建筑结构仿生设计研究

2020-11-28张之杰

科技与创新 2020年2期

张之杰

建筑结构仿生设计研究

张之杰

（武汉工程大学艺术设计学院，湖北武汉 430200）

建筑代表着一个时代的时代精神、审美特征和科学技术水平。仿生学作为一门独立的综合性学科正在蓬勃发展，将仿生设计原理与建筑设计相结合无疑是建筑设计的有益尝试。从仿生设计原理入手，探讨仿生设计在建筑结构设计中的运用，以建筑仿生设计中的纤维结构、气泡结构、螺旋结构、骨干结构和壳体结构为研究对象，结合仿生设计原理进行实际案例分析，为建筑结构提供了新的设计方法和思路。

建筑结构；仿生设计；设计原理；技术应用

1960年仿生学作为一门独立的学科正式成立。21世纪建筑学领域掀起了一场仿生设计运动，而建筑结构仿生是建筑仿生设计中发展较为迅速的分支学科。近几十年以来，世界各国的设计师对建筑结构仿生设计进行了勇敢的尝试，创作出了新颖的结构，使建筑更加安全、经济、高效、节能和适用，形成了一套完整仿生建筑结构理论与实践体系，使建筑设计焕发出了无限生机。

1 建筑结构仿生设计的理论依据

生物在世界上存活了数万年之久，它们为了生存而不断完善自己的躯干组织结构，获得了更加顺应自然、更加坚固的自我防御系统，从而得以生存和繁衍。它们拥有美丽的形态、奇妙的结构和惊人的本领，吸引着人类去借鉴和模仿。仿生学是人类受自然界启示，汲取灵感进行再创造，创作出更好的设计。

建筑是人类之居，将人类之居植根于自然是十分必要的。建筑仿生学以仿生设计原理为依据，提取和升华大自然中对建筑设计有益的因素，将其运用于建筑设计中。建筑与生态环境相互作用，使建筑更好融入大自然的美丽中，达到人和自然的和谐统一。在建筑设计的诸多构成要素中，建筑结构的创新与合理化配置是不可或缺的重要组成部分。深入研究建筑结构仿生设计的理论和实践，对于建筑结构创新、合理化设计研究有着重要的意义。

2 仿生元素在建筑结构设计中的运用

2.1 纤维结构仿生

在研究一个生物体时，研究者最先研究的是它的基本组成部分。世界上大部分生物体是由细胞和纤维结构构成的，但生物体并不是细胞简单堆砌，它们会按照一定的规律进行排列和组合，形成各种各样的纤维结构，纤维结构有独特的受拉特性，人们从此特性中汲取灵感，创造了悬索结构和索膜结构。

在自然界中很少有类似悬索结构的物体，蜘蛛网的织造结构与其有几分相似之处。悬索结构最初运用于悬索桥，建筑采用这种结构的想法是从悬索桥得来的。建筑悬索结构是以成组正交的缆索张拉而成相互反向的曲面，从而产生三维稳定的结构体系。

日本设计师丹下健三设计的奥运会主场馆——东京代代木体育馆是悬索结构的典型案例。屋顶造型采用了经典的鞍形索网结构，采用似于悬索桥的设计手法，长轴方向由两根钢筋混凝土桅杆柱支撑，由数根钢索牵引起两片新月形的建筑主体结构，从建筑外观来看非常优美和灵动。

在很早之前，人类借鉴蝙蝠翅膀或者水鸟蹼的构成结构，发明制作了帐篷，帐篷的造型本身就是一种建筑结构，值得在建筑设计中广泛借鉴和采用。德国设计师弗赖·奥托首次大规模应用了支撑膜技术，他设计的蒙特利尔世博会德国馆采用了金属索和高分子聚合材料制成的薄膜，以14～35 m高的桅杆支撑，索网传力给各桅杆，每50 cm设立一个支点，以轻便灵活的网夹固定，覆盖面积约8 000 m2。这种建筑结构具有成本较低、设计风格简约、轻便易拆卸等优点。蒙特利尔世博会德国馆是网索结构支撑的帐篷式构筑物的实验性设计，是世界建筑史上一座灿烂的里程碑。

2.2 气泡结构仿生

气泡在生物界广泛存在，蓝蜻蜓的翅膀采用由薄膜构成的不封闭的充气结构，鱼肚子中的鱼鳔采用封闭性的充气结构。将充气结构应用于建筑设计方面，可以使建筑具有用料少、重量轻、施工快、易调整等优点。

北京奥运会国家游泳中心“水立方”成功采用了由气泡仿生理论衍生出来的充气膜结构。“水立方”主体钢结构的设计以气泡原理为基础，将大大小小的气枕覆盖在建筑内外表面，气枕采用了环保节能型的新材料——ETFE薄膜。它具有保温、透光、抗老化、抗腐蚀的优点。“水立方”结合国内外先进科学技术，并大胆创新，填补了中国ETFE充气膜结构领域的空白。

