从仿生学原理谈伦敦国王十字车站建筑结构设计

2023-08-21顾骏

工程建设与设计 2023年15期

1 引言

人类在向自然学习的过程当中，学到了很多的知识。自然界中的许多独特结构，如蜗牛壳、贝壳等，都为建筑提供了美学和装饰价值的灵感。

从自然界中汲取灵感并将其融入建筑设计中，是一种富有创意的设计方式。在探索建筑结构的最小化过程中，我们需要根据受力逻辑和原理，充分优化建筑体量和用材，在保证建筑结构稳定及安全的前提下，让其更为美观、环保、经济，为人们营造出更加宜居的空间。

20 世纪，有多位建筑研究者积极探索和研究材料、结构和形式与自然力之间的关系。他们将所有的平面规划和建筑主体都充分考虑仿生学原理和大自然的美学，采用符合生物生长的自然法则。这种设计方法不仅可以提高建筑的性能和美观程度，也可以保证其与当地环境充分融合，形成一个具有亲生物美学的建筑。

伦敦国王十字车站的建筑结构设计中就采用了多种仿生学原理，将这些原理与建筑结构的稳定性和美学关联起来。

2 半圆形的平面布局（Symmet r y）

伦敦国王十字车站的新设计部分采用完全对称的半圆形平面布局。这种布局的优点在于其对称性使得结构更加稳定，且能够提高建筑的空间利用率。同时，半圆形的布局也符合自然界中一些形态的特征，如壳牌或树木截面等。这种布局方式还可以有效地降低建筑的风阻力、减少噪声和震动传递。

3 斐波那契数列的运用（Pr opor t i on）

通过对向日葵或雏菊等植物的辐射状图案进行研究，我们可以发现著名的斐波那契数列。斐波那契数列是一种在自然界中广泛存在的数学规律，它的前两项为1 和1，从第三项开始，每一项都是前两项之和，即1、1、2、3、5、8、13、21、34、55、89……[1]。在伦敦国王十字车站的建筑结构设计中，设计师采用了斐波那契数列的几组数字，如5、8、13、21、34、55、89 等，来规划建筑的外形和支撑杆件体系。例如，屋顶框架的支撑点数量为89 个，这与斐波那契数列中的数字相同。由这些数字组成的整个结构构件体系，增加了建筑结构的合理性与稳定性。

在植物生长的过程中，为何会出现斐波那契数列，我们通过对可产生辐射状图案（见图1）的生物进行深入了解与分析得知，植物为了得到最大化地获取阳光和空间，会采用137.5°的黄金角度螺旋发展。黄金角度大概是在数学上和斐波那契数列关系最密切的因素，也是植物生长出斐波那契数列的原因，这为我们揭开大自然的内在规律提供了一个非常有用的思路。

图1 植物放射性排列图案

在植物生长的过程中，它会不断地扩展其外壳边缘，一旦形成发育图形，新的图形就会在原有的图形基础上不断扩张。黄金角度可以使原始基体更紧密地排列在一起，从而通过最优化的组织达到光合作用效率的最大化，并最有效地利用植物自身材料，使其在与其他植物的竞争中获得优势。

黄金角度的大小实际上是由太阳光和植物自身生长发育共同影响而产生的，旨在最大化生长空间。科学家通过用计算机模拟原基生长的动态过程，证实了黄金角度的重要性以及其与斐波那契数列之间的关系。最简单的描述方法是，将斐波那契数列中相邻的两个数字相除，构成3/5、5/8、8/13 等数，用这些数表示圆弧度数，最后会趋近于222.5°。而黄金角137.5°的补角，正是222.5°。这就解释了为什么黄金角度与斐波那契数列密切相关。在植物的生长过程中，需要用叶子进行光合作用。叶子、花瓣、花萼等，在植物茎秆上生长出来的地方，就是原基。而这些原基生长的角度，恰恰就是黄金角——137.5°。也就是说，在植物的生长过程中，会不断有新的原基产生。如果新的原基需要挤占旧原基的位置，那么这两个原基就会按照137.5°的夹角进行生长。原基的几何结构与斐波那契数列有关，这也是为什么很多花的花瓣数受斐波那契数列的支配。在斐波那契数列原理作用下的黄金角，保证了每个原基上长出的叶片、花和蕊都能够获得最大的生长空间，叶片会获得充足的阳光，花瓣和花蕊能够有充分的空间来吸引昆虫传粉，使得植物获得最大化的生长空间。

