解密那些你好奇的建筑结构:道法自然-仿生结构

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《道德经》有云：“人法地、地法天、天法道、道法自然”。

根据进化论的原理，现今存世的事物都是经过大自然千万年来“优选”后的产物，其材料与力学性能都是久经考验的，而我们近百年才发现的力学原理也与之不谋而合。因此，很多项目在设计过程中就从自然法则中得到了启发。今天小i就为大家介绍几个有趣的案例。

竹子与高层

竹子我们大家都很熟悉，又细又长（高宽比大），且重量轻强度大，在台风中很少看到竹子被吹断的，在很多地方都将竹子作为建筑材料使用，可见其构造是极其符合力学原理的。

竹子的典型段包含竹节和节间，其中节间是空心的，所有的材料都集中在外侧，这样在减小了自重的同时也增大整个截面惯性矩，其微观特性也反映了同样的规律，越靠近边缘细胞越为致密，使得整个截面惯性矩最大化。

节点处内部有横膈，横膈避免了柱子由于过长而出现局部失稳破坏，类似于我们构件中的加劲肋。细心的朋友可能发现，竹节也不是均匀分布的，在底部和顶部分布更密，而在中间段分布较疏。这种分布规律也极为符合力学原理，充分做到了好钢用到刀刃上。同时自下而上竹节的直径也是逐渐缩小的，这样也在无形中减小风荷载。

经研究柱子直径、竹节间距、壁厚的变化并不是没有规律，事实上是可以被数学表达的。

SOM将竹子的这些特性应用到了中国国际贸易中心（China World Trade Center）的结构方案设计中。塔楼在高度方向被分成八段，底部受力最大，因此底部节间长度较小以增强塔楼稳定性。同时自下而上结构直径逐渐减小，以减小风荷载的作用。并且仿效竹子的形状特性规律，对外形及壁厚进行了数学表达。

其中，n是根据总层数与建筑体形所规定的形状系数，N是结构总高度，yn是每段的节间长度，dn是节间直径，t是壁厚。

结构采用外部巨型支撑+内部带伸臂桁架的框架核心筒双重结构体系，外部支撑结构和内部框筒结构都遵循同样的分布规律。外部巨型支撑结构相当于竹子的外壁纤维，支撑长度可根据公式2算出。内部结构的伸臂桁架就相当于竹节，桁架间距在中部最大，在上下两头最小。同时，构件的壁厚就相当于竹壁壁厚，可根据公式4推出。

可见，在SOM的这个设计中，对于竹子的借鉴并不是只停留在概念上，或只把仿生作为一个噱头。而是对整体形态及构件壁厚均参照竹子做了数学表达。从结构设计理念和创新上来说，SOM在高层设计领域还是很先进的。

螺旋与网格

自然界中很多物体明明风马牛不相及，但是形式却极其相似，比如仔细观察风暴眼、和贝壳，可以发现不约而同都是螺旋形。在20世纪初Michell在他对悬臂梁的研究中发现了这个规律。对于一个悬臂构件，在端头施加一个点荷载，其主应力的流线方向恰好符合螺旋形。而后随着计算机技术发展，通过拓扑优化算法进行结构优化时，也得到了相近的答案。

在洛杉矶Transbay Transit 塔楼的设计中，设计师将其用于了外部支撑体系的优化。其外部支撑呈螺旋形，下部有两处脚点落地，此处即相当于“风暴眼”的位置，是受力最为集中的地方，因此网格也最为密集。自下而上结构受力逐渐减小，因此网格也逐渐变疏。支撑的布置方式符合内力的分布规律，因此整个结构抗侧效率高、材料用量省。