2.3 螺旋结构仿生

螺旋结构在生物界是一种很常见的结构，海虾窝以螺旋状的形态抵挡巨大的洋流，蜗牛和贝类凭借螺旋状坚固的外壳得以在自然界中存活。由此可见，螺旋状结构可以使构造物更加坚固。瑞士再保险总部大楼和日本东京千年塔是将这一原理运用到实践的成功范例。

诺曼·福斯特所设计的瑞士再保险总部大楼外表看起来像一枚子弹，整体上成螺旋形，建筑物每一层的直径都各不相同，大楼中央巨大的圆柱形主力场是整个建筑的重力支撑，建筑外观比寻常的矩形状塔显得更加纤细。

日本东京千年塔是诺曼·福斯特的又一得意之作，同样的螺旋状结构建筑体现着他的理想化建筑的设计理念，170层楼可以同时用于商用和居住，每13层有一个交通中转站，可同时容纳60 000人。千年塔的设计融入了环保理念，是目前最环保的科学理想化城市方案之一。

2.4 骨干结构仿生

2.4.1 植物枝杈结构

植物枝杈结构应用于建筑设计中，可以使建筑外表美观、受力均匀、固若金汤，节省建筑材料。

西班牙建筑师CALATRAVA素有结构诗人之称，他曾受高迪启发，建筑作品中饱含浪漫主义色彩，如雕塑般美丽。他所设计的里斯本东方火车站采用了植物枝杈结构仿生的设计方法，其设计构思是在繁华都市的水泥路上建造小树林，由自然所引发的灵感给予建筑灵魂和生命。创造性地运用了植物枝杈结构元素，在设计中取得了非凡的艺术效果。

2.4.2 动物骨架结构

在10世纪的罗马时期，人们为了减少圆拱的厚度、保持圆拱的刚性，借鉴了动物的腹部骨架结构，成功创造出了拱肋结构，并投入使用。

哥特时期的建筑设计师将这种结构加以优化，创造了拱、肋、飞扶壁、扶券等建筑结构。从力学的角度来说，这种结构可以使建筑更加牢固，更加节省建筑材料。从美学的角度来说，这种建筑结构可以使建筑摆脱厚重的墙体，仅用拱肋结构及柱子支撑，建筑外部形态轻盈、自然、优美。从实用的角度来说，这种建筑结构可以使窗户面积增大，阳光能够更好洒进来，从而加强室内外空间的交流，使建筑内部空间显得更加明亮、大气。文艺复兴时期，布鲁内列斯基在设计佛罗伦萨大教堂穹顶时就采用了这种建筑结构。

2.5 壳体结构仿生

2.5.1 单曲面壳体

竹竿、草埂是自然界中圆柱形壳体的典型代表，圆柱体切开的部分是壳体结构的基本型。德国在20世纪20年代时，人类便开始建造圆柱形壳体，弗兰克福和布达佩斯的中央市场是采用圆柱形壳体结构的典型代表。芬兰设计师威里欧若威尔所设计的多伦多市政厅从结构上来看，建筑设计采用了圆柱形壳结构，将圆柱体弧段的中空型应用于建筑竖向构架，由两栋曲线型大楼和拱形的市会议大楼组成，建筑的轮廓形状似含珠之蚌，给人以优美敦实厚重之感。

2.5.2 双曲面壳体

所有的旋转壳体都具有双向曲面，它们基本完全对称的原型是球体。在自然界中的球体随处可见，鱼子、水果、人类的眼睛大致是个球体，人类受此启发后，将这种结构运用到建筑设计中，便有了最初的双曲面壳体的建筑结构。

1925年，奥斯卡·冯·米勒馆长在耶拿建造出第一个拥有半球壳体的屋顶的天文馆——蔡司天文馆，后来柏林、莱比锡和德雷斯登也建造了类似结构的建筑。

1960年奈尔维设计建造的罗马奥运会的大体育宫也采用了这一建筑结构。建筑内部叉性柱顺着原顶边缘相切的方向倾斜，圆顶里的葵花瓣似的特殊肋承受外力，放射性拱肋的构造形式支撑着混凝土弯顶，顶的厚度只有6 cm，边缘波浪设计有利于防止相邻支承之间薄壳边缘的挠曲，达到了技术与艺术的统一。

2.5.3 自由形态壳体

自然界中有很多壳体是以自由形态呈现在人类面前的，这些自由形态的壳体结构形式是各种因素综合导致的。例如，人类的头盖骨呈扁球体状，类似于壳体结构，表面是由大大小小、相互啮合的骨板组成，在外力的作用下，这些相互啮合的骨板可以使头盖骨有一定的弹性，可以有效保护大脑不受伤害。

芬兰建筑大师埃罗·沙里宁所设计的纽约环球航空公司航站楼的建筑结构和人类头盖骨的构造结构很相似。航站楼的屋顶由四片组合式浇钢筋混凝土壳体构成，这几片壳体有几个点相连，薄壳下有丫形柱支撑，空隙处设有天窗，缝隙采光增添了几分设计的机趣，并使内部空间富有变化。建筑外观呈自由曲线型，将建筑结构和形式美完美地融合了起来，是建筑史上一座不可超越的丰碑。