1、仿生建筑的力學(xué)結(jié)構(gòu)分仿生建筑的力學(xué)結(jié)構(gòu)分析提要：貝殼是大自然創(chuàng)造出的最精美的有機(jī)造型之一，常備設(shè)計(jì)師們作為形態(tài)仿生的對(duì)象。這次我選擇貝類(lèi)的外殼作為研究對(duì)象，分析它的承載力以及它獨(dú)特的魅力，并選取一些與貝殼相類(lèi)似的建筑進(jìn)行對(duì)比分析。關(guān)鍵詞：貝類(lèi)仿生建筑代代木國(guó)立綜合體育館世博會(huì)以色列國(guó)家館力學(xué)結(jié)構(gòu)好的建筑不僅在于它的美觀，更在于它的結(jié)構(gòu)與力。各種動(dòng)、植物的骨架各有特點(diǎn)，它們都能根據(jù)各自的身體特點(diǎn)、體重選擇最優(yōu)的骨架。土木工程中各種承重骨架與大自然中動(dòng)植物骨架也有奇妙的相似之處。建筑仿生向大自然學(xué)習(xí)，能夠創(chuàng)造出豐富多彩、合理可靠的建筑。關(guān)于仿生建筑的力學(xué)結(jié)構(gòu)仿生建筑以生物界某些生物體功能組織和形象

2、構(gòu)成規(guī)律為研究對(duì)象，探尋自然界中科學(xué)合理的建造規(guī)律，并通過(guò)這些研究成果的運(yùn)用來(lái)豐富和完善建筑的處理手法，促進(jìn)建筑形體結(jié)構(gòu)以及建筑功能布局等的高效設(shè)計(jì)和合理形成。從某個(gè)意義上說(shuō)，仿生建筑也是綠色建筑，仿生技術(shù)手段也應(yīng)屬于綠色技術(shù)的范疇。建筑力學(xué)合理地分析整體結(jié)構(gòu)、局部構(gòu)件的受力性能，研究整體結(jié)構(gòu)與局部構(gòu)件的受力關(guān)系、傳力路線，建筑力學(xué)為整體結(jié)構(gòu)造型、局部構(gòu)件截面形狀提供了力學(xué)依據(jù)。所謂結(jié)構(gòu)，指采用一定的建筑材料，按照一定的力學(xué)原理和力學(xué)規(guī)律而構(gòu)成的建筑骨架。建筑仿生學(xué)的表現(xiàn)與應(yīng)用方法，歸納起來(lái)大致有四個(gè)方面：城市環(huán)境仿生，使用功能仿生，建筑形式仿生，組織結(jié)構(gòu)仿生。但其實(shí)土木工程師們經(jīng)常將這些方法

3、進(jìn)行綜合性的應(yīng)用，已形成一種城市與建筑的仿生整體。建筑仿生可以是多方面的，也可以是綜合性的，如能成功應(yīng)用仿生原理就能創(chuàng)造出新奇和適應(yīng)環(huán)境生態(tài)的建筑形式。同時(shí)仿生建筑學(xué)也給人們暗示著必須遵循和注重許多自然界的規(guī)律，它告訴我們建筑仿生應(yīng)該注重環(huán)境生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益與形式新奇的有機(jī)結(jié)合，仿生創(chuàng)新更需要學(xué)習(xí)和發(fā)揮新科技的特點(diǎn)，要做到這一點(diǎn)，建筑師必須善于應(yīng)用類(lèi)推的方法，從自然界中觀察吸收一切有用的因素作為創(chuàng)作靈感，同時(shí)學(xué)習(xí)生物科學(xué)的肌理并結(jié)合現(xiàn)代建筑技術(shù)來(lái)為建筑創(chuàng)新服務(wù)。建筑仿生學(xué)是新時(shí)代的一種潮流，今后也仍然會(huì)成為建筑創(chuàng)新的源泉和保證環(huán)境生態(tài)平衡的重要手段。建筑上離開(kāi)力學(xué)原理的正確應(yīng)用，虛偽的裝飾、不必

4、要的堆積、無(wú)規(guī)則的搬用，就會(huì)導(dǎo)致形式主義的出現(xiàn)，而運(yùn)用仿生的手法，對(duì)自然界已有物種的力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的分析，就可以避免這種情況的發(fā)生。關(guān)于貝類(lèi)仿生建筑的力學(xué)結(jié)構(gòu)分析丄關(guān)于貝殼堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)貝殼是大自然所創(chuàng)造出的最精美的有機(jī)造型之一，常被設(shè)計(jì)師們作為形態(tài)仿生的對(duì)象。那么，我們就以貝殼為研究對(duì)象來(lái)討論與其相似的建筑的力學(xué)結(jié)構(gòu)。貝殼的主要成分為95%的碳酸鈣和少量的殼質(zhì)素。我們都知道，碳酸鈣是一種像粉筆一樣易碎的化合物，但是貝殼為什么能經(jīng)歷成百上千次的敲擊而不易碎？除了因?yàn)樗哂幸环N具有強(qiáng)大韌力之外，還因?yàn)樗厥獾慕Y(jié)構(gòu)。貝殼中有用蛋白質(zhì)組成的內(nèi)外三層殼體。最外層為黑褐色的角質(zhì)層（殼皮），薄而透明，有防止

