摘要:介紹了結(jié)構(gòu)仿生產(chǎn)生的背景，論述了結(jié)構(gòu)仿生的類型，主要從結(jié)構(gòu)仿生與造型藝術(shù)、自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)技術(shù)相結(jié)合的角度，闡述了仿生理念在公共建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以滿足多元化的建筑結(jié)構(gòu)形式。

關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)仿生，公共建筑，自然環(huán)境，經(jīng)濟(jì)技術(shù)

1結(jié)構(gòu)仿生與背景介紹

結(jié)構(gòu)仿生(BionicStructure)一詞，最初起源于自然界，特指從自然環(huán)境中的力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)關(guān)系、比例尺度、空間大小以及材料性能等汲取靈感，應(yīng)用于建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，進(jìn)而滿足多元化的建筑結(jié)構(gòu)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(rèn)為仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shù)木的生長(zhǎng)肌理，動(dòng)物的骨骼、關(guān)節(jié)等［2］。然而，他所強(qiáng)調(diào)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(jié)構(gòu)中提取一系列元素應(yīng)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。通過(guò)這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以將結(jié)構(gòu)工程師的嚴(yán)謹(jǐn)性與藝術(shù)家的創(chuàng)造性緊密結(jié)合，形成了以仿生理念為核心的獨(dú)特形式，將建筑結(jié)構(gòu)提升到更高的一個(gè)層次。

2結(jié)構(gòu)仿生的分類形式

2．1膜結(jié)構(gòu)

膜結(jié)構(gòu)主要是從自然界中胞體體系中演變而來(lái)，相比較而言，胞體形式幾何形態(tài)較復(fù)雜，易認(rèn)知，多呈現(xiàn)出曲面形態(tài)。胞體結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用主要是承受拉伸力的封閉層面，通常與其他結(jié)構(gòu)共同組合而成。常見(jiàn)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(jié)構(gòu)體系。膜結(jié)構(gòu)是由高強(qiáng)薄膜材料及加強(qiáng)構(gòu)件通過(guò)鏈接使內(nèi)部形成預(yù)張應(yīng)力，常作為覆蓋結(jié)構(gòu)，可以承受外荷載的空間結(jié)構(gòu)形式。主要分為充氣膜和張拉膜兩種結(jié)構(gòu)。充氣膜結(jié)構(gòu)通過(guò)不斷充氣給室內(nèi)，室內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，屋蓋膜布受到向上的浮力，從而實(shí)現(xiàn)較大的跨度。張拉膜結(jié)構(gòu)依靠自身的張拉應(yīng)力與支撐桿件共同構(gòu)成，形成某種特殊的空間結(jié)構(gòu)。帳篷即是一種膜結(jié)構(gòu)，有著鮮明的自身特色，利于快速搭建和重建，適宜運(yùn)輸及靈活布置。在現(xiàn)有的建筑結(jié)構(gòu)中，膜結(jié)構(gòu)也應(yīng)用較廣。如體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、各類球館、大跨度的展覽廳等，其屋頂都采用了膜結(jié)構(gòu)形式，減輕了建筑自身的重力。

2．2殼結(jié)構(gòu)

殼結(jié)構(gòu)最初起源于動(dòng)物本身，如烏龜?shù)谋臣�，呈拱形，跨度大，�?nèi)涵多種力學(xué)原理。僅靠2mm的厚度來(lái)抵抗外界的壓力。通過(guò)相應(yīng)的曲面構(gòu)件，使產(chǎn)生的力均勻的分布在殼表面。在建筑結(jié)構(gòu)中，殼結(jié)構(gòu)即曲面的薄壁結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)為了適應(yīng)建筑工程的需要，廣泛應(yīng)用于大跨度建筑的屋蓋以及中小跨度的屋面板等，大多數(shù)情況下由工廠生產(chǎn)后運(yùn)輸現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝，快速便捷，是公共建筑中備受歡迎的結(jié)構(gòu)形式。建筑材料的使用也相對(duì)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生的建筑形態(tài)優(yōu)美，經(jīng)濟(jì)適用，樣式多變，在公共建筑中，尤其是體育類建筑中應(yīng)用廣泛。因此，建筑結(jié)構(gòu)工程師們將該結(jié)構(gòu)特色應(yīng)用到建筑設(shè)計(jì)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(cāng)庫(kù)屋蓋16個(gè)23m×23m組合型扭殼，均是典型的實(shí)際案例。

