从薄壳结构看建筑结构仿生

1．建筑结构仿生概述
1960年在DAYTON市（美国俄亥俄州）的研讨会上提出：生物的原型是打开新技术奥秘的钥匙，从而首次确立了仿生学的法律地位。建筑仿生学则是仿生学的一个重要分支。它试图通过大自然获取布置结构形式的灵感，使得传力更加合理。
正如达·芬奇所说,“人类的灵性将会创造出多样的发明来，但是他们并不能使这些发明更美妙、更简洁、更明朗；因为自然的产物都是恰到好处的。”事实上，各种生物的结构不乏可供人们效仿的典范，它们由内至外无处不体现着对空间、能源利用的高适应性、高科技性、以及经济合理性。因此无论是一个小小的蛋壳，还是挺拔的竹子，抑或是随处可见的芦苇都成为了我们建筑结构的雏形，由它们所引发的建筑结构的变革也不断推动着建筑结构的完善。
 
2．薄壳结构仿生
2.1 概述
薄壳结构是一种曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳等。壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。生物界中，各种蛋壳、贝壳、乌龟壳以及人的头盖骨等都是一种曲率均匀、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。
2.2 圆顶薄壳——大空间建筑与抗压
谈到圆顶薄壳，我们会很自然地想到平常最熟悉不过的蛋壳。从几何形态上看，蛋壳的厚跨比可达1：120，以极少的材料创造了广大的空间。从受力方面来看，实验证明，当鸡蛋均匀受力时，它可以承受34.1kN——相当于本身重量六百多倍的压力而不被破坏。蛋壳具有如此大的承受力，是与它特有的蛋形曲线和科学的结构分不开的。蛋壳结构可分为三层：外层为表皮层，中层为海绵层，内层为乳头层。这三层具有不同弹性模量的显微结构构成了一个天然的预应力结构体系，从而形成了一个科学的传力路径，很好地将力分散至外部，有效地避免了应力集中。
让我们进一步分析弧形圆顶的受压优势。在如图1所示的实验中，将两个蛋壳悬空放置，一个圆弧朝上（A），另一个朝下(B)，在高处拿一支笔，让其自由落体并击中蛋壳，铅笔与蛋壳的间距达到某个高度时，蛋壳B首先破碎。其中的原因可从两方面分析。一方面，如图2所示，当力F垂直作用于蛋壳时，它在两蛋壳表面各自产生分力T1和T2。对于蛋壳来说，从微观角度看，不受外力作用时，它的分子间距在左右。对蛋壳A，F作用瞬间，分子间距减小，从图3可知，<,分子力表现为斥力；相应的，蛋壳B处，分子力表现为引力。从图3可知，在产生相同的变形时（如各自到达图中c、d点），，因此，从宏观上看，蛋壳A自然可承受更大的力。另一方面，由于实际中，F并不会完全垂直降落，这就使得A所承受的力仅为F的一个明显减小的分力。而对内凹的B壳，F的倾斜并不会带来明显的减力效果。综上分析，我们了解了蛋壳弧形外壳的有利作用。

另一方面，从结构自身来说，由于蛋壳有纵横两个方向的曲率，使其形成一自然刚度很大的壳体。这种曲面壳体刚度大的原因可作如下的分析：如果我们沿椭壳的长轴方向取出一个狭长窄条，它在单独受力时类似于拱结构，在仅承受自重的情形下，上部有下陷的变形趋势；而下部有外张变形趋势。无数个窄条所组成的壳面内的力彼此作用，因而形成了一个刚劲的壳体。

因此，无论从结构的传力路径还是从结构自身的刚度分析，蛋壳的这种结构形式都对于我们的建筑有着很好的启迪作用。所以以蛋壳为原型，我们在建筑引入了圆顶薄壳这一结构类型的建筑。这是一种正高斯曲率的旋转曲面壳，由壳面与支座环组成，壳面厚度做得很薄，一般为曲率半径的1／600，跨度可以很大。支座环对圆顶壳起到围箍的作用，并通过它将整个薄壳搁置在支承构件上。