同时，这种支撑布置方式和蜘蛛网一样，还有一定的“自我修复”功能。如在火灾或时某处支撑破坏，力会绕过此处通过其相邻杆件流向基础，而不至于造成建筑的整体垮塌。

树叶与支撑

有没有读者发现树叶的两面是不一样的？正面朝上吸收阳光进行光合作用，背面则为根茎支撑树叶表面。这个理念则在广州保利国际广场的设计中得到了应用。

这个项目北侧面对珠江，南侧朝阳且对节能和碳排放要求很高。设计时如何能在既照顾到节能的情况下，又可以尽量通透方便人们欣赏江景呢？此时设计师想到了树叶的两面性，在南侧布置两层通高的巨型框架抵抗结构的侧向荷载。并且设计师特意把支撑结构从主体结构中拉出来，起到节能减排的作用。在夏季太阳角度高，因此支撑会形成阴影起到遮阳的作用；而在冬季太阳角度更平，支撑间的间隙会让和暖的冬日阳光撒进大楼，可谓一举两得。

北面的景观侧采用框架结构，由于侧向力主要由南侧的巨型支撑承担，因此北侧框架柱可以尽量做小，最大限度满足人们观景的需要。整个建筑南侧北侧各有侧重，结构体系融入到了建筑功能中，最终完成效果也很不错。

关节与节点

人体骨骼的构造是很精妙的，不同部位的骨骼连接方式满足不同的运动需求和力学性能。如头骨要保护大脑且要有一定消化变形的能力，因而就相当于齿牙连接；肘关节和髋关节要让手臂和大腿能够灵活运动，相当于铰接连接；指关节要消散冲击能量，因此为滑动连接。可见我们结构中用的大多数连接方式，在人体关节中都能找到，甚至更加精妙。

基于肩关节的特性，SOM开发了一种铰接节点。与普通的销轴连接节点不同，在杆件端部设置了一块半圆形端板，同时在节点端有一块半圆形端板与之对应。设计师可根据计算需要在两块端板间设置适当的摩擦系数，在常规荷载作用下类似于刚性节点，以保证结构在常规荷载下的刚度。而在大震作用下，则可以通过节点滑动时端板间的摩擦起到消耗地震能量的作用。

北京的保利集团总部单层索网幕墙中摇臂节点也受到了关节的启发。

结构分析表明，在不提供额外支撑的情况下，22层高通高平面索网幕墙是无法实现的。因此设计师将幕墙面设计为折面，并增加了两条巨型对角拉索沿折线布置，从博物馆屋顶一直延伸到中庭顶部。

经计算在地震作用下，建筑屋顶相对于下方十层以上博物馆结构，会产生进0.9米相对运动。而使用传统的固定铰支座，在单方向运动下支撑一根受拉一根受压，单根受力过大导致截面过大。

因此设计师设计了摇臂连接节点，其中摇臂充当了“杠杆”的作用，在一根拉索受到拉力时会拉动杠杆的一头向上运动，另一端本该受压的拉索为了平衡杠杆两端不平衡力也会受拉，因此就增加了结构的整体刚度，从而减小拉索截面。

设计团队还进行了模拟实验，以此来验证他们的构思。结果表明与预期一致，结构整体刚度显著提升，在减小了拉索直径的同时，增加了索网幕墙的安全度。同时由于其精妙的细节，节点本身也成为了建筑景观的一部分。

其他

仿生学在结构中的应用由来已久，但大多是存在于结构概念中，二者之间的关系看起来似有似无。但近些年来随着人们对自然和对结构设计知识的运用越来越成熟，更多实际的设计在大自然中找寻到了规律和灵感。由于篇幅有限，小i就不在这里一一介绍了，下面为大家提供一些图片，相信聪明的你从图片中也能看出其中的联系。

体构造与结构高宽比

细胞结构与支撑形式

风暴形状与支撑效率

斐波那契数列分布

恐龙构造与悬索桥

蜘蛛网与索网幕墙

参考资料

1）Natrure|Structure  SOM

2) Structural Bionic Design and Experimental Verification of a Machine Tool Column, Ling Zhao

3) The Anatomy of a Human Body, a Model to Design Smart High Building, Katayoun Taghizadeh

4) Bionic Architecture, Forms and Constructions, Mehdi Sadri

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