【摘要】本文試從自然界中的薄殼結(jié)構(gòu)入手，談討建筑在結(jié)構(gòu)方面的仿生：從圓頂薄殼探討大空間建筑的抗壓；從柱面薄殼探討高聳建筑的抗風(fēng)。同時針對幾個具體的建筑淺談薄殼結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，以期通過本文，進(jìn)一步激發(fā)我們探索自然的好奇心和結(jié)構(gòu)構(gòu)思的靈感。
　　【關(guān)鍵字】薄殼結(jié)構(gòu)；建筑結(jié)構(gòu)仿生；大空間建筑；抗壓；高聳建筑；抗風(fēng)
　　
　　1．建筑結(jié)構(gòu)仿生概述
　　1960年在DAYTON市（美國俄亥俄州）的研討會上提出：生物的原型是打開新技術(shù)奧秘的鑰匙，從而首次確立了仿生學(xué)的法律地位。[1]建筑仿生學(xué)則是仿生學(xué)的一個重要分支。它試圖通過大自然獲取布置結(jié)構(gòu)形式的靈感，使得傳力更加合理。
　　正如達(dá)•芬奇所說,“人類的靈性將會創(chuàng)造出多樣的發(fā)明來，但是他們并不能使這些發(fā)明更美妙、更簡潔、更明朗；因?yàn)樽匀坏漠a(chǎn)物都是恰到好處的。”事實(shí)上，各種生物的結(jié)構(gòu)不乏可供人們效仿的典范，它們由內(nèi)至外無處不體現(xiàn)著對空間、能源利用的高適應(yīng)性、高科技性、以及經(jīng)濟(jì)合理性。因此無論是一個小小的蛋殼，還是挺拔的竹子，抑或是隨處可見的蘆葦都成為了我們建筑結(jié)構(gòu)的雛形，由它們所引發(fā)的建筑結(jié)構(gòu)的變革也不斷推動著建筑結(jié)構(gòu)的完善。
　　
　　2．薄殼結(jié)構(gòu)仿生
　　2.1概述
　　薄殼結(jié)構(gòu)是一種曲面的薄壁結(jié)構(gòu)，按曲面生成的形式分為筒殼、圓頂薄殼等。殼體能充分利用材料強(qiáng)度，同時又能將承重與圍護(hù)兩種功能融合為一。生物界中，各種蛋殼、貝殼、烏龜殼以及人的頭蓋骨等都是一種曲率均勻、質(zhì)地輕巧的“薄殼結(jié)構(gòu)”。這種“薄殼結(jié)構(gòu)”的表面雖然很薄，但非常耐壓。
　　2.2圓頂薄殼——大空間建筑與抗壓
　　談到圓頂薄殼，我們會很自然地想到平常最熟悉不過的蛋殼。從幾何形態(tài)上看，蛋殼的厚跨比可達(dá)1：120，以極少的材料創(chuàng)造了廣大的空間。從受力方面來看，實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)雞蛋均勻受力時，它可以承受34.1kN——相當(dāng)于本身重量六百多倍的壓力而不被破壞。蛋殼具有如此大的承受力，是與它特有的蛋形曲線和科學(xué)的結(jié)構(gòu)分不開的。蛋殼結(jié)構(gòu)可分為三層：外層為表皮層，中層為海綿層，內(nèi)層為乳頭層。這三層具有不同彈性模量的顯微結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個天然的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系，從而形成了一個科學(xué)的傳力路徑，很好地將力分散至外部，有效地避免了應(yīng)力集中。
　　讓我們進(jìn)一步分析弧形圓頂?shù)氖軌簝?yōu)勢。在如圖1所示的實(shí)驗(yàn)中[3]，將兩個蛋殼懸空放置，一個圓弧朝上（A），另一個朝下(B)，在高處拿一支筆，讓其自由落體并擊中蛋殼，鉛筆與蛋殼的間距達(dá)到某個高度時，蛋殼B首先破碎。其中的原因可從兩方面分析。一方面，如圖2所示，當(dāng)力F垂直作用于蛋殼時，它在兩蛋殼表面各自產(chǎn)生分力T1和T2。對于蛋殼來說，從微觀角度看，不受外力作用時，它的分子間距在左右。對蛋殼A，F(xiàn)作用瞬間，分子間距減小，從圖3可知，<,分子力表現(xiàn)為斥力；相應(yīng)的，蛋殼B處，分子力表現(xiàn)為引力。從圖3可知，在產(chǎn)生相同的變形時（如各自到達(dá)圖中c、d點(diǎn)），，因此，從宏觀上看，蛋殼A自然可承受更大的力。另一方面，由于實(shí)際中，F(xiàn)并不會完全垂直降落，這就使得A所承受的力僅為F的一個明顯減小的分力。而對內(nèi)凹的B殼，F(xiàn)的傾斜并不會帶來明顯的減力效果。綜上分析，我們了解了蛋殼弧形外殼的有利作用。
　　
