小议建筑仿生结构形态设计

【摘 要】大自然总是创造最合理的结构形式,形态万千的自然界蕴藏着无穷优美的、可供选择的合理结构,自然界的创造能力常常要超越人类的设计和想象能力.利用仿生学的原理,我们可以更好地理解和发展空间结构.本文主要介绍了建筑结构形态设计的概念内涵及其设计方法.

【关 键 词】建筑工程；仿生结构；结构形态设计

一、建筑结构形态设计的概念

结构形态处于建筑学和结构工程专业的交叉领域,是研究结构与建筑有机结合的基础.以结构形态设计来启动建筑创作的研究是个具有挑战的崭新课题.以建筑功能、建筑艺术和建造成本为依据,遵循结构传力基本规律,将各种结构构件按照一定的逻辑语法组织成一个整体受力的系统,称为结构形态设计.探讨结构形态设计方法,根本目的即是通过结构构思启动建筑形式的生成,为建筑形式创新开拓新的思路.结构是围合空间的基本手段,为塑造合用空间怎么写作,所以建筑合用空间和理想功能是结构形态设计的首要依据.合理的结构形态设计方案,能尽可能地发挥材料的性能,从而节省大量的材料费用.大量实践说明,结构实效与材料成本是成反比相关,与设计建造维护成本是成正比相关,总成本在某一点达到最低,这一点的结构实效最合适.因此,设计师必须在结构形态设计的初期就大致估算各项成本的比例,找出这个理想的平衡点.

二、建筑仿生结构形态设计

自然界是人类最好的老师,人类在建筑技术上所遇到的许多难题,自然界中早已有了类似的解答,如蜂房结构,其断面为规则的六边形,这种划分方式比人为的建筑中常用的四边形网格节省20%的材料；小麦秆由下至上间距逐渐增大的茎节,有效地减少了弯矩的作用,使其高径比高达500,而大多数高层建筑的高宽比不超过8,又如柔薄的花瓣常常依靠其形体的曲面或皱折来增加刚度,花瓣的前端往往是空间曲面形态,具有良好的空间受力能力.由此可见,自然界往往以最完美的方式解决了功能、形式和结构之间的矛盾,而对于结构工程师和建筑师而言,自然的每一处表现都是理解和应用形式创造的普遍法则,每一种技术形式都能从自然形式中推出.因此,自然结构是研究有关功能、形态及结构的联系的重要依据,是研制开发技术结构的合理比拟物,模拟自然结构即结构仿生的方法是实现结构构思目标的有效手段.

(一)技术构成

任何复杂的结构都可以看成是有一系列相对简单的结构单元通过一定的组合方式组成的.这些能够维持结构形态稳定的最小单元,我们称之为：元.而单元之间的组合方式,我们称之为：动作.一个具体的结构形态可能是一个元通过完成一个动作形成,也可能是通过完成多个动作形成,或者是多个元共同完成一系列组合动作而形成.动作是技术构成的重要手段.动作及其组合千变万化,但归纳起来,基本可以分为阵列、旋转、交织等几种类型.阵列是指元在水平或垂直方向依次首尾连接,形成新的结构整体；旋转是指元围绕一几何中心成环状排列,两侧连接形成新的结构整体；交织是指元同时在水平的两到多个方向（纵、横、斜）依次首尾连接,形成新的结构整体.

元与动作的构思是同步进行的,并没有先后顺序.建筑师最初可能只有一个空间意向,这个意向主要来自于对跨度、高度和基地形状的回应,再根据这个意向进一步确定元和动作的具体形式.一般来说,基地的形状往往会影响动作的选择,比如矩形的基地更适合采用阵列的动作,圆形的基地则宜采用旋转动作,而交织动作则适用于不规则的基地形状.

复合元是结构构成的创新的基础.不同的结构体系的基本元的受力性能差别很大,它们各有所长.如拱擅长受压、索擅长受拉.在实际工程中,采用仅有基本元构成的纯净的结构形式,并不总是经济合理的.而且如果局限于结构选型的思维惯性,结构造型的自由度也大打折扣.固可将两个或者多个不同基本元结合在一起而构成拥有新机制的、独特的、有效的复合元.为了构成独特的有效的复合元,可以通过两种基本的动作来实现不同结构家族元的结合：重叠是指不同基本元以平行方式放置在整个起作用的长度上来共同执行力量的改向和力流的传递.重叠可以是上下平行,也可以是侧面平行；而串连是指根据力学需求,在结构作用的不同区域选用不同的基本元,基本元与基本元之间是串连连接的,依次达到力量改向的目的.基本元的数量至少是两个,也可以是多个；而重叠+串连,顾名思义新体系是基本元通过完成这两种动作形成的.