基于网壳结构的这种良好的空间传力性和能以较小的构件厚度形成承载能力高、刚度大的承重结构，能覆盖或维护大跨度的空间而不需中间支柱的特点，我们将其广泛应用在了大跨度大空间的建筑中，如火车站、飞机场、大剧院等。纵观历史，我们会发现无论是文艺复兴时期建造的意大利佛罗伦萨主教堂和圣彼得大教堂还是第一个半圆形薄壳结构——德国蔡斯工厂天文馆，抑或是美国通用汽车公司技术中心，我们都能看到曲壳结构的身影。#p#分页标题#e#
而在我国，谈到网壳结构建筑，就不得不谈我们的国家大剧院。国家大剧院是由法国建筑师保罗·安德鲁主持设计，北京市建筑设计研究院参与主体设计的。从1958年周恩来总理亲自选址，到2007年项目建成，国家大剧院这个国家的标志建筑历时整整49年最终落成。为了与人民大会堂交相呼应，却又不喧宾夺主，建筑师巧妙地将蛋壳的造型应用到了这一公众期待极高的建筑中。当然，当这一方案中标后，玄即引起了媒体的广泛关注。在批评与赞美声中，这个“蛋壳”最终坚守了下来。下面让我们进一步来看看它是如何仿生的：
该工程外部围护结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，总高度46.285m，当之无愧地成为了具有世界上最大的穹顶的建筑。大剧院内设歌剧院2416席、音乐厅2017席及戏剧院1040席，充分体现了壳体结构大空间的优越性能。网壳由径向及环向杆件组成并在适当的位置设交叉斜撑。径向杆件为钢板截面和T型截面组成的两种类型的实腹桁架，环向则由单杆组成。
利用弹性力学知识，壳体的应力是与其边缘相切的，因此一根根沿切向布置的杆件恰恰保证了壳体应力的短捷传递和壳体的稳定性。大剧院的椭球形的屋面是由双向曲率的大曲面所组成的，屋顶边缘肋条断面随所负荷的增加而向支撑方向增大，同时使薄壳得以加强而不会变形。
国家大剧院整个钢结构的顶部被称为顶环梁，它的作用是固定和联通拥有巨大跨度的钢骨架，当一根骨架受到压力时（如图4），它会把力传到顶环梁上，由于顶环梁连接着所有的钢骨架，它就会把一根钢梁受到的巨大压力，分配到整个钢结构上。这很自然地让我们联想到上文谈到的蛋壳的实验。顶环梁所受的压力正像是铅笔尖对蛋壳A的冲击力，我们的结构不会像有机物的分子结构一样细密规整，恰好达到的水平，从而通过分子间斥力的积累产生抵抗力。但是通过设计顶环梁——钢梁的网架体系，我们仍然为力找到了有效的传递路径。我想这正是本建筑结构仿生的绝妙之笔。
通过效仿自然，我们应用简化了的蛋壳——空间网架，作为建筑的骨架，充分利用了弧形薄壳良好的整体承力性能。同时，与悉尼歌剧院外观是壳体结构，实际上是钢筋混凝土拱肋结构不同的是，国家大剧院践行了“外观即结构”的设计理念，不但从结构和受力上效仿了蛋壳，而且在外观上通过采用玻璃和钛金属饰面，将一个完美的椭球形形体、一颗璀璨的“湖中明珠”呈现在了我们面前（见图5）。
总之，薄壳结构的大空间、避免应力集中等的优越性在国家大剧院中得到了完美的体现，使得大剧院达到了它所预期的传统与现代、浪漫与现实的有机组合的效果。同时成就了这个世界上最大的穹顶、这个北京最深的建筑、这座“城市中的剧院，剧院中的城市”。
          

当然薄壳类的仿生建筑也并不一定要规则对称。事实上，正如前述，只要结构的传力路径简捷合理，那么这样的结构就是优秀的结构。由此我想到了法国国家工业与技术中心。它的整体结构造型就像一个倒扣的贝壳，其造型非常独特（见图7）。这幢坐落在巴黎的陈列馆平面为三角形，每边跨度218米，壳顶高出地面48米，总建筑面积达90000平方米。整个壳体采用一种“细胞状结构”，每个细胞均有孔洞，用以通风和平衡温度时差的变化。体采用分段预制的双层双曲薄壳，双曲薄壳之间用预应力钢筋混凝土相连，从单层到双层无疑是在生物壳基础上的改进和优化，同时再加之钢筋混凝土材料的支撑，进一步提高了曲壳结构受压性能。另外，建筑的顶部用一个特殊的构件把几组壳体连为了一体，并把荷载传递到了三个棱柱形的支柱上。很难想象，这幢拥有当时全世界最大的水泥苍穹的建筑只有三个支撑点，而且尽管它的大跨度空间几乎可罩住巴黎协和广场，但它采用的混凝土壳层的厚度仅为12 cm！从这个不可思议的纯粹现代主义的建筑中，我们进一步体会到了曲壳结构的无穷魅力。

