從薄殼結(jié)構(gòu)看建筑結(jié)構(gòu)仿生

1 / 5 從薄殼結(jié)構(gòu)看建筑結(jié)構(gòu)仿生 從薄殼結(jié)構(gòu)看建筑結(jié)構(gòu)仿生 【摘要】本文試從自然界中的薄殼結(jié)構(gòu)入手，談?dòng)懡ㄖ诮Y(jié)構(gòu)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(fēng)。同時(shí)針對幾個(gè)具體的建筑淺談薄殼結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，以期通過本文，進(jìn)一 步 激 發(fā) 我 們 探 索 自 然 的 好 奇 心 和 結(jié) 構(gòu) 構(gòu) 思 的 靈感。 1960 年在 的研討會(huì)上提出：生物的原型是打開新技術(shù)奧秘的鑰匙，從而首次確立了仿生學(xué)的法律地位。 1建筑仿生學(xué)則是仿生學(xué)的一個(gè)重要分支。它試圖通過大自然獲取布置結(jié)構(gòu)形式的靈感，使得傳力 更加合理。 正如達(dá) 芬奇所說 ,“ 人類的靈性將會(huì)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?yàn)樽匀坏漠a(chǎn)物都是恰到好處的。 ” 事實(shí)上，各種生物的結(jié)構(gòu)不乏可供人們效仿的典范，它們由內(nèi)至外無處不體現(xiàn)著對空間、能源利用的高適應(yīng)性、高科技性、以及經(jīng)濟(jì)合理性。因此無論是一個(gè)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(jié)構(gòu)的雛形，由它們所引發(fā)的建筑結(jié)構(gòu)的變革也不斷推動(dòng)著建筑結(jié)構(gòu)的完善。 概述 薄殼結(jié)構(gòu)是一種曲面的薄壁結(jié)構(gòu)，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(qiáng)度，同時(shí)又能2 / 5 將承重與圍護(hù)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(zhì)地輕巧的 “ 薄殼結(jié)構(gòu) ” 。這種 “ 薄殼結(jié)構(gòu) ” 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(huì)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(dá) 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(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)雞蛋均勻受力時(shí)，它可以承受 相當(dāng)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(xué)的結(jié)構(gòu)分不開的。蛋殼結(jié)構(gòu)可 分為三層：外層為表皮層，中層為海綿層，內(nèi)層為乳頭層。這三層具有不同彈性模量的顯微結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個(gè)天然的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系，從而形成了一個(gè)科學(xué)的傳力路徑，很好地將力分散至外部，有效地避免了應(yīng)力集中。 讓我們進(jìn)一步分析弧形圓頂?shù)氖軌簝?yōu)勢。在如圖 1 所示的實(shí)驗(yàn)中 3，將兩個(gè)蛋殼懸空放置，一個(gè)圓弧朝上，另一個(gè)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(dá)到某個(gè)高度時(shí)，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(dāng)力 F 垂直作用于蛋殼時(shí)，它在兩蛋殼表面各自產(chǎn)生分力 于蛋殼 來說，從微觀角度看，不受外力作用時(shí)，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(jié)構(gòu)自身來說，由于蛋殼有縱橫兩個(gè)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(gè)狹長窄條，它在單獨(dú)受力時(shí)類似于拱結(jié)構(gòu)，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(shù)個(gè)窄條所組成的殼面內(nèi)的力彼此作用，因而形成了一個(gè)剛勁的殼體。 4 因此，無論從結(jié)構(gòu)的傳力路徑還是從結(jié)構(gòu)自身的剛度分析，蛋殼的這種結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu)類型的建筑。這是一種正高斯曲率的旋轉(zhuǎn)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(gè)薄殼擱置在支承構(gòu)件上。 基于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的這種良好的空間傳力性和能以較小的構(gòu)件厚度形成承載能力高、剛度大的承重結(jié)構(gòu)，能覆蓋或維護(hù)大跨度的空間而不需中間支柱的特點(diǎn)，我們將其廣泛應(yīng)用在了大跨度大空間的建筑中，如火車站、飛機(jī)場、大劇院等?？v觀歷史，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)無論是 文藝復(fù)興時(shí)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(gè)半圓形薄殼結(jié)構(gòu) 德國蔡斯工廠天文館，抑或是美國通用汽車公司技術(shù)中4 / 5 心，我們都能看到曲殼結(jié)構(gòu)的身影。 而在我國，談到網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)，北京市建筑設(shè)計(jì)研究院參與主體設(shè)計(jì)的。從 1958 年周恩來總理親自選址，到 2017 年項(xiàng)目建成，國家大劇院這個(gè)國家的標(biāo)志建筑歷時(shí)整整 49 年最終落成。為了與人民大會(huì)堂交相呼應(yīng)，卻又不喧賓奪主，建筑師巧妙地將蛋殼的造型應(yīng)用到了這一公眾期待極高的建筑中。當(dāng)然， 當(dāng)這一方案中標(biāo)后，玄即引起了媒體的廣泛關(guān)注。在批評與贊美聲中，這個(gè) “ 蛋殼 ” 最終堅(jiān)守了下來。下面讓我們進(jìn)一步來看看它是如何仿生的： 該工程外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼，是半橢圓球形，東西長軸，南北短軸，總高度，當(dāng)之無愧地成為了具有世界上最大的穹頂?shù)慕ㄖ?。大劇院?nèi)設(shè)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(jié)構(gòu)大空間的優(yōu)越性能。網(wǎng)殼由徑向及環(huán)向桿件組成并在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)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(shí)腹桁架，環(huán)向則由單桿組成。 5 利用彈性力學(xué)知識，殼體的應(yīng)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(yīng)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(fù)荷的增加而向支5 / 5 撐方向增大，同時(shí)使薄殼得以加強(qiáng)而不會(huì)變形。 國家大劇院整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)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(dāng)一根骨架受到壓力時(shí)，它會(huì)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(huì)把一根鋼梁受到的巨大壓力，分配到整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)上。這很自然地讓我們聯(lián)想到上文談到的蛋殼的實(shí)驗(yàn)。頂環(huán)梁所