(二)几何推演

建筑上的结构形态是结构通过不同的平衡状态把承受的荷载转移至其他方向所推演出的技术图形.结构形态必须服从引力与力学的法则,拥有自己的构成逻辑,因此能被建筑师计算、校对和领会.在结构形态领域中的几何学是正确确定在力的改向中具有独特及有益特性的线、面、体.它们的形状是建筑结构设计的绝对的基准.只有通过几何学才能使物质对象、空间形体或技术施工等设想的形态概念得以实现及确认；而且只有这样才能使它们得以沟通、校核、优化及最后能被实施.几何学乃是建筑师与工程师为了实施设计及塑造功能所应具备的基本学科.

1.多面体的构思

将多个多边形进行折叠,可以生成三维的多面体,面与面的交线是各个结构构件的位置.多面体纯粹的几何形式往往天生就具有优良的结构效能,各个杆件均衡受力,最大限度地消除了应力集中.例如,1954年富勒为福特公司建造的纪念圆厅,即测地线穹顶的实际应用.又如,伊甸园工程,八个巨大的联体半球围合成一个世界上最大的人造植物环境.能够为树木和沙漠岩生植物提供生长环境,并尽可能依靠可持续技术维持生态平衡.结构构思直接来自于富勒的测地线穹顶技术,无数个正六边形拼接成外圈的半球穹顶,内层采用三角形的受拉构件,形成一个双层的、无支撑的三维空间网架体系.半球与半球的连接处,运用管状网格拱将相邻的节点直接连接在拱上面.

2.曲面构思

按照曲面的生成方法将曲面分为：单曲面、动迹曲面及放样曲面三大类.如科尤皇家植物花园,这个温室的结构由两个背对背的弧形面构成,每个弧形面切割至圆柱的一部分,弧面上拉索的方向与圆柱的母线一致,而拉索的数量则依据结构计算的结构来确定.弧面是通过两段拱来限定形状的,拱与拱之间张拉纵横两个方向的钢索,钢索施加预应力,一端锚固在混凝土地基上,另一段固定在上部拱上.两个网壳在上部通过水平拉索联系,相互抵消掉水平力,防止向外倾覆.还有很多类似的案例,直接截取锥面、柱面、球面或者圆环面的一段,作为结构的整体骨架,具有非常明确的几何规律,结构构件均依照描述几何图形的各种线的方向来布置,纵向和横向的弧度都容易把握,从而大大减少了繁琐的计算量.

3.不规则构思

建筑技术的发展尤其是计算机辅助设计和计算机辅助制造技术在建筑领域的应用,极大的扩展了建筑形式的自由,伴随着这股技术跃进的风潮,非线性的建筑形式风靡一时.但是如果这些新奇的造型仅仅是用传统结构方式支撑的表皮,如果这些扭曲和折叠的背后没有协调形式和结构的内在规律,那这些表面上的自由不过是风格的更迭而已.折叠、编织、混沌等哲学概念已经逐渐渗透到建筑师的观念和工作之中.拓扑几何等现代几何学的引入,有助于建筑师理解形式产生的内在原理,避免从表面现象出发的主观趣味对建筑形式的控制.

三、结语

建筑师和工程师们一直都在孜孜追求设计形态优美的个性化建筑,而形态万千的自然界蕴藏着无数优美的可供模仿的形态,从微观的原子、晶体,到宏观的树冠、鸟巢、贝壳、动植物的肢体等等都是值得我们借鉴和模仿的对象.大自然中的生物体是经过亿万年优胜劣汰后的优胜者,它们自身的结构已经趋于完美,因此结构仿生作为启动结构形态设计和建筑创作的一种行之有效的方法手段,它本身仍具有深入研究挖掘的价值.而把仿生学与建筑学和结构工程学进行学科交叉,也是进一步发展建筑学和结构工程学、促进建筑学与结构工程学合作关系的一条有效途径.