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摘要：与传统建筑相比，大跨度结构的设计难度较高，且设计成果很容易产生能耗过高、结构承重能力差等问题。基于此，本文主要针对结构仿生的特征进行分析，并从结构仿生的设计原理、流程分析其在大跨度建筑设计中的应用，以期在丰富建筑大跨度建筑设计研究的同时，为结构仿生设计的实际应用提供良好的理论参照依据。
关键词：结构仿生；大跨度建筑设计；薄壳结构
前言：在我国经济的不断发展背景中，人们的生活质量发生了显著提升。这种变化促使人们逐渐将对目光从物质追求上转移到精神追求上。建筑设计质量与人们的日常生活息息相关，日益增长的精神追求使得人们对建筑的外形、审美提出了较高的要求。为了满足上述要求，建筑设计师可以将结构仿生这种新型设计方法引入实际建筑设计中。
一、结构仿生的特征
从整体角度来讲，结构仿生的特征主要包含以下几种：
（一）创新性特征
从本质角度来讲，可以将结构防身看成是一个选择仿生对象、建立仿生模型、实现仿生设计的过程。在整个设计流程中，无论哪一个环节都需要创新性思维的参与。
（二）节能性特征
结构仿生设计通过对植物、昆虫等对象的模仿，提升周围自然资源的利用率，进而提升设计成果的节能性水平。
（三）复杂性特征
结构仿生的主要优势在于：可以通过对力的分解与转移，承受较大的负荷。结构的分解与转移功能要求结构包含复杂的节点。此外，结构仿生的复杂性特征还体现在其模仿对象——各种自然形态的多样性方面。为了获得模仿对象的形态功能，需引入不同的技术与手段。
二、大跨度建筑的结构仿生设计
这里主要从以下几方面入手，对大跨度建筑的结构仿生设计进行分析和研究：
（一）交叉折板式结构方面
交叉折板式结构建筑的典型代表即北京奥运会主体育场，如图1所示。该建筑以鸟巢为原型，在鸟巢结构仿生的基础上，借助计算机技术构建相应的仿生模型，进而获得具有良好抗震性能、形态美观的建筑。在结构仿生设计过程中，参照鸟巢的受力原理、复杂节点，运用有限元载荷分析方法制作鸟巢仿生模型，并通过碰撞检查分析仿生模型的性能[1]，最终得出符合实际建筑要求的3D鸟巢模型。
图 1 鸟巢结构仿生——北京奥运会主体育场
（二）脊柱结构方面
最早运用脊柱结构进行建筑仿生设计的是西班牙建筑大师卡拉特拉瓦。这位建筑设计大师在研究人体脊柱时，从脊柱模型中得到了设计灵感。为了将这种模仿对象应用在大跨度建筑的设计中，他将人体脊柱构造中的脊椎用块体替代，将韧带转由钢丝替代，构建出了模仿脊柱受力的立体模型，成功分析出这种仿生结构的受力特征。为了获得形态美观、功能实用的大跨度建筑，卡拉特拉瓦将脊柱的旋转特征引入建筑设计中，对脊柱模型块体及钢管件之间的角度、长度进行调整，重新制作出可以旋转（受力）的建筑模型，最终成功将其应用在大跨度建筑设计工作中，即瑞典著名的旋转大厦。
（三）薄壳结构方面
薄壳结构将贝壳、鸡蛋等作为模仿对象，进行仿生设计。这种模仿对象的优势除了体外在令人沉醉的曲线形态方面外，其结构（受力）的合理性更是其得得以在大跨度建筑设计中应用的关键所在。以贝壳为例，从外观来看，贝壳所有方向的受力都具有相同的特征：即将贝壳的中心作为基点，呈平滑曲线状向外发散。当贝壳的某一点受到外力作用时，其构造会将该点的作用力发散出去，进而降低该点的负荷，保证整个贝壳结构的稳定性[2]。从结构厚度来看，虽然贝壳很薄，但较大的外力作用无法对其结构造成损坏。在对贝壳进行仿生时，利用玻璃纤维、金属板等材料制作出具有承重、覆盖2种功能的薄壳结构，借助自身的空间受力状态承受曲面内部的轴向力。以贝壳为模仿对象的薄壳结构建筑代表作为巴黎国家工业与技术中心陈列馆。该建筑运用最少的材料提升了整个大跨度建筑的承重性能及抗震性能，同时获得了最大的使用空间。此外，从审美角度来讲，薄壳结构的应用也产生了极大的艺术价值。
（四）树状结构方面
将树木作为模仿对象，设计树状结构仿生模型，将其用于大跨度建筑中，以改善大跨度建筑的形态及受力结构。这种模仿对象的仿生应用优势在于：树木通过多层级的扩散生长，实现力的分层传递，并将力经由树干导入地面，充分实现对巨大作用力的分解与转化。这种结构可以承受高于自身重量数倍的作用力。在树状结构仿生设计中，钢管材料的应用频率较高。其设计原理为：参照树木的真实形态，将一定数量的圆钢管组合成大跨度空间的树冠。在整个仿生模型实现过程中，分层钢管的衔接设计是模仿树木分层受力的关键。分层衔接部分处理合格后，整个树状结构可有效将钢材料的高强度、低质量特征体现出来。
（五）骨架结构
骨架结构仿生是指，通过对动物骨骼支撑功能的模仿，提升大跨度建筑的稳定性、硬度及强度。以恐龙这种体重巨大的动物为例，在觅食过程中，走动会对恐龙的四肢带来极大的负荷。恐龙的骨骼结构将重心固定在拱桥状骨架的中心（最高点）位置，当受到外力作用时，这种骨架结构可以加注胯骨及拱桥较低的两端将负荷转移至四肢，最终传导至地面。因此，在大跨度建筑结构仿生设计中，可以这类骨架结构通过类比模仿的方法进行应用：在模仿动物骨架结构受力原理的基础上，充分提升建筑结构材料的使用率，有效改善大跨度建筑的性能，使得建筑物的抗震性能等符合建筑设计要求。
结论：通过上述分析可知，结构仿生可以改善建筑的受力结构，提升其艺术价值。就大跨度建筑设计而言，可结合实际需求，将交叉折板式结构仿生、脊柱结构仿生、薄壳结构仿生等应用在实际的设计工作中。运用钢结构、玻璃纤维等材料完成自然原型的模仿，在缩减建筑成本的同时，提升大跨度建筑的节能性水平和创新性水平。
参考文献：
[1]李建华,张龙,黄锦源. 浅谈结构仿生在大跨度建筑中的应用分析[J]. 科技信息,2013,(23):220+274.
[2]杨雨桐. 浅议结构仿生在大跨度建筑设计中的应用[J]. 黑龙江科技信息,2016,(07):265-267.
论文作者:洪瑞鑫
论文发表刊物:《基层建设》2017年第31期
论文发表时间:2018/1/22
标签：结构论文; 建筑论文; 大跨度论文; 建筑设计论文; 脊柱论文; 受力论文; 贝壳论文; 《基层建设》2017年第31期论文;