的形態(tài)抵擋巨大的洋流，蝸牛和貝類憑借螺旋狀堅(jiān)固的外殼得以在自然界中存活。由此可見，螺旋狀結(jié)構(gòu)可以使構(gòu)造物更加堅(jiān)固。瑞士再保險(xiǎn)總部大樓和日本東京千年塔是將這一原理運(yùn)用到實(shí)踐的成功范例。諾曼·福斯特所設(shè)計(jì)的瑞士再保險(xiǎn)總部大樓外表看起來像一枚子彈，整體上成螺旋形，建筑物每一層的直徑都各不相同，大樓中央巨大的圓柱形主力場是整個(gè)建筑的重力支撐，建筑外觀比尋常的矩形狀塔顯得更加纖細(xì)。日本東京千年塔是諾曼·福斯特的又一得意之作，同樣的螺旋狀結(jié)構(gòu)建筑體現(xiàn)著他的理想化建筑的設(shè)計(jì)理念，170層樓可以同時(shí)用于商用和居住，每13層有一個(gè)交通中轉(zhuǎn)站，可同時(shí)容納60000人。千年塔的設(shè)計(jì)融入了環(huán)保理念，是目前最環(huán)保的科學(xué)理想化城市方案之一。

2.4骨干結(jié)構(gòu)仿生

2.4.1植物枝杈結(jié)構(gòu)植物枝杈結(jié)構(gòu)應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)中，可以使建筑外表美觀、受力均勻、固若金湯，節(jié)省建筑材料。西班牙建筑師CALATRAVA素有結(jié)構(gòu)詩人之稱，他曾受高迪啟發(fā)，建筑作品中飽含浪漫主義色彩，如雕塑般美麗。他所設(shè)計(jì)的里斯本東方火車站采用了植物枝杈結(jié)構(gòu)仿生的設(shè)計(jì)方法，其設(shè)計(jì)構(gòu)思是在繁華都市的水泥路上建造小樹林，由自然所引發(fā)的靈感給予建筑靈魂和生命。創(chuàng)造性地運(yùn)用了植物枝杈結(jié)構(gòu)元素，在設(shè)計(jì)中取得了非凡的藝術(shù)效果。

2.4.2動物骨架結(jié)構(gòu)在10世紀(jì)的羅馬時(shí)期，人們?yōu)榱藴p少圓拱的厚度、保持圓拱的剛性，借鑒了動物的腹部骨架結(jié)構(gòu)，成功創(chuàng)造出了拱肋結(jié)構(gòu)，并投入使用。哥特時(shí)期的建筑設(shè)計(jì)師將這種結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化，創(chuàng)造了拱、肋、飛扶壁、扶券等建筑結(jié)構(gòu)。從力學(xué)的角度來說，這種結(jié)構(gòu)可以使建筑更加牢固，更加節(jié)省建筑材料。從美學(xué)的角度來說，這種建筑結(jié)構(gòu)可以使建筑擺脫厚重的墻體，僅用拱肋結(jié)構(gòu)及柱子支撐，建筑外部形態(tài)輕盈、自然、優(yōu)美。從實(shí)用的角度來說，這種建筑結(jié)構(gòu)可以使窗戶面積增大，陽光能夠更好灑進(jìn)來，從而加強(qiáng)室內(nèi)外空間的交流，使建筑內(nèi)部空間顯得更加明亮、大氣。文藝復(fù)興時(shí)期，布魯內(nèi)列斯基在設(shè)計(jì)佛羅倫薩大教堂穹頂時(shí)就采用了這種建筑結(jié)構(gòu)。

2.5殼體結(jié)構(gòu)仿生

2.5.1單曲面殼體竹竿、草埂是自然界中圓柱形殼體的典型代表，圓柱體切開的部分是殼體結(jié)構(gòu)的基本型。德國在20世紀(jì)20年代時(shí)，人類便開始建造圓柱形殼體，弗蘭克福和布達(dá)佩斯的中央市場是采用圓柱形殼體結(jié)構(gòu)的典型代表。芬蘭設(shè)計(jì)師威里歐若威爾所設(shè)計(jì)的多倫多市政廳從結(jié)構(gòu)上來看，建筑設(shè)計(jì)采用了圓柱形殼結(jié)構(gòu)，將圓柱體弧段的中空型應(yīng)用于建筑豎向構(gòu)架，由兩棟曲線型大樓和拱形的市會議大樓組成，建筑的輪廓形狀似含珠之蚌，給人以優(yōu)美敦實(shí)厚重之感。

