從薄殼結構看建筑結構仿生

1 / 5 從薄殼結構看建筑結構仿生 從薄殼結構看建筑結構仿生 【摘要】本文試從自然界中的薄殼結構入手，談討建筑在結構方面的仿生：從圓頂薄殼探討大空間建筑的抗壓；從柱面薄殼探討高聳建筑的抗風。同時針對幾個具體的建筑淺談薄殼結構在實際工程中的應用，以期通過本文，進一 步 激 發(fā) 我 們 探 索 自 然 的 好 奇 心 和 結 構 構 思 的 靈感。 1960 年在 的研討會上提出：生物的原型是打開新技術奧秘的鑰匙，從而首次確立了仿生學的法律地位。 1建筑仿生學則是仿生學的一個重要分支。它試圖通過大自然獲取布置結構形式的靈感，使得傳力 更加合理。 正如達 芬奇所說 ,“ 人類的靈性將會創(chuàng)造出多樣的發(fā)明來，但是他們并不能使這些發(fā)明更美妙、更簡潔、更明朗；因為自然的產物都是恰到好處的。 ” 事實上，各種生物的結構不乏可供人們效仿的典范，它們由內至外無處不體現(xiàn)著對空間、能源利用的高適應性、高科技性、以及經濟合理性。因此無論是一個小小的蛋殼，還是挺拔的竹子，抑或是隨處可見的蘆葦都成為了我們建筑結構的雛形，由它們所引發(fā)的建筑結構的變革也不斷推動著建筑結構的完善。 概述 薄殼結構是一種曲面的薄壁結構，按曲面生成的形式分為筒殼、圓頂薄殼等。殼體能充分利用材料 強度，同時又能2 / 5 將承重與圍護兩種功能融合為一。生物界中，各種蛋殼、貝殼、烏龜殼以及人的頭蓋骨等都是一種曲率均勻、質地輕巧的 “ 薄殼結構 ” 。這種 “ 薄殼結構 ” 的表面雖然很薄，但非常耐壓。 圓頂薄殼 大空間建筑與抗壓 談到圓頂薄殼，我們會很自然地想到平常最熟悉不過的蛋殼。從幾何形態(tài)上看，蛋殼的厚跨比可達 1： 120，以極少的材料創(chuàng)造了廣大的空間。從受力方面來看，實驗證明，當雞蛋均勻受力時，它可以承受 相當于本身重量六百多倍的壓力而不被破壞。蛋殼具有如此大的承受力，是與它特有的蛋形曲線和科學的結構分不開的。蛋殼結構可 分為三層：外層為表皮層，中層為海綿層，內層為乳頭層。這三層具有不同彈性模量的顯微結構構成了一個天然的預應力結構體系，從而形成了一個科學的傳力路徑，很好地將力分散至外部，有效地避免了應力集中。 讓我們進一步分析弧形圓頂的受壓優(yōu)勢。在如圖 1 所示的實驗中 3，將兩個蛋殼懸空放置，一個圓弧朝上，另一個朝下 (B)，在高處拿一支筆，讓其自由落體并擊中蛋殼，鉛筆與蛋殼的間距達到某個高度時，蛋殼 B 首先破碎。其中的原因可從兩方面分析。一方面，如圖 2 所示，當力 F 垂直作用于蛋殼時，它在兩蛋殼表面各自產生分力 于蛋殼 來說，從微觀角度看，不受外力作用時，它的分子間3 / 5 距在左右。對蛋殼 A， F 作用瞬間，分子間距減小，從圖 3可知， 另一方面，從結構自身來說，由于蛋殼有縱橫兩個方向的曲率，使其形成一自然剛度很大的殼體。這種曲面殼體剛度大的原因可作如下的分析：如果我們沿橢殼的長軸方向取出一個狹長窄條，它在單獨受力時類似于拱結構，在僅承受自重的情形下，上部有下陷的變形趨勢；而下部有外張變形趨勢。無數個窄條所組成的殼面內的力彼此作用，因而形成了一個剛勁的殼體。 4 因此，無論從結構的傳力路徑還是從結構自身的剛度分析，蛋殼的這種結構 形式都對于我們的建筑有著很好的啟迪作用。所以以蛋殼為原型，我們在建筑引入了圓頂薄殼這一結構類型的建筑。這是一種正高斯曲率的旋轉曲面殼，由殼面與支座環(huán)組成，殼面厚度做得很薄，一般為曲率半徑的 1 600，跨度可以很大。支座環(huán)對圓頂殼起到圍箍的作用，并通過它將整個薄殼擱置在支承構件上。 基于網殼結構的這種良好的空間傳力性和能以較小的構件厚度形成承載能力高、剛度大的承重結構，能覆蓋或維護大跨度的空間而不需中間支柱的特點，我們將其廣泛應用在了大跨度大空間的建筑中，如火車站、飛機場、大劇院等?？v觀歷史，我們會發(fā)現(xiàn)無論是 文藝復興時期建造的意大利佛羅倫薩主教堂和圣彼得大教堂還是第一個半圓形薄殼結構 德國蔡斯工廠天文館，抑或是美國通用汽車公司技術中4 / 5 心，我們都能看到曲殼結構的身影。 而在我國，談到網殼結構建筑，就不得不談我們的國家大劇院。國家大劇院是由法國建筑師保羅 安德魯主持設計，北京市建筑設計研究院參與主體設計的。從 1958 年周恩來總理親自選址，到 2017 年項目建成，國家大劇院這個國家的標志建筑歷時整整 49 年最終落成。為了與人民大會堂交相呼應，卻又不喧賓奪主，建筑師巧妙地將蛋殼的造型應用到了這一公眾期待極高的建筑中。當然， 當這一方案中標后，玄即引起了媒體的廣泛關注。在批評與贊美聲中，這個 “ 蛋殼 ” 最終堅守了下來。下面讓我們進一步來看看它是如何仿生的： 該工程外部圍護結構為鋼結構網殼，是半橢圓球形，東西長軸，南北短軸，總高度，當之無愧地成為了具有世界上最大的穹頂的建筑。大劇院內設歌劇院 2416 席、音樂廳 2017席及戲劇院 1040 席，充分體現(xiàn)了殼體結構大空間的優(yōu)越性能。網殼由徑向及環(huán)向桿件組成并在適當的位置設交叉斜撐。徑向桿件為鋼板截面和 T 型截面組成的兩種類型的實腹桁架，環(huán)向則由單桿組成。 5 利用彈性力學知識，殼體的應力是與其 邊緣相切的，因此一根根沿切向布置的桿件恰恰保證了殼體應力的短捷傳遞和殼體的穩(wěn)定性。大劇院的橢球形的屋面是由雙向曲率的大曲面所組成的，屋頂邊緣肋條斷面隨所負荷的增加而向支5 / 5 撐方向增大，同時使薄殼得以加強而不會變形。 國家大劇院整個鋼結構的頂部被稱為頂環(huán)梁，它的作用是固定和聯(lián)通擁有巨大跨度的鋼骨架，當一根骨架受到壓力時，它會把力傳到頂環(huán)梁上，由于頂環(huán)梁連接著所有的鋼骨架，它就會把一根鋼梁受到的巨大壓力，分配到整個鋼結構上。這很自然地讓我們聯(lián)想到上文談到的蛋殼的實驗。頂環(huán)梁所