3仿生理念在公共建筑結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3．1與造型藝術(shù)相結(jié)合

很多情況下，建筑師往往忽略從建筑結(jié)構(gòu)本身去尋找適合自己的建筑造型，甚至以犧牲建筑的結(jié)構(gòu)空間而過(guò)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(guī)律，已應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)創(chuàng)造了一系列嶄新的仿生結(jié)構(gòu)體系。他們善于發(fā)現(xiàn)自然，善于把自然界的肌理應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)中，甚至將一片片樹(shù)葉的葉脈衍生成建筑的支撐體系。例如，1947年—1949年，意大利結(jié)構(gòu)工程師奈爾維和建筑師巴托利仿照樹(shù)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(jìn)行設(shè)計(jì)，形成了寬93．6m，長(zhǎng)75m的拱頂。從下往上看，在設(shè)計(jì)理念上，接近自然，在造型設(shè)計(jì)上非常藝術(shù)，透過(guò)混凝土骨架和玻璃格交織錯(cuò)落，使得該建筑聞名于世(見(jiàn)圖1)。此外，丹下健三在1964年的東京奧運(yùn)會(huì)建造的游泳館與球類館，利用懸索結(jié)構(gòu)，仿照貝殼的形體，從中間向兩側(cè)緩緩卷翹，仿佛是一只只大雁向上起飛(見(jiàn)圖2)。丹下健三將建筑的造型與功能、結(jié)構(gòu)完美結(jié)合，是當(dāng)代建筑結(jié)構(gòu)創(chuàng)作中典型代表，成為了建筑藝術(shù)作品的優(yōu)秀范例。

3．2與自然環(huán)境相結(jié)合

幾何學(xué)是大自然中抽象的代表，而現(xiàn)代化的建筑空間，往往追隨自然，從幾何學(xué)中尋找答案。常以直角、水平線和垂直線或曲線等形體，構(gòu)成建筑的主體結(jié)構(gòu)，仿佛該類型的建筑結(jié)構(gòu)直接從大自然中演變而來(lái)。例如氣泡和水滴，通過(guò)最小的截面空間，不規(guī)則的組合方式，集聚成多，以點(diǎn)帶面，形成了三維空間。國(guó)家游泳中心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以三維空間的最有效分割為基礎(chǔ)進(jìn)行的，它是有機(jī)細(xì)胞的基本構(gòu)成單位，在礦物質(zhì)的結(jié)晶構(gòu)造和自然形成的肥皂泡中都可見(jiàn)到。它的外表看似是薄弱的薄膜結(jié)構(gòu)，實(shí)際上內(nèi)部采用了強(qiáng)度較大的鋼結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)與外表膜結(jié)構(gòu)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。圖2日本代代木體育館此外，鳥巢、上海萬(wàn)人體育場(chǎng)、國(guó)家大劇院以及天津保稅區(qū)區(qū)標(biāo)等均是國(guó)內(nèi)著名的膜結(jié)構(gòu)建筑，充分利用大自然中的元素為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，體現(xiàn)了自然元素為主的建筑結(jié)構(gòu)語(yǔ)言(見(jiàn)圖3～圖5)。