2.5.2雙曲面殼體所有的旋轉(zhuǎn)殼體都具有雙向曲面，它們基本完全對稱的原型是球體。在自然界中的球體隨處可見，魚子、水果、人類的眼睛大致是個(gè)球體，人類受此啟發(fā)后，將這種結(jié)構(gòu)運(yùn)用到建筑設(shè)計(jì)中，便有了最初的雙曲面殼體的建筑結(jié)構(gòu)。1925年，奧斯卡·馮·米勒館長在耶拿建造出第一個(gè)擁有半球殼體的屋頂?shù)奶煳酿^——蔡司天文館，后來柏林、萊比錫和德雷斯登也建造了類似結(jié)構(gòu)的建筑。1960年奈爾維設(shè)計(jì)建造的羅馬奧運(yùn)會的大體育宮也采用了這一建筑結(jié)構(gòu)。建筑內(nèi)部叉性柱順著原頂邊緣相切的方向傾斜，圓頂里的葵花瓣似的特殊肋承受外力，放射性拱肋的構(gòu)造形式支撐著混凝土彎頂，頂?shù)暮穸戎挥?cm，邊緣波浪設(shè)計(jì)有利于防止相鄰支承之間薄殼邊緣的撓曲，達(dá)到了技術(shù)與藝術(shù)的統(tǒng)一。

2.5.3自由形態(tài)殼體自然界中有很多殼體是以自由形態(tài)呈現(xiàn)在人類面前的，這些自由形態(tài)的殼體結(jié)構(gòu)形式是各種因素綜合導(dǎo)致的。例如，人類的頭蓋骨呈扁球體狀，類似于殼體結(jié)構(gòu)，表面是由大大小小、相互嚙合的骨板組成，在外力的作用下，這些相互嚙合的骨板可以使頭蓋骨有一定的彈性，可以有效保護(hù)大腦不受傷害。芬蘭建筑大師埃羅·沙里寧所設(shè)計(jì)的紐約環(huán)球航空公司航站樓的建筑結(jié)構(gòu)和人類頭蓋骨的構(gòu)造結(jié)構(gòu)很相似。航站樓的屋頂由四片組合式澆鋼筋混凝土殼體構(gòu)成，這幾片殼體有幾個(gè)點(diǎn)相連，薄殼下有丫形柱支撐，空隙處設(shè)有天窗，縫隙采光增添了幾分設(shè)計(jì)的機(jī)趣，并使內(nèi)部空間富有變化。建筑外觀呈自由曲線型，將建筑結(jié)構(gòu)和形式美完美地融合了起來，是建筑史上一座不可超越的豐碑。

3結(jié)論

人類生活在大自然中，和大自然不可分離。與此同時(shí)，大自然也是人類的導(dǎo)師，從方方面面啟發(fā)著人類的思想，激發(fā)著人類的創(chuàng)作靈感，挖掘著人類的潛能。建筑結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)不僅豐富了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的表達(dá)形式，為建筑設(shè)計(jì)創(chuàng)新提供不竭的源泉和動力，也有助于人類建造經(jīng)濟(jì)安全、美觀實(shí)用、高效節(jié)能的生態(tài)建筑。設(shè)計(jì)者進(jìn)行建筑仿生設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該以尊重自然規(guī)律、精準(zhǔn)綜合考慮多種客觀因素為前提，恰當(dāng)?shù)貙⒆匀唤绲慕Y(jié)構(gòu)原理運(yùn)用到建筑設(shè)計(jì)中，以最少的代價(jià)取得最大的收獲，創(chuàng)作出技術(shù)與藝術(shù)完美融合的建筑。

參考文獻(xiàn)：

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作者：張之杰 單位：武漢工程大學(xué)