从薄壳结构看建筑结构仿生

 从薄壳结构看建筑结构仿生

　   【摘要】本文试从自然界中的薄壳结构入手，谈讨建筑在结构方面的仿生：从圆顶薄壳探讨大空间建筑的抗压；从柱面薄壳探讨高耸建筑的抗风。同时针对几个具体的建筑浅谈薄壳结构在实际工程中的应用，以期通过本文，进一步激发我们探索自然的好奇心和结构构思的灵感。 

　　【关键字】薄壳结构；建筑结构仿生；大空间建筑；抗压；高耸建筑；抗风

　　

　　1．建筑结构仿生概述

　　1960年在DAYTON市（美国俄亥俄州）的研讨会上提出：生物的原型是打开新技术奥秘的钥匙，从而首次确立了仿生学的法律地位。[1]建筑仿生学则是仿生学的一个重要分支。它试图通过大自然获取布置结构形式的灵感，使得传力更加合理。

　　正如达•芬奇所说,“人类的灵性将会创造出多样的发明来，但是他们并不能使这些发明更美妙、更简洁、更明朗；因为自然的产物都是恰到好处的。”事实上，各种生物的结构不乏可供人们效仿的典范，它们由内至外无处不体现着对空间、能源利用的高适应性、高科技性、以及经济合理性。因此无论是一个小小的蛋壳，还是挺拔的竹子，抑或是随处可见的芦苇都成为了我们建筑结构的雏形，由它们所引发的建筑结构的变革也不断推动着建筑结构的完善。　

　　2．薄壳结构仿生

　　2.1概述

　　薄壳结构是一种曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳等。壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。生物界中，各种蛋壳、贝壳、乌龟壳以及人的头盖骨等都是一种曲率均匀、质地轻巧的“薄壳结构”。这种“薄壳结构”的表面虽然很薄，但非常耐压。

　　2.2圆顶薄壳——大空间建筑与抗压

　　谈到圆顶薄壳，我们会很自然地想到平常最熟悉不过的蛋壳。从几何形态上看，蛋壳的厚跨比可达1：120，以极少的材料创造了广大的空间。从受力方面来看，实验证明，当鸡蛋均匀受力时，它可以承受34.1kN——相当于本身重量六百多倍的压力而不被破坏。蛋壳具有如此大的承受力，是与它特有的蛋形曲线和科学的结构分不开的。蛋壳结构可分为三层：外层为表皮层，中层为海绵层，内层为乳头层。这三层具有不同弹性模量的显微结构构成了一个天然的预应力结构体系，从而形成了一个科学的传力路径，很好地将力分散至外部，有效地避免了应力集中。

　　让我们进一步分析弧形圆顶的受压优势。在如图1所示的实验中[3]，将两个蛋壳悬空放置，一个圆弧朝上（A），另一个朝下(B)，在高处拿一支笔，让其自由落体并击中蛋壳，铅笔与蛋壳的间距达到某个高度时，蛋壳B首先破碎。其中的原因可从两方面分析。一方面，如图2所示，当力F垂直作用于蛋壳时，它在两蛋壳表面各自产生分力T1和T2。对于蛋壳来说，从微观角度看，不受外力作用时，它的分子间距在左右。对蛋壳A，F作用瞬间，分子间距减小，从图3可知，<,分子力表现为斥力；相应的，蛋壳B处，分子力表现为引力。从图3可知，在产生相同的变形时（如各自到达图中c、d点），，因此，从宏观上看，蛋壳A自然可承受更大的力。另一方面，由于实际中，F并不会完全垂直降落，这就使得A所承受的力仅为F的一个明显减小的分力。而对内凹的B壳，F的倾斜并不会带来明显的减力效果。综上分析，我们了解了蛋壳弧形外壳的有利作用。

　　另一方面，从结构自身来说，由于蛋壳有纵横两个方向的曲率，使其形成一自然刚度很大的壳体。这种曲面壳体刚度大的原因可作如下的分析：如果我们沿椭壳的长轴方向取出一个狭长窄条，它在单独受力时类似于拱结构，在仅承受自重的情形下，上部有下陷的变形趋势；而下部有外张变形趋势。无数个窄条所组成的壳面内的力彼此作用，因而形成了一个刚劲的壳体。[4]

　　因此，无论从结构的传力路径还是从结构自身的刚度分析，蛋壳的这种结构形式都对于我们的建筑有着很好的启迪作用。所以以蛋壳为原型，我们在建筑引入了圆顶薄壳这一结构类型的建筑。这是一种正高斯曲率的旋转曲面壳，由壳面与支座环组成，壳面厚度做得很薄，一般为曲率半径的1／600，跨度可以很大。支座环对圆顶壳起到围箍的作用，并通过它将整个薄壳搁置在支承构件上。

　　基于网壳结构的这种良好的空间传力性和能以较小的构件厚度形成承载能力高、刚度大的承重结构，能覆盖或维护大跨度的空间而不需中间支柱的特点，我们将其广泛应用在了大跨度大空间的建筑中，如火车站、飞机场、大剧院等。纵观历史，我们会发现无论是文艺复兴时期建造的意大利佛罗伦萨主教堂和圣彼得大教堂还是第一个半圆形薄壳结构——德国蔡斯工厂天文馆，抑或是美国通用汽车公司技术中心，我们都能看到曲壳结构的身影。

　　而在我国，谈到网壳结构建筑，就不得不谈我们的国家大剧院。国家大剧院是由法国建筑师保罗•安德鲁主持设计，北京市建筑设计研究院参与主体设计的。从1958年周恩来总理亲自选址，到2007年项目建成，国家大剧院这个国家的标志建筑历时整整49年最终落成。为了与人民大会堂交相呼应，却又不喧宾夺主，建筑师巧妙地将蛋壳的造型应用到了这一公众期待极高的建筑中。当然，当这一方案中标后，玄即引起了媒体的广泛关注。在批评与赞美声中，这个“蛋壳”最终坚守了下来。下面让我们进一步来看看它是如何仿生的：

　　该工程外部围护结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，总高度46.285m，当之无愧地成为了具有世界上最大的穹顶的建筑。大剧院内设歌剧院2416席、音乐厅2017席及戏剧院1040席，充分体现了壳体结构大空间的优越性能。网壳由径向及环向杆件组成并在适当的位置设交叉斜撑。径向杆件为钢板截面和T型截面组成的两种类型的实腹桁架，环向则由单杆组成。[5]

　　利用弹性力学知识，壳体的应力是与其边缘相切的，因此一根根沿切向布置的杆件恰恰保证了壳体应力的短捷传递和壳体的稳定性。大剧院的椭球形的屋面是由双向曲率的大曲面所组成的，屋顶边缘肋条断面随所负荷的增加而向支撑方向增大，同时使薄壳得以加强而不会变形。

　　国家大剧院整个钢结构的顶部被称为顶环梁，它的作用是固定和联通拥有巨大跨度的钢骨架，当一根骨架受到压力时（如图4），它会把力传到顶环梁上，由于顶环梁连接着所有的钢骨架，它就会把一根钢梁受到的巨大压力，分配到整个钢结构上。这很自然地让我们联想到上文谈到的蛋壳的实验。顶环梁所受的压力正像是铅笔尖对蛋壳A的冲击力，我们的结构不会像有机物的分子结构一样细密规整，恰好达到的水平，从而通过分子间斥力的积累产生抵抗力。但是通过设计顶环梁——钢梁的网架体系，我们仍然为力找到了有效的传递路径。我想这正是本建筑结构仿生的绝妙之笔。