3．3與經(jīng)濟(jì)技術(shù)相結(jié)合

中國(guó)目前是一個(gè)發(fā)展中的國(guó)家，在很多行業(yè)，尤其是建筑行業(yè)，如何用最少的材料和先進(jìn)的技術(shù)成為了重要的使命。在眾多仿生建筑結(jié)構(gòu)中，蜂巢結(jié)構(gòu)由若干個(gè)整齊排列的六棱柱形組成，每一個(gè)六棱柱的底部由3個(gè)相同的菱形組成，與近代數(shù)學(xué)家們所計(jì)算的菱形鈍、銳角完全相同或幾近相同，這種結(jié)構(gòu)最明顯的優(yōu)勢(shì)即節(jié)省建筑材料，節(jié)約經(jīng)濟(jì)，有著穩(wěn)定堅(jiān)固、體積大的優(yōu)勢(shì)，無(wú)論是建筑界還是數(shù)學(xué)界的專家們都嘆為觀止(見(jiàn)圖6)。圖3國(guó)家游泳中心圖4國(guó)家大劇院圖5上海萬(wàn)人體育場(chǎng)圖6蜂巢結(jié)構(gòu)模型示意圖例如，新西蘭是一個(gè)多地震的國(guó)家，國(guó)會(huì)大廈的建造采用了全木結(jié)構(gòu)形式，其外形設(shè)計(jì)在原有結(jié)構(gòu)模式下酷似蜂巢，簡(jiǎn)潔的蜂巢結(jié)構(gòu)外立面穩(wěn)定堅(jiān)固、施工便利、由下到上逐層遞減，減少用料(見(jiàn)圖7)。韓國(guó)Kang-nam位于十字路口的一角，以圓孔組合并非表達(dá)模型的有效性，而試圖解決暴露于外的雙層結(jié)構(gòu)墻(見(jiàn)圖8)。視角緩解了城市的緊張，通過(guò)張力松弛無(wú)大體積混凝土和無(wú)剛度軟化，形成了特殊的空間場(chǎng)景，是建筑技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的合理詮釋［4］。此外，蜂巢結(jié)構(gòu)原理還可以應(yīng)用在航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星等部分材料中，集物理、化學(xué)性能于一體的多功能結(jié)構(gòu)，為中國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)節(jié)約了經(jīng)濟(jì)和能源，是比較理想的建筑結(jié)構(gòu)形式。

4結(jié)語(yǔ)

如何建造良好的可持續(xù)發(fā)展生態(tài)環(huán)境，需要當(dāng)今建筑師、結(jié)構(gòu)工程師們對(duì)生物界進(jìn)行深入的了解，尤其是起支撐作用的建筑結(jié)構(gòu)形式與建筑功能、造型藝術(shù)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，非常值得從業(yè)者乃至高校的教師們?nèi)コ珜?dǎo)。圖7新西蘭國(guó)會(huì)大廈圖8韓國(guó)Kang-nam道十字路口建筑仿生已成為一種新時(shí)代潮流，也是建筑文化的新課題。為啟發(fā)建筑合理創(chuàng)新，以使城市環(huán)境達(dá)到生態(tài)平衡和持續(xù)發(fā)展，建筑仿生學(xué)乃是一種重要手段。在人類謀求生存，爭(zhēng)取成功并且實(shí)現(xiàn)自我的過(guò)程中，仿生學(xué)的觀點(diǎn)賦予了他們非凡的洞察力。希望更多的專家、學(xué)者，合理的利用現(xiàn)有資源，將適宜的、可持續(xù)的仿生理念更多的應(yīng)用到實(shí)際工程中，讓建筑結(jié)構(gòu)與建筑本身融為一體，更好的服務(wù)人類。

參考文獻(xiàn):

［1］魏曉華，田長(zhǎng)河．結(jié)構(gòu)仿生在大跨度建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析［J］．建材與裝飾，2015(7):73-74．

［2］祝玉龍，蔣歡軍．我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)仿生建筑的應(yīng)用與展望［J］．結(jié)構(gòu)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(xué)學(xué)報(bào)，2005，26(6):66-70．