从薄壳结构看建筑结构仿生

　　早在古希腊时期，希腊人建造的神庙的立柱，在高度的一半处有一个隆起——卷杀也是利用这种原理增大了立柱对风荷的抵抗能力。事实上，竹子的这种结节在茎杆中也是普遍存在的。G•沙肯亚姆(G-Sarkn]am)曾对茎杆对于风荷载的抗挠曲能力的周边分布和挠曲力矩在结节范围内的减弱原则作了深入的分析，并作了如下比喻：一个自由立着的石柱在极高的水平荷载作用下可能分裂成4个不同高度的段落，每一段落的大小与该段落的力矩面的高度约各自相等。因此在自然界中的茎杆在一定的间距时就生长出带叶鞘的结节，坚硬的叶鞘在一定程度上可以说是一个“铰式减震器”。它可以减小弯矩、包住继续向上生长的延伸部分，并使茎杆的弯矩图变得均匀，受力更加合理。
　　仔细观察，我们发现这种间距并不是随意为之，而是符合科学规律的（如图9[8]）。结节的位置恰好位于被等分的弯矩图的各自面积的重心处。因为只有这样才能使得力矩分配更加均匀。这种精确度着实令人惊讶，但这不是巧合，而是一种必然，是草茎适应环境，不断进化的结果。如果因为某种外在原因，打破了生物的这种规律，（如上文提到的由于雨水过多造成禾苗节间距过大）根据自然的法则，它终将被其它生物所淘汰。
　　
　　a） 具有阻尼结节叶鞘的草茎b）无叶鞘草茎在风荷载下的弯矩图
　　c）草茎结节位置的分布与弯矩图等面积的各部分的重心位置吻合
　　d）有叶鞘草茎在风荷载作用下的弯矩图
　　图9草茎的结节分布分析
　　受以上的启发，在建筑工程中，我们在筒壳结构中往往会添加膈板等加劲构件，用以抵抗风荷载引起的结构失稳现象。这一启示尤其成功地应用到了高耸建筑中。例如以自然界草本植物茎杆的结节为原型，苏联建筑师A•L•L设计出一个构架，用于多功能用途的超高塔式建筑。通过模仿禾科植物茎杆，他在这个构架上按照一定间距安设阻滞振盈的结构，减少了挠曲力矩。[5]还有世界最高建筑之一的日本东京千年塔也是对竹子中空结构和竹节分布的一种借鉴。而美国芝加哥希尔斯大厦，更是以筒壳结构为原型，将9个22.9×22.9米的方筒组合在一起，形成了110层442m高的摩天大楼（见图10）。
　　希尔斯大厦在1974年落成时曾一度是世界上最高的大楼，超越当时纽约的世贸中心。目前它仍然是世界最高的建筑之一。这么高的建筑是怎么建成的呢？大厦的结构工程师F.卡恩，为解决像希尔斯这样的高层建筑的抗风结构问题绞尽脑汁，最终他首次提出了束筒结构体系的概念并将其付诸实践。这种概念的创新之处在于，它不但提出了应用筒壳结构，而且还设想将筒壳集结成束，这无疑是令人信服的。因为正如前述，像竹子一样的筒壳结构整体性好且受力均匀，本身就具有“宁折不弯”特点。当我们把九个这样的筒壳集结成束时，它所能承受的风荷载更是成倍的提高。
　　值得一提的是，由于各个筒壳的相互作用，这种提高并不是简单的相加。我想这和我们平时用手去折一根筷子很容易，但是将九根筷子捆成束却很难将它们折弯的道理是一样的。该束筒结构体系由九个高低不一的方形空心筒体集束在一起，而且不同方向的立面，形态各不相同，使得建筑高层富有动态变化的美感。从一个悬臂梁在风荷载作用下的弯矩图中，我们可以清楚的认识到：挠度最大的点产生在悬臂梁的自由端，而弯矩最大处却是梁的固定端。因此，建筑师运用了“锥形法则”，巧妙地将整个建筑分段呈锥形收缩：在51层以上切去两个对角正方形，67层以上切去另外两个对角正方形，91层以上又切去三个正方形，只剩下两个正方形到顶。
　　事实上，这种锥形原理在自然界也随处可见。细查各种向上生长的植物枝干，几乎无不遵循着锥形原理。大厦的这种处理方法，不仅突破了顶部天际线的平头规则，而且减少了风力的影响。大厦顶部的设计允许位移仅为900mm，打个比方，一阵足以造成帝国大厦顶层摇摆10cm的飓风，对于高出帝国大厦100多米的希尔斯大厦而言，仅会使其顶部摇动至多2-3cm，这种抗风能力，正是得益于对筒壳结构的合理运用。整幢大厦被当做一个悬挑的束筒空间结构，离地面越远剪力越小，大厦顶部由风压引起的震动也明显减轻。
　　
　　图10希尔斯大厦的实景照片与外观模型
　　我想，筒壳结构在建筑中的应用是具有划时代意义的。它突破了高层建筑的许多技术，尤其是抗风的难题。但是我们对自然界的学习是无止境的。建筑与植物的茎杆从微观和亚微观的角度上来说具有本质的不同：前者大多是不同无机材料的组合体，而后者则是具有生命特征的有机体。
　　仅就弹性这一特性而言，植物的茎杆就显得精明许多。仔细观察植物的茎杆，我们发现它的弹性是各种不同的细胞成长所产生的结果。髓细胞与外部细胞要长得快，由此而产生的内部压力就是在外部范围内造成延性和弹性。此外，树干还有大量的木质细胞，这些细胞在树干底部又可在树干受挠曲时承受压应力，同时缓解应力集中。上部靠顶端的细胞富有弹性。使树干顶端在强风作用下可发生较大的挠度，增大了树干抗挠曲能力，能够阻止或减弱风对树干的冲击作用。因此就可以降低树干断裂的风险。正是这种弹性的存在．植物根系才得以把较强大的风荷载传递到土壤深处。因此，植物从外部表现出的弹性实际上是内部结构的反映，那么如何将这种弹性应用到我们的建筑中呢？我想，虽然我们不能像有机体那样将建筑分析的如此细致，但是我们仍然可以从茎杆的弹性分布中获得启发。像如我们一直广泛使用的钢筋混凝土结构就是改善建筑弹性的一种方法，从这个角度看，不同位置使用不同的配筋量不仅是满足了结构抗弯的要求，更是调整结构弹性的一种手段。
　　
　　3.小结
　　不得不承认，大自然教给我们的东西实在是太多太多。它似乎总是能以最少的材料、最合理的结构取得最佳的效果。从蛋壳的结构我们学会了如何承受压力，避免应力集中，并把这种理念应用到了我们的大空间建筑中；从竹子的中空构造和茎杆节间间距的分配，我们学会了如何在高耸建筑中抗风，避免结构失稳。而这些，我相信仅仅是自然智慧的冰山一角。
　　因此，从生物的外部形态到细胞的微观结构，从生物对环境的适应到生物与环境的和谐共生，我们要不断地向自然界这位老师学习和借鉴，从而让我们的建筑更好的服务于人类，也更好地顺应自然，真正让自然、人、建筑相互融合，相得益彰！

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