大自然一次次地提醒我们，不一定用料多才安全可靠（蛋壳的厚度也仅为几毫米），也并不需要为了建筑的某种造型就一定要牺牲结构的合理性，相反，建筑安全可靠的关键是传力的合理，有机的结构与新颖的形式可以相互共生。让每一个构件，每一个细部都各司其职，各尽其能，才是我们不断追寻的目标。       #p#分页标题#e#
2.3 筒壳结构——高耸建筑与抗风
筒壳又称为柱面薄壳，它是单向有曲率的薄壳，由壳身、侧边缘构件和横隔组成。
我们都有这样的常识：一张纸，如果将其立起来，它是几乎不能承受竖向力的。而如果将其卷成筒状，那么它的轴向承载力就会显著提高。力学的奠基人伽利略也对这种中空体做过研究，他在《关于两门新科学的对话与数学证明对话集》说道：“我想再谈几句关于空中或中空的固体的抗力方面的意见。这种物质可以不增加重量而大大增加它的强度，这一点不难在鸟的骨头上和芦苇上看到，它们的重量很小，但是有极大的抗弯力和抗断力，麦秆所支持的麦穗重量，要超过整株麦茎的重量，假如与麦秆同样重量的物质却生成实心的而不是空心的，它的抗弯和抗断力就要大大减低。”伽利略的这段话极好得诠释了筒壳结构的优点。它用料少、质量轻、有极好的柔性，而且对于风荷载有很好的抵抗能力。正如俗语所说“疾风知劲草”，事实上这些植物的茎杆正是一种空心的结构——维管束结构。这种神奇的中空结构,给予了我们许多建筑方面的启发。例如建筑结构中常被采用的空心楼板、箱形大梁、工形截面钢梁以及折板结构、空间薄壁结构等都是根据这个原理得来的。
受这种中空结构的启发，我们将建筑从实体结构到中空的厚壁结构简化，再从厚壁到中空的薄壁结构简化，通过一次次得将结构的材料外移，我们不断提高着结构的整体稳定性，同时使得材料的受力性能的潜力发挥得越来越充分。尽管我们努力从自然中汲取智慧，但是我们的建筑终究不是自然的产物。就像瑞士生物学家施威德勒(Schwendener)在19世纪所分析的那样：虽然草茎和树干与高耸的建筑物经受的荷载相似，但是考虑到植物细胞结构在荷载作用下的变异和茎杆截面的变化，在最初生长阶段的树干结构与夹插在土壤中的悬臂的建筑有很大不同。随着我们对建筑一步步的简化，建筑结构局部稳定性也向着越来越差的方向发展。目前，建筑还没有像植物细胞一样的自我调节机制，所以建筑仅能被动地因为偏心受力而造成失稳破坏。
从受力角度来分析，筒壳的受力情况犹如由许多非常窄而薄的条板所组成的折板构造。一方面荷载沿着折板而向下传导，另一方面，它不断地被分解为与相邻条板相切的几个分力，最后汇集到两端的支撑处。是一旦筒壳失稳，这一承载机制会遭到破坏，承载力也会大幅降低。那么如何有效防止这种破坏呢？自然界中的竹子给予了我们灵感。
竹子的细长比可达1/100～1／200，在劲风的作用下仍不会弯折。竹子为何有这么好的抗弯性和稳定性呢？一方面，竹子的自重很轻。竹子腹中空，且越强的材料越是分布在外缘。一般竹子的横向截面，直径为6厘米，壁厚为0.5厘米。假如把竹子做成实心的，由于自重的增加和材料的不合理利用，导致它很容易在外力作用下摇摆不定而造成失去平衡，其抗弯能力也仅为原来的1/10。另一方面，竹子的横截面是圆形的。与方形、三角形等形状相比，这种外形将力分配地更加均匀，避免了应力的集中，而且表面积与空间的比值也更小，节省了材料。

此外，竹子的这种惊人的细长比和抗风能力还与其竹节的存在有着密切关系。究其原因，一方面竹节能够很好得抵抗横向剪力；另一方面，竹节将“长杆”自然地分为多个“短杆”，从而减小了长细比，降低了发生压杆失稳的可能性。如果留心观察，这种类似竹节的加劲结构所产生的效果在大自然中比比皆是：小麦在返青拔节时，如果雨水过多，小麦成熟后的抗“倒伏”能力就会显著降低。它的原因就是过多的雨水使小麦生长过快，使得节与节之间间距大，正是由于这种“加劲构件”的减少，降低了麦秆的抗剪能力，从而造成了所谓的“压杆失稳”现象。

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。#p#分页标题#e#
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]）。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。

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。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。#p#分页标题#e#
 
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！