5、碳酸侵蝕的作用，由外套膜邊緣分泌的殼質(zhì)素構(gòu)成；中層為棱柱層（殼層），較厚，由外套膜邊緣分泌的棱柱狀的方解石構(gòu)成，外層和中層可擴(kuò)大貝殼的面積，但不增加厚度；內(nèi)層為珍珠層（底層），由外套膜整個(gè)表面分泌的葉片狀霰石（文石）疊成，具有美麗光澤，可隨身體增長(zhǎng)而加厚。這三層殼體可能使微小的應(yīng)力沿著這些層理分散開(kāi)來(lái)，以防止某個(gè)災(zāi)難性裂紋產(chǎn)生。這一層的強(qiáng)度源于礦物的特殊排列，其基本標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)部件為蛋白質(zhì)包裹的霰石組成的矩形梁，這些梁又組合成了一個(gè)稍大的中型梁，中型梁再堆積成更大的結(jié)構(gòu)。在各層這樣的結(jié)構(gòu)中，各相鄰結(jié)構(gòu)體均相互垂直。如果裂紋沿著中間層里的蛋白質(zhì)條紋式邊界到達(dá)臨近的結(jié)構(gòu)，就會(huì)碰到由霰石組成的壁。具有貝

6、類(lèi)結(jié)構(gòu)的建筑1代代木國(guó)立綜合體育館1964年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)主會(huì)場(chǎng)代代木國(guó)立綜合體育館，是著名建筑師丹下健三結(jié)構(gòu)表現(xiàn)主義時(shí)期的頂峰之作，具有原始的想像力，達(dá)到了材料、功能、結(jié)構(gòu)、比例，乃至歷史觀的高度統(tǒng)一，被稱(chēng)為20世紀(jì)世界最美的建筑之一。日本現(xiàn)代建筑甚至以此作品為界，劃分為之前與之后兩個(gè)歷史時(shí)期。而他本人也贏得日本當(dāng)代建筑界第一人的贊譽(yù)。代代木國(guó)立綜合體育館的力學(xué)結(jié)構(gòu)是根據(jù)力學(xué)法則和幾何學(xué)理論而創(chuàng)立出的奇妙的扭曲。薄殼（qiao）結(jié)構(gòu).生物界的各種蛋殼、貝殼、烏龜殼、海螺殼以及人的頭蓋骨等都是一種曲度均勻、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。模仿它們殼體在外力作用下

7、，內(nèi)力都沿著整個(gè)表面擴(kuò)散和分布的力學(xué)特征，在建筑工程中早已得到廣泛應(yīng)用。日本東京的代代木體育館則活像一只巨大的海螺，其外觀曲線流暢、輕快、形態(tài)動(dòng)人，被認(rèn)為是當(dāng)代最成功的體育建筑之一。代代木國(guó)立綜合體育館位于東京代代木公園內(nèi).占地約91公頃，包括一幢游泳館和一幢球類(lèi)館.由于創(chuàng)造性地把新結(jié)構(gòu)形式和建筑功能有機(jī)地統(tǒng)一起來(lái)，并且體現(xiàn)了日本風(fēng)格，因而受到國(guó)際建筑界的廣泛重視.游泳館用于游泳、滑冰、拳擊等比賽，1500座.平面為兩個(gè)對(duì)錯(cuò)的新月形，長(zhǎng)邊240米，短邊120米.屋頂采用懸索結(jié)構(gòu).長(zhǎng)軸方向有兩根鋼筋混凝土桅桿柱，高404米，跨度126米，用以支承兩根主索.每根主索各由37根外經(jīng)33厘米的鋼纜組成

8、，次索沿短軸方向布置，跨過(guò)主索與外圍的鋼筋混凝土承力環(huán)連結(jié).索網(wǎng)覆蓋以焊接起來(lái)的45毫米厚的鋼板；內(nèi)表面用石棉板保護(hù).主索兩端所形成的三角形入口，自然地把觀眾導(dǎo)入館內(nèi).利用兩根主索之間的縫隙設(shè)置頂光，勾劃出屋脊的輪廊，在視覺(jué)上有助于形成一個(gè)流線型的宏偉別致的內(nèi)部空間.球類(lèi)館400座，平面為蝸牛形，直徑70米.屋頂采用單根主索螺旋形布置.兩館相映成趣，協(xié)調(diào)而有變化.貝類(lèi)結(jié)構(gòu)的流線型使應(yīng)力分散，力流減小，跨度增大。2.世博會(huì)以色列國(guó)家館以色列國(guó)家館由兩座流線型建筑體組成，還想環(huán)抱在一起的雙手，又好似一只海中的貝殼，雖然體積不大，卻充滿了想象和智慧。先進(jìn)的技術(shù)帶來(lái)的發(fā)展令人欣喜的是，計(jì)算機(jī)行業(yè)的飛速發(fā)展給建筑行業(yè)帶來(lái)的好處是不可小覷的，利用計(jì)算機(jī)構(gòu)圖建立力學(xué)模型的手法以不鮮見(jiàn)。下面列舉一些由計(jì)算機(jī)構(gòu)圖的貝殼曲面造型程序建立的典型的貝殼曲面。血酯呦旳悴制eHi毀（計(jì)r-tt.A罕圈底控制：曲悄UI5典型貝直曲面WNXW制曲住在工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的安全性、實(shí)用性和耐久性。在考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，使結(jié)構(gòu)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的使用期限內(nèi)，能實(shí)現(xiàn)一定的功能的同時(shí)，還要考慮經(jīng)濟(jì)因素，如做到用材省、成本低等，換句話說(shuō)，就是力求以最低的成本使所建造的結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)定的要求。優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的實(shí)用功能上，也表現(xiàn)在形式上，特別是功能與形式的統(tǒng)一上。大自然的力量是偉大的，