仿生建筑的力学结构分析

仿生建筑的力学结构分

析

仿生建筑的力学结构分析

提要 ：贝壳是大自然创造出的最精美的有机造型之一，常备设计师们作为形态仿生的对象。这次我选择贝类的外壳作为研究对象，分析它的承载力以及它独特的魅力，并选取一些与贝壳相类似的建筑进行对比分析。 关键词：贝类 仿生建筑 代代木国立综合体育馆 世博会以色列国家馆 力学结构

好的建筑不仅在于它的美观，更在于它的结构与力。各种动、植物的骨架各有特点，它们都能根据各自的身体特点、体重选择最优的骨架。土木工程中各种承重骨架与大自然中动植物骨架也有奇妙的相似之处。建筑仿生向大自然学习，能够创造出丰富多彩、合理可靠的建筑。

? 关于仿生建筑的力学结构

仿生建筑以生物界某些生物体功能组织和形象构成规律为研究对象，探寻自然界中科学合理的建造规律，并通过这些研究成果的运用来丰富和完善建筑的处理手法，促进建筑形体结构以及建筑功能布局等的高效设计和合理形成。从某个意义上说，仿生建筑也是绿色建筑，仿生技术手段也应属于绿色技术的范畴。

建筑力学合理地分析整体结构、局部构件的受力性能，研究整体结构与局部构件的受力关系、传力路线，建筑力学为整体结构造型、局部构件截面形状提供了力学依据。

所谓结构，指采用一定的建筑材料，按照一定的力学原理和力学规律而构成的建筑骨架。

建筑仿生学的表现与应用方法，归纳起来大致有四个方面：城市环境仿生，使用功能仿生，建筑形式仿生，组织结构仿生。但其实土木工程师们经常将这些方法进行综合性的应用，已形成一种城市与建筑的仿生整体。

建筑仿生可以是多方面的，也可以是综合性的，如能成功应用仿生原理就能创造出新奇和适应环境生态的建筑形式。同时仿生建筑学也给人们暗示着必须遵循和注重许多自然界的规律，它告诉我们建筑仿生应该注重环境生态、经济效益与形式新奇的有机结合，仿生创新更需要学习和发挥新科技的特点，要做到这一点，建筑师必须善于应用类推的方法，从自然界中观察吸收一切有用的因素作为创作灵感，同时学习生物科学的肌理并结合现代建筑技术来为建筑创新服务。建筑仿生学是新时代的一种潮流，今后也仍然会成为建筑创新的源泉和保证环境生态平衡的重要手段。

建筑上离开力学原理的正确应用，虚伪的装饰、不必要的堆积、无规则的搬用，就会导致形式主义的出现，而运用仿生的手法，对自然界已有物种的力学结构进行合理的分析，就可以避免这种情况的发生。

? 关于贝类仿生建筑的力学结构分析

关于贝壳坚固的结构

贝壳是大自然所创造出的最精美的有机造型之一，常被设计师们作为形态仿生的对象。那么，我们就以贝壳为研究对象来讨论与其相似的建筑的力学结构。

贝壳的主要成分为95%的碳酸钙和少量的壳质素。我们都知道，碳酸钙是一种像粉笔一样易碎的化合物，但是贝壳为什么能经历成百上千次的敲击而不易碎？

除了因为它具有一种具有强大韧力之外，还因为它特殊的结构。贝壳中有用蛋白质组成的内外三层壳体。最外层为黑褐色的角质层（壳皮），薄而透明，有防止碳酸侵蚀的作用，由外套膜边缘分泌的壳质素构成；中层为棱柱层（壳层），较厚，由外套膜边缘分泌的棱柱状的方解石构成，外层和中层可扩大贝壳的面积，但不增加厚度；内层为珍珠层（底层），由外套膜整个表面分泌的叶片状霰石（文石）叠成，具有美丽光泽，可随身体增长而加厚。这三层壳体可能使微小的应力沿着这些层理分散开来，以防止某个灾难性裂纹产生。这一层的强度源于矿物的特殊排列，其基本标准结构部件为蛋白质包裹的霰石组成的矩形梁，这些梁又组合成了一个稍大的中型梁，中型梁再堆积成更大的结构。在各层这样的结构中，各相邻结构体均相互垂直。如果裂纹沿着中间层里的蛋白质条纹式边界到达临近的结构，就会碰到由霰石组成的壁。 具有贝类结构的建筑

