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(duì)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(chǎng)仿生設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)，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(duì)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(duì)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(duì)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(jiǎn)單堆砌，它們會(huì)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(huì)主場(chǎng)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(dòng)。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(huì)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(jiǎn)約、輕便易拆卸等優(yōu)點(diǎn)。蒙特利爾世博會(huì)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(huì)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)?！八⒎健敝黧w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)?！八⒎健苯Y(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(chǎng)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(dòng)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(dòng)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(chǎng)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(huì)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(duì)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(huì)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(dòng)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)