4 树状钢柱的设计（Br anchi ng）

伦敦国王十字车站是英国最繁忙的火车站之一，每天有数以万计的乘客在这里出入。对这座历史建筑进行改造后，完全保留了其历史风貌，被认为是近年来最成功的大型历史建筑改造工程之一。设计师采用了斐波那契数列中的几组数字，使新设计部分的平面布局呈现完全对称的半圆形。车站广场顶部为拱形，最高约20 m，长度达150 m（见图2）。车站入口从西广场的最南端贯通到最北端，是欧洲最大的单跨式结构体，面积达到了4 500 m2。 16 条树状钢柱向四周发散，西广场与旧车站的墙面相接，仍然可以看到旧车站所有的砖体和砌体结构。该站的结构设计由奥雅纳公司（ARUP）完成，建筑设计由约翰·麦卡兰建筑事务所（John McAslan+Partners）完成。如此大规模的交通枢纽建筑，需要巧妙设计才能满足车站建筑的功能需求和安全要求。

图2 伦敦国王十字车站广场顶部

伦敦国王十字车站的主屋顶是由钢桁架梁支撑而成，这种结构与植物的藤蔓系统类似（见图3）。仿生学的启示告诉我们，藤蔓系统的形态是基于机械稳定性和负载均衡原则的。同样，钢桁架梁支撑的屋顶也是遵循了这些原则，保证了建筑结构的稳定性[2]。

图3 国王十字车站大厅结构骨架

整个建筑的设计从结构开始，呈现出一种打开的树状大伞形态（见图4），在地面上生长并向上延伸到空中。所以整个新建建筑看上去非常轻盈飘逸，通过大小不同的三角块的组合，精确地构建了空间，既具有优雅自然的形式美感，又具有模块化和重复性的结构，方便制造和安装。

图4 国王十字车站大厅结构骨架

支撑结构覆盖了需要设计的半圆形空间。空间被一张网包裹，整个斜肋构架结构看起来像一个可欣赏的雕塑构件，它把力的传递过程一步步展现给了大众。这种结构的受力过程成了美学符号，或者说是美学的过程。运用大自然中最小作用量的原则，将受力通过计算形成一个整体。它与历史保护建筑形成了对比，刚硬挺拔雄伟的保护建筑和钢结构玻璃所组成的轻盈的扩建部分相得益彰，形成了一个很美的整体。

最上层的围护结构是由玻璃幕墙和铝板幕墙构成的整体，它被架在支撑结构之上，与支撑结构相分离。支撑结构逐步分解重力，最终传递到地面。这个传递过程实际上是将重力分解并可视觉化，把大自然中不可见的力进行传递和流动，单独抽列出来而形成了建筑结构，就像植物经脉一样的组织，并把它展现出来。所以，这里所呈现的美是建筑自然生成过程中的合理、必然的结果——合理性是第一位的，美学是第二位的。设计师只是把这两者完美地结合在一起了。

此外，伦敦国王十字车站还采用了多层次的空间设计，这也是仿生学原理的体现。仿生学认为，生物体内部的结构很少是单一的，而是多层次的。在建筑设计中，多层次设计可以提供更多的功能、更大的灵活性和更高的效率。伦敦国王十字车站利用多层次结构来容纳不同的功能区域，如售票厅、候车室和商店，以及连接这些区域的连廊和楼梯。这种设计使得乘客能够更方便地进行换乘，并且有助于管理人流量。二层新建连廊采用曲线形状，将周边的商业与火车站空间连接起来，制冷制暖设备等功能性设施也被放置于此，解决了大空间设备的隐藏问题。

建筑师们对自然形态和数学关系进行研究发现，许多设计可以把自然作为形式和逻辑的来源。在这个过程中，可以通过数学规律或者方程式来寻找合理的构造学、类型学和建造方法，从而产生创新思路。这种设计方法不仅能够提高建筑的性能与美观程度，也能够保证其与自然环境充分融合，实现最佳的可持续发展效果。