　　另一方面，從結(jié)構(gòu)自身來說，由于蛋殼有縱橫兩個方向的曲率，使其形成一自然剛度很大的殼體。這種曲面殼體剛度大的原因可作如下的分析：如果我們沿橢殼的長軸方向取出一個狹長窄條，它在單獨(dú)受力時類似于拱結(jié)構(gòu)，在僅承受自重的情形下，上部有下陷的變形趨勢；而下部有外張變形趨勢。無數(shù)個窄條所組成的殼面內(nèi)的力彼此作用，因而形成了一個剛勁的殼體。[4]
　　因此，無論從結(jié)構(gòu)的傳力路徑還是從結(jié)構(gòu)自身的剛度分析，蛋殼的這種結(jié)構(gòu)形式都對于我們的建筑有著很好的啟迪作用。所以以蛋殼為原型，我們在建筑引入了圓頂薄殼這一結(jié)構(gòu)類型的建筑。這是一種正高斯曲率的旋轉(zhuǎn)曲面殼，由殼面與支座環(huán)組成，殼面厚度做得很薄，一般為曲率半徑的1／600，跨度可以很大。支座環(huán)對圓頂殼起到圍箍的作用，并通過它將整個薄殼擱置在支承構(gòu)件上。
　　基于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的這種良好的空間傳力性和能以較小的構(gòu)件厚度形成承載能力高、剛度大的承重結(jié)構(gòu)，能覆蓋或維護(hù)大跨度的空間而不需中間支柱的特點(diǎn)，我們將其廣泛應(yīng)用在了大跨度大空間的建筑中，如火車站、飛機(jī)場、大劇院等。縱觀歷史，我們會發(fā)現(xiàn)無論是文藝復(fù)興時期建造的意大利佛羅倫薩主教堂和圣彼得大教堂還是第一個半圓形薄殼結(jié)構(gòu)——德國蔡斯工廠天文館，抑或是美國通用汽車公司技術(shù)中心，我們都能看到曲殼結(jié)構(gòu)的身影。
　　而在我國，談到網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)建筑，就不得不談我們的國家大劇院。國家大劇院是由法國建筑師保羅•安德魯主持設(shè)計(jì)，北京市建筑設(shè)計(jì)研究院參與主體設(shè)計(jì)的。從1958年周恩來總理親自選址，到2007年項(xiàng)目建成，國家大劇院這個國家的標(biāo)志建筑歷時整整49年最終落成。為了與人民大會堂交相呼應(yīng)，卻又不喧賓奪主，建筑師巧妙地將蛋殼的造型應(yīng)用到了這一公眾期待極高的建筑中。當(dāng)然，當(dāng)這一方案中標(biāo)后，玄即引起了媒體的廣泛關(guān)注。在批評與贊美聲中，這個“蛋殼”最終堅(jiān)守了下來。下面讓我們進(jìn)一步來看看它是如何仿生的：
　　該工程外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼，是半橢圓球形，東西長軸212.2m，南北短軸143.64m，總高度46.285m，當(dāng)之無愧地成為了具有世界上最大的穹頂?shù)慕ㄖ�。大劇院�?nèi)設(shè)歌劇院2416席、音樂廳2017席及戲劇院1040席，充分體現(xiàn)了殼體結(jié)構(gòu)大空間的優(yōu)越性能。網(wǎng)殼由徑向及環(huán)向桿件組成并在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)交叉斜撐。徑向桿件為鋼板截面和T型截面組成的兩種類型的實(shí)腹桁架，環(huán)向則由單桿組成。[5]
　　利用彈性力學(xué)知識，殼體的應(yīng)力是與其邊緣相切的，因此一根根沿切向布置的桿件恰恰保證了殼體應(yīng)力的短捷傳遞和殼體的穩(wěn)定性。大劇院的橢球形的屋面是由雙向曲率的大曲面所組成的，屋頂邊緣肋條斷面隨所負(fù)荷的增加而向支撐方向增大，同時使薄殼得以加強(qiáng)而不會變形。
　　國家大劇院整個鋼結(jié)構(gòu)的頂部被稱為頂環(huán)梁，它的作用是固定和聯(lián)通擁有巨大跨度的鋼骨架，當(dāng)一根骨架受到壓力時（如圖4），它會把力傳到頂環(huán)梁上，由于頂環(huán)梁連接著所有的鋼骨架，它就會把一根鋼梁受到的巨大壓力，分配到整個鋼結(jié)構(gòu)上。這很自然地讓我們聯(lián)想到上文談到的蛋殼的實(shí)驗(yàn)。頂環(huán)梁所受的壓力正像是鉛筆尖對蛋殼A的沖擊力，我們的結(jié)構(gòu)不會像有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)一樣細(xì)密規(guī)整，恰好達(dá)到的水平，從而通過分子間斥力的積累產(chǎn)生抵抗力。但是通過設(shè)計(jì)頂環(huán)梁——鋼梁的網(wǎng)架體系，我們?nèi)匀粸榱φ业搅擞行У膫鬟f路徑。我想這正是本建筑結(jié)構(gòu)仿生的絕妙之筆。

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