公共建筑结构设计与应用研究

 摘要:介绍了结构仿生产生的背景，论述了结构仿生的类型，主要从结构仿生与造型艺术、自然环境、经济技术相结合的角度，阐述了仿生理念在公共建筑结构设计中的应用，以满足多元化的建筑结构形式。

关键词:结构仿生，公共建筑，自然环境，经济技术

1结构仿生与背景介绍

结构仿生(BionicStructure)一词，最初起源于自然界，特指从自然环境中的力学特性、结构关系、比例尺度、空间大小以及材料性能等汲取灵感，应用于建筑的结构设计中，进而满足多元化的建筑结构形式［1］。在建筑界，西班牙的巴伦西亚建筑师圣地亚哥•卡拉特拉瓦(SantiagoCalatrava)认为仿生结构设计分为两种:一种是人体仿生，一种是自然仿生。人体仿生指模仿眼睛、手掌、脊柱等;自然仿生指模仿植物，花草树木的生长肌理，动物的骨骼、关节等［2］。然而，他所强调的模仿并非是完全按照生物体的样式，而是从生物体本身结构中提取一系列元素应用到结构设计中。通过这样的结构设计，可以将结构工程师的严谨性与艺术家的创造性紧密结合，形成了以仿生理念为核心的独特形式，将建筑结构提升到更高的一个层次。

2结构仿生的分类形式

2．1膜结构

膜结构主要是从自然界中胞体体系中演变而来，相比较而言，胞体形式几何形态较复杂，易认知，多呈现出曲面形态。胞体结构在建筑中的应用主要是承受拉伸力的封闭层面，通常与其他结构共同组合而成。常见的胞体有:肥皂泡、空气泡、商品袋等，有很高的承载力，是一种具有拉伸力同一性的结构体系。膜结构是由高强薄膜材料及加强构件通过链接使内部形成预张应力，常作为覆盖结构，可以承受外荷载的空间结构形式。主要分为充气膜和张拉膜两种结构。充气膜结构通过不断充气给室内，室内外产生压力差，屋盖膜布受到向上的浮力，从而实现较大的跨度。张拉膜结构依靠自身的张拉应力与支撑杆件共同构成，形成某种特殊的空间结构。帐篷即是一种膜结构，有着鲜明的自身特色，利于快速搭建和重建，适宜运输及灵活布置。在现有的建筑结构中，膜结构也应用较广。如体育运动场、各类球馆、大跨度的展览厅等，其屋顶都采用了膜结构形式，减轻了建筑自身的重力。

2．2壳结构

壳结构最初起源于动物本身，如乌龟的背甲，呈拱形，跨度大，内涵多种力学原理。仅靠2mm的厚度来抵抗外界的压力。通过相应的曲面构件，使产生的力均匀的分布在壳表面。在建筑结构中，壳结构即曲面的薄壁结构，按照曲面的样式共有筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等四种。壳体结构为了适应建筑工程的需要，广泛应用于大跨度建筑的屋盖以及中小跨度的屋面板等，大多数情况下由工厂生产后运输现场进行安装，快速便捷，是公共建筑中备受欢迎的结构形式。建筑材料的使用也相对灵活，以钢筋和混凝土为主，也可用钢、木、石、砖或玻璃钢做成。壳结构产生的建筑形态优美，经济适用，样式多变，在公共建筑中，尤其是体育类建筑中应用广泛。因此，建筑结构工程师们将该结构特色应用到建筑设计中，如举世闻名的悉尼歌剧院，北京火车站大厅35m×35m双曲扁壳，大连港仓库屋盖16个23m×23m组合型扭壳，均是典型的实际案例。

3仿生理念在公共建筑结构中的设计与应用

3．1与造型艺术相结合

很多情况下，建筑师往往忽略从建筑结构本身去寻找适合自己的建筑造型，甚至以牺牲建筑的结构空间而过分追求建筑造型。然而，工程师们比建筑师更善于观察自然界的一切生成规律，已应用现代技术创造了一系列崭新的仿生结构体系。他们善于发现自然，善于把自然界的肌理应用到建筑结构中，甚至将一片片树叶的叶脉衍生成建筑的支撑体系。例如，1947年—1949年，意大利结构工程师奈尔维和建筑师巴托利仿照树叶叶脉肌理，将意大利都灵展览馆的巨型拱顶按照叶脉肌理进行设计，形成了宽93．6m，长75m的拱顶。从下往上看，在设计理念上，接近自然，在造型设计上非常艺术，透过混凝土骨架和玻璃格交织错落，使得该建筑闻名于世(见图1)。此外，丹下健三在1964年的东京奥运会建造的游泳馆与球类馆，利用悬索结构，仿照贝壳的形体，从中间向两侧缓缓卷翘，仿佛是一只只大雁向上起飞(见图2)。丹下健三将建筑的造型与功能、结构完美结合，是当代建筑结构创作中典型代表，成为了建筑艺术作品的优秀范例。

