建筑工程领域中的蜂巢结构

2022-05-23金洛羽胡福良

蜜蜂杂志 2022年3期

关键词：铝板六边形蜂窝

金洛羽，胡福良

（1.浙江大学建筑工程学院建筑学1801 班，浙江杭州 310058；2.浙江大学动物科学学院，浙江杭州 310058）

蜜蜂一直被誉为自然界的“天才建筑师”，蜂巢的结构也启发了无数建筑师的设计，从汉娜住宅到纽约的标志性建筑The Vessel。而在建筑工程领域，蜂巢独特的力学结构和特性也大放异彩，为现代的建筑工程作出了卓越的贡献。

1 蜂巢与蜂巢结构

蜂巢是蜜蜂用自身蜡腺所分泌的蜂蜡修筑的为蜂群生活和后代繁殖的处所，由一片片巢脾所构成。

蜂巢由工蜂房、雄蜂房、贮蜜区组成，均由大小不等的六棱柱巢房相互组合而形成。较小的工蜂房占据了巢脾的大部分，较大的雄蜂房仅占巢脾的一小部分，贮蜜区位于巢脾的最上部，且其深度超过其他蜂房。

蜜蜂“天才建筑师”的美名主要来自其神奇的蜂巢结构。每一个蜂房都是严格的六棱柱体，一端是我们可视的六边形开口，另一端是共边共底的共用菱形面。

在平面上能满足密铺的正多边形只有正三角形、正方形和正六边形。而对于正多边形来说，其边数越多就越接近圆，其单体面积也就越大。因此在几何学上，正六边形的建筑结构密合度最高，可使用的空间也最大。在蜂巢中每个巢房的底部的两面都与另外的巢房共用边底，用最少的材料构成了最大的空间。巢房底面的3 个菱形面，也有效地起到互相支撑的作用，防止巢房底破裂。

2 蜂巢结构对建筑的参考价值

由于六棱柱几何形状特质，蜂巢具有坚固质轻、抵抗变形强等力学性能优势。现代研究表明，蜂窝结构具有质量轻、比强度高、比刚度大、隔热隔音效果好、吸能性强、形状多样和较强的可设计性等许多优良的力学性能，甚至还可以通过设计不同的构型来满足零泊松比或者负泊松比蜂窝结构等这类特殊需要[1]。

蜂巢因多墙面的排列和连续的蜂窝形网状结构，可以分散承担来自各方的外力，使得蜂窝结构对挤压力的抵抗，比其他几何形要高许多[2]。

蜂房的底部为3 个三角形拼接而成的锥形，这可以对侧向力能起到很好的缓冲，同时从结构上削弱了外力的传递效果。大部分的变形都可以由受力点附近的几个单元来消解，其他多数单元则能保持相对较小的应力和变形水平[3]。

3 蜂巢结构在建筑工程中的应用实例

3.1 蜂巢型混凝土楼盖结构

随着经济的发展，体育馆等大跨度空间常常要求无柱落在主要使用空间内，这就要求其建筑结构采用如网壳等特殊结构。而多层大跨度建筑目前仍需要使用预应力等混凝土框架梁楼板结构[4]。

传统结构的框架仍采用十字交叉形，这就导致在某些空间三维受力的结构中，由于梁跨度过长从而导致梁高大大增加，不仅降低了实际可用层高也浪费了大量钢材。而六边形的蜂巢结构可以很好地改善这样的情况。由于其可以密铺的特性，可以很好地适应多样的空间结构。每个单元的形状一致，作为梁的边长所承担的跨度是相同的，这就保证了空间内梁高结构的统一性，能通过调节设计单元的大小来线性地调整层高。

蜂巢型混凝土楼盖和正交楼盖在力学上的原理一致，都需要抗剪切负荷。蜂窝型楼盖结构落柱较密，柱数量多，因此每根柱所支撑的负荷更小，柱截面相比一般正交楼板尺寸更小，节省材料[5]。

