小议建筑仿生结构形态设计.doc

小议建筑仿生结构形态设计 【摘要】大自然总是创造最合理的结构形式，形态万千 的自然界蕴藏着无穷优美的、可供选择的合理结构，自然界 的创造能力常常要超越人类的设计和想象能力。利用仿生学 的原理，我们可以更好地理解和发展空间结构。本文主要介 绍了建筑结构形态设计的概念内涵及其设计方法。 【关键词】建筑工程；仿生结构；结构形态设计 一、建筑结构形态设计的概念 结构形态处于建筑学和结构工程专业的交叉领域，是研 究结构与建筑有机结合的基础。以结构形态设计来启动建筑 创作的研究是个具有挑战的崭新课题。以建筑功能、建筑艺 术和建造成本为依据，遵循结构传力基本规律，将各种结构 构件按照一定的逻辑语法组织成一个整体受力的系统，称为 结构形态设计。探讨结构形态设计方法，根本目的即是通过 结构构思启动建筑形式的生成，为建筑形式创新开拓新的思 路。结构是围合空间的基本手段，为塑造合用空间服务，所 以建筑合用空间和理想功能是结构形态设计的首要依据。合 理的结构形态设计方案，能尽可能地发挥材料的性能，从而 节省大量的材料费用。大量实践说明，结构实效与材料成本 是成反比相关，与设计建造维护成本是成正比相关，总成本 在某一点达到最低，这一点的结构实效最合适。因此，设计 师必须在结构形态设计的初期就大致估算各项成本的比例， 找出这个理想的平衡点。 二、建筑仿生结构形态设计 自然界是人类最好的老师，人类在建筑技术上所遇到的 许多难题，自然界中早已有了类似的解答，如蜂房结构，其 断面为规则的六边形，这种划分方式比人为的建筑中常用的 四边形网格节省20%的材料；小麦秆由下至上间距逐渐增大 的茎节，有效地减少了弯矩的作用，使其高径比高迗500, 而大多数高层建筑的高宽比不超过8,又如柔薄的花瓣常常 依靠其形体的曲面或皱折来增加刚度，花瓣的前端往往是空 间曲面形态，具有良好的空间受力能力。由此可见，自然界 往往以最完美的方式解决了功能、形式和结构之间的矛盾， 而对于结构工程师和建筑师而言，自然的每一处表现都是理 解和应用形式创造的普遍法则，每一种技术形式都能从自然 形式中推出。因此，自然结构是研究有关功能、形态及结构 的联系的重要依据，是研制开发技术结构的合理比拟物，模 拟自然结构即结构仿生的方法是实现结构构思目标的有效 手段。 （一）技术构成 任何复杂的结构都可以看成是有一系列相对简单的结 构单元通过一定的组合方式组成的。这些能够维持结构形态 稳定的最小单元，我们称之为：元。而单元之间的组合方式， 我们称之为：动作。一个具体的结构形态可能是一个元通过 完成一个动作形成，也可能是通过完成多个动作形成，或者 是多个元共同完成一系列组合动作而形成。动作是技术构成 的重要手段。动作及其组合千变万化，但归纳起来，基本可 以分为阵列、旋转、交织等几种类型。阵列是指元在水平或 垂直方向依次首尾连接，形成新的结构整体；旋转是指元E 绕一几何中心成环状排列，两侧连接形成新的结构整体；交 织是指元同时在水平的两到多个方向（级、横、斜）依次首 尾连接，形成新的结构整体。 元与动作的构思是同步进行的，并没有先后顺序。建筑 师最初可能只有一个空间意向，这个意向主要来自于对跨 度、高度和基地形状的回应，再根据这个意向进一步确定元 和动作的具体形式。一般来说，基地的形状往往会影响动作 的选择，比如矩形的基地更适合采用阵列的动作，圆形的基 地则宜采用旋转动作，而交织动作则适用于不规则的基地形 状。 复合元是结构构成的创新的基础。不同的结构体系的基 本元的受力性能差别很大，它们各有所长。如拱擅长受压、 索擅长受拉。在实际工程中，采用仅有基本元构成的纯净的 结构形式，并不总是经济合理的。而且如果局限于结构选型 的思维惯性，结构造型的自由度也大打折扣。固可将两个或 者多个不同基本元结合在一起而构成拥有新机制的、独特 的、有效的复合元。为了构成独特的有效的复合元，可以通 过两种基本的动作来实现不同结构家族元的结合：重叠是指 不同基本元以平行方式放置在整个起作用的长度上来共同 执行力量的改向和力流的传递。重叠可以是上下平行，也可 以是侧面平行；而串连是指根据力学需求，在结构作用的不 同区域选用不同的基本元，基本元与基本元之间是串连连接 的，依次达到力量改向的目的。基本元的数量至少是两个， 也可以是多个；而重叠+串连，顾名思义新体系是基本元通 过完成这两种动作形成的。 （二）几何推演 建筑上的结构形态是结构通过不同的平衡状态把承受 的荷载转移至其他方向所推演出的技术图形。结构形态必须 服从引力与力学的法则，拥有自己的构成逻辑，因此能被建 筑师计算、校对和领会。在结构形态领域中的几何学是正确 确定在力的改向中具有独特及有益特性的线、面、体。它们 的形状是建筑结构设计的绝对的基准。只有通过几何学才能 使物质对象、