3．2与自然环境相结合

几何学是大自然中抽象的代表，而现代化的建筑空间，往往追随自然，从几何学中寻找答案。常以直角、水平线和垂直线或曲线等形体，构成建筑的主体结构，仿佛该类型的建筑结构直接从大自然中演变而来。例如气泡和水滴，通过最小的截面空间，不规则的组合方式，集聚成多，以点带面，形成了三维空间。国家游泳中心的结构设计是以三维空间的最有效分割为基础进行的，它是有机细胞的基本构成单位，在矿物质的结晶构造和自然形成的肥皂泡中都可见到。它的外表看似是薄弱的薄膜结构，实际上内部采用了强度较大的钢结构，实现了钢结构与外表膜结构相结合的结构形式。图2日本代代木体育馆此外，鸟巢、上海万人体育场、国家大剧院以及天津保税区区标等均是国内著名的膜结构建筑，充分利用大自然中的元素为结构基础，体现了自然元素为主的建筑结构语言(见图3～图5)。

3．3与经济技术相结合

中国目前是一个发展中的国家，在很多行业，尤其是建筑行业，如何用最少的材料和先进的技术成为了重要的使命。在众多仿生建筑结构中，蜂巢结构由若干个整齐排列的六棱柱形组成，每一个六棱柱的底部由3个相同的菱形组成，与近代数学家们所计算的菱形钝、锐角完全相同或几近相同，这种结构最明显的优势即节省建筑材料，节约经济，有着稳定坚固、体积大的优势，无论是建筑界还是数学界的专家们都叹为观止(见图6)。图3国家游泳中心图4国家大剧院图5上海万人体育场图6蜂巢结构模型示意图例如，新西兰是一个多地震的国家，国会大厦的建造采用了全木结构形式，其外形设计在原有结构模式下酷似蜂巢，简洁的蜂巢结构外立面稳定坚固、施工便利、由下到上逐层递减，减少用料(见图7)。韩国Kang-nam位于十字路口的一角，以圆孔组合并非表达模型的有效性，而试图解决暴露于外的双层结构墙(见图8)。视角缓解了城市的紧张，通过张力松弛无大体积混凝土和无刚度软化，形成了特殊的空间场景，是建筑技术与经济的合理诠释［4］。此外，蜂巢结构原理还可以应用在航天飞机、人造卫星等部分材料中，集物理、化学性能于一体的多功能结构，为中国的现代化建设节约了经济和能源，是比较理想的建筑结构形式。

4结语

如何建造良好的可持续发展生态环境，需要当今建筑师、结构工程师们对生物界进行深入的了解，尤其是起支撑作用的建筑结构形式与建筑功能、造型艺术、经济价值相结合的设计理念，非常值得从业者乃至高校的教师们去倡导。图7新西兰国会大厦图8韩国Kang-nam道十字路口建筑仿生已成为一种新时代潮流，也是建筑文化的新课题。为启发建筑合理创新，以使城市环境达到生态平衡和持续发展，建筑仿生学乃是一种重要手段。在人类谋求生存，争取成功并且实现自我的过程中，仿生学的观点赋予了他们非凡的洞察力。希望更多的专家、学者，合理的利用现有资源，将适宜的、可持续的仿生理念更多的应用到实际工程中，让建筑结构与建筑本身融为一体，更好的服务人类。

参考文献:

［1］魏晓华，田长河．结构仿生在大跨度建筑设计中的应用分析［J］．建材与装饰，2015(7):73-74．

［2］祝玉龙，蒋欢军．我国钢结构仿生建筑的应用与展望［J］．结构工程师，2014(4):166-167．

［3］杨小峰，罗文．仿生建筑浅析［J］．青岛理工大学学报，2005，26(6):66-70．