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钢结构设计中仿生学原理的应用 [1] 摘要 钢结构在各个国家的工业与民用建筑物中得到广泛的应用 。从仿生学的角度进行钢 结构设计，可使钢结构的形态更加美观，同时也使得建筑与周边环境更加地协调统一。自然 界蕴藏着许多我们可以模仿的造型，飞翔的鸟、橘子瓣、人的耳朵、植物的干茎、DNA 双螺 旋分子、大象的拱形骨架、荷叶、蜘蛛网、藤蔓等都是钢结构形体设计借鉴的模型。本文通 过将现有的一些钢结构建筑与它们在自然界中的生物原型进行对比，以便更好地理解它们的 仿生学原理。 关键词 仿生学 仿生学的分类 网格结构 悬索结构 拱结构 螺旋结构 1 引言 1.1 仿生学简介 仿生学是研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科 学。 仿生学一词是 1960 年由美国斯蒂尔根据拉丁文“BIOS ”(生命方式的意思)和字尾“NLC ” ( “具有……的性质”的意思)构成的。仿生学作为一门独立的学科，于 1960 年 9 月正式诞 生，以美国空军航空局在俄亥俄州的空军基地召开第一次仿生学会议为标志。经过几十年的 [2] 发展，现在仿生学已经成为涉及多学科、多领域的一门边缘科学 。其实，在此之前人类通 过仿生途径进行的发明创造已经有了悠久的历史。例如：原始人模仿鸟窝而建造了 “巢居”； 鲁班从带锯齿的草发明了锯子；现代的人们模仿青蛙的眼睛发明了 “电子蛙眼”；莱特兄弟 研究与模仿鸟的飞翔而发明了飞机 （图 1）；人类模仿警犬的高灵敏嗅觉制成了用于侦缉的 “电子警犬”等。 图 1 莱特兄弟发明的第一架飞机及其在自然界中的原型—飞翔的鸟 1.2 仿生学在建筑领域的应用 建筑仿生学是建筑学的一个分支，它从仿生学的角度研究建筑。它研究生物中各种生物 [3] 体的功能、结构、形象、并将研究成果用于建筑创造 。现在社会不断地追求人与自然的和 谐，利用仿生学原理设计的建筑能够协调建筑与周边环境的关系，保持生态平衡。下面将介 绍仿生学的分类，然后重点讨论仿生钢结构建筑，并将世界著名的钢结构建筑与其在自然界 中的生物原型进行比较，以更好的理解如何从自然界的原型抽象出现实的钢结构建筑。 2 仿生学的分类 建筑仿生学是在建筑环境、功能、形式、组织结构等方面模仿某些生物有效的系统特长， 并结合建筑的自身特点和适合新环境，使人类创造出更符合自然规律与人性要求的的一门建 [4] 筑学科 。根据仿生学的表现与运用方法不同，建筑仿生学大致可归四类：建筑形式仿生， 使用功能仿生，城市环境仿生，组织结构仿生。现实中也有同一建筑中综合运用多种仿生原 理。 2.1 建筑形式仿生 建筑仿生是在研究自然界生物体的外部形态特征及其象征寓意认知的基础上，以自然界 生物机体的形态为原型，进行艺术加工和创造的一种设计手段。通过运用形体仿生设计的建 筑满足了人们追求人与自然和谐的愿望，同时拉近了建筑与人的距离。如由丹麦设计师约 恩 ·乌松设计的建于 1973 年的悉尼歌剧院已经成为悉尼市的标志性建筑。悉尼歌剧院三面 环水，环境开阔，椭圆形钢结构正门大厅给人强烈的现代气息，正面看台的主门可同时并排 着着落 4 架波音 747 飞机。悉尼歌剧院的设计理念既非风帆也非贝壳而是切开的橘子瓣。无 论是哪种，悉尼歌剧院都是一个经典的仿生学建筑。同时，它与流淌过的帕拉玛塔河相得益 彰，美不胜收。 （图 2） 图3 悉尼歌剧院及其在自然界的原型— 橘子瓣 2.2 使用功能仿生 使用功能仿生是通过研究生物在适应环境过程中自然形成的高效低耗，自适应应变 等合理的生理功能，应用类推方法实现节能，相互协调的建筑功能。如芬兰著名建筑师阿尔 托设计的德国不莱梅的高层公寓 (1958—1962 年)的平面就是仿自蝴蝶的原型，他把建筑的 服务部分与卧室部分比作蝶身与翅膀，不仅造成内部空间布局新颖，而且也使建筑的造型变