1． 代代木国立综合体育馆

1964年东京奥运会主会场——代代木国立综合体育馆，是著名建筑师丹下健三结构表现主义时期的顶峰之作，具有原始的想像力，达到了材料、功能、结构、比例，乃至历史观的高度统一，被称为20世纪世界最美的建筑之一。日本现代建筑甚至以此作品为界，划分为之前与之后两个历史时期。而他本人也赢得日本当代建筑界第一人的赞誉。

代代木国立综合体育馆的力学结构是根据力学法则和几何学理论而创立出的奇妙的扭曲。

薄壳(qiao)结构.生物界的各种蛋壳、贝壳、乌龟壳、海螺壳以及人的头盖骨等都是一种曲度均匀、质地轻巧的“薄壳结构”。这种“薄壳结构”的表面虽然很薄，但非常耐压。模仿它们壳体在外力作用下，内力都沿着整个表面扩散和分布的力学特征，在建筑工程中早已得到广泛应用。日本东京的代代木体育馆则活像一只巨大的海螺，其外观曲线流畅、轻快、形态动人，被认为是当代最成功的体育建筑之一。

代代木国立综合体育馆位于东京代代木公园内.占地约91公顷，包括一幢游泳馆和一幢球类馆.由于创造性地把新结构形式和建筑功能有机地统一起来，并且体现了日本风格，因而受到国际建筑界的广泛重视.游泳馆用于游泳、滑冰、拳击等比赛，1500座.平面为两个对错的新月形，长边240米，短边120米.屋顶采用悬索结构.长轴方向有两根钢筋混凝土桅杆柱，高404米，跨度126米，用以支承两根主索.每根主索各由37根外经33厘米的钢缆组成，次索沿短轴方向布置，跨过主索与外围的钢筋混凝土承力环连结.索网覆盖以焊接起来的45毫米厚的钢板；内表面用石棉板保护.主索两端所形成的三角形入口，自然地把观众导入馆内.利用两根主索之间的缝隙设置顶光，勾划出屋脊的轮廊，在视觉上有助于形成一个流线型的宏伟别致的内部空间.球类馆400座，平面为蜗牛形，直径70米.屋顶采用单根主索螺旋形布置.两馆相映成趣，协调而有变化.贝类结构的流线型使应力分散，力流减小，跨度增大。

2． 世博会以色列国家馆

以色列国家馆由两座流线型建筑体组成，还想环抱在一起的双手，又好似一只海中的贝壳，虽然体积不大，却充满了想象和智慧。 先进的技术带来的发展

令人欣喜的是，计算机行业的飞速发展给建筑行业带来的好处是不可小觑的，利用计算机构图建立力学模型的手法以不鲜见。下面列举一些由计算机构图的贝壳曲面造型程序建立的典型的贝壳曲面。

在工程的结构设计中，应考虑结构的安全性、实用性和耐久性。在考虑结构的稳定性和强度，使结构在规定的条件下和规定的使用期限内，能实现一定的功能的同时，还要考虑经济因素，如做到用材省、成本低等，换句话说，就是力求以最低的成本使所建造的结构达到预定的要求。优秀的结构设计不仅表现在结构的实用功能上，也表现在形式上，特别是功能与形式的统一上。

大自然的力量是伟大的 ，大自然中的动植物的构造也都是最合理的，利用模仿大自然中动植物的力学结构的方法创造出的建筑物，常常能够达到技术美与艺术美的完美统一。 参考文献： i. 《第六届全国现代结构工程学术研讨会论文集》 ii.《金属世界》 2001年01期 iii. 《世博会以色列馆与海贝壳对话》2009年 iv.《建筑之美力学之美》 百度文库 2011.10.25

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