图2 蜂窝型楼盖结构平面示意图

3.2 仿蜂巢结构钢节点优化

钢结构的节点连接一直是结构安全性的重中之重。十字交叉节点加上多边形或圆形节点区域是目前工程上常用的做法，但是由于工程实践中的不确定性因素，这样的节点常常存在节点自重过大，应力集中等问题。而蜂窝结构在钢结构节点优化也提供了仿生学优化的灵感。蜂巢的六边形结构使节点连接结构的形状划分和数量的设置有了依据，能快速得到力学拓扑构型。仿蜂巢结构节点在十字交叉节点优后能形成明显的薄壁空心特征，形成了类似实心杆件组成的桁架结构，材料分布更加合理。在仿蜂巢结构优化后，节点的最大位移、最大等效应力和自重都显著降低，优化结果理想[6]。

3.3 蜂窝轻质墙体

蜂巢轻质墙体是通过草木纤维制作蜂巢芯材，并以草木纤维水泥加压板为面材的结构板材。其内芯模仿了蜂巢的六边形结构，巢体结构内填充改性聚氨酯环保材料。墙体板材之间通过限位槽来连接。

蜂巢轻质墙体发挥了蜂巢六棱柱结构的力学特性，抗震性能优越，在实际工程中有利于设计方案本身的力学优化。特别是应用于高烈度地震区的高层建筑，将更有利于结构优化设计。

其墙体相较传统的混凝土砖块轻80%，比加气混凝土轻60%，安装与调整更为方便，可以大大减轻建筑工人的劳动强度[7]。地震力对钢混结构配筋量有巨大的影响。由于地震作用是惯性力作用,采用蜂巢结构减少质量将会降低结构承受的地震作用，同时节省了钢材用量。在砌造速度上蜂巢墙比传统材料快7～20 倍，不仅缩短了建造工期，也降低了结构投资与整体工程造价[8]。

3.4 蜂窝铝板

蜂窝铝板是一种近年来广泛应用于高层建筑幕墙体系上的装饰材料，有着密度小、强度高、刚度大等优点。主要选用合金铝板或高锰合金铝板制成的六边形蜂窝作为基材内芯，氟碳滚涂板作为面材。

蜂窝铝板的空心结构使其大大降低了材料自重荷载，相比于常见的龙骨加大块分割玻璃幕墙的做法大大减轻了重量。而在其他板材装饰中常见的中段材料因刚度不够而造成的变形问题，由于蜂窝构造的刚度特性也可以被很好地克服解决。同时材料抗震性能好，由于中空的特质，蜂窝铝板隔音隔热效果好，外加一层覆膜也可以完成防水防潮等功能[9]。

在向蜂窝铝板内空心结构填充不同耐火或聚合物基复合材料后，也可以作为泡沫三明治板，用于隔墙结构。可以布置在浴室、厨房以及其他内外墙。

3.5 蜂巢帘

蜂巢帘又称风琴帘，使用时类似于手风琴缓缓拉开，但截面形状则与蜂巢类似。中空的结构有利于存储一定量的空气，利用空气本身的持温特性，可以较为环保地保持室内温度的恒定。根据研究，蜂巢帘节能效果优于固定遮阳篷。对于单层透明窗户，蜂巢帘布置于建筑总能耗最小[10]。在夏热冬冷地区，蜂巢帘是居住建筑遮阳方式的优选。六边形的截面也可以充分发挥其刚度特性，避免因自身重力不断伸展拉长后上部截面的变形，在视觉上做到了统一。

相比普通的百叶窗，蜂巢帘也有着易于清洁的特点，拉绳可以隐藏在气囊层中，日常使用也比传统百叶窗更加简单。

图5 蜂巢帘

3.6 快速装配式蜂窝体住宅

在灾后重建时常常需要在受灾地快速地为灾民们搭建临时性的居所，而这些居所不仅要满足轻质、便于运输的特点也需要较高的结构强度来保证灾民不受到二次灾害的波及。

建筑师们也做了许多尝试，如坂茂的纸管建筑和联合国的可变塑料支篷等。在蜂窝板问世后，通过利用其独特的力学性能，蜂窝结构也在受灾的第一线发挥了自己的长处。

目前有许多运用PLA 材料3D 打印的临时建筑复合夹层结构，可以更好地提高遇到灾难后临时性建筑的制作效率与抗震等性能。3D打印的蜂窝结构可以作为一种快速的可取得材料被用于制作大空间的难民居所。而对不同蜂窝结构的3D 打印试验测试证明蜂窝结构比目前许多临时性建筑所使用的材料构造强度更高，也更适用多种受灾情况，可以作为未来的快速装配住宅推广[11]。