從薄殼結(jié)構(gòu)看建筑結(jié)構(gòu)仿生
2018/11/22 7:52:00??????點(diǎn)擊：
1．建筑結(jié)構(gòu)仿生概述
1960年在DAYTON市（美國(guó)俄亥俄州）的研討會(huì)上提出：生物的原型是打開(kāi)新技術(shù)奧秘的鑰匙，從而首次確立了仿生學(xué)的法律地位。[1]建筑仿生學(xué)則是仿生學(xué)的一個(gè)重要分支。它試圖通過(guò)大自然獲取布置結(jié)構(gòu)形式的靈感，使得傳力更加合理。
正如達(dá)?芬奇所說(shuō),“人類的靈性將會(huì)創(chuàng)造出多樣的發(fā)明來(lái)，但是他們并不能使這些發(fā)明更美妙、更簡(jiǎn)潔、更明朗；因?yàn)樽匀坏漠a(chǎn)物都是恰到好處的?！笔聦?shí)上，各種生物的結(jié)構(gòu)不乏可供人們效仿的典范，它們由內(nèi)至外無(wú)處不體現(xiàn)著對(duì)空間、能源利用的高適應(yīng)性、高科技性、以及經(jīng)濟(jì)合理性。因此無(wú)論是一個(gè)小小的蛋殼，還是挺拔的竹子，抑或是隨處可見(jiàn)的蘆葦都成為了我們建筑結(jié)構(gòu)的雛形，由它們所引發(fā)的建筑結(jié)構(gòu)的變革也不斷推動(dòng)著建筑結(jié)構(gòu)的完善?！?br /> 2．薄殼結(jié)構(gòu)仿生
2.1概述
薄殼結(jié)構(gòu)是一種曲面的薄壁結(jié)構(gòu)，按曲面生成的形式分為筒殼、圓頂薄殼等。殼體能充分利用材料強(qiáng)度，同時(shí)又能將承重與圍護(hù)兩種功能融合為一。生物界中，各種蛋殼、貝殼、烏龜殼以及人的頭蓋骨等都是一種曲率均勻、質(zhì)地輕巧的“薄殼結(jié)構(gòu)”。這種“薄殼結(jié)構(gòu)”的表面雖然很薄，但非常耐壓。
2.2圓頂薄殼——大空間建筑與抗壓
談到圓頂薄殼，我們會(huì)很自然地想到平常最熟悉不過(guò)的蛋殼。從幾何形態(tài)上看，蛋殼的厚跨比可達(dá)1：120，以極少的材料創(chuàng)造了廣大的空間。從受力方面來(lái)看，實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)雞蛋均勻受力時(shí)，它可以承受34.1kN——相當(dāng)于本身重量六百多倍的壓力而不被破壞。蛋殼具有如此大的承受力，是與它特有的蛋形曲線和科學(xué)的結(jié)構(gòu)分不開(kāi)的。蛋殼結(jié)構(gòu)可分為三層：外層為表皮層，中層為海綿層，內(nèi)層為乳頭層。這三層具有不同彈性模量的顯微結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個(gè)天然的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系，從而形成了一個(gè)科學(xué)的傳力路徑，很好地將力分散至外部，有效地避免了應(yīng)力集中。
讓我們進(jìn)一步分析弧形圓頂?shù)氖軌簝?yōu)勢(shì)。在如圖1所示的實(shí)驗(yàn)中[3]，將兩個(gè)蛋殼懸空放置，一個(gè)圓弧朝上（A），另一個(gè)朝下(B)，在高處拿一支筆，讓其自由落體并擊中蛋殼，鉛筆與蛋殼的間距達(dá)到某個(gè)高度時(shí)，蛋殼B首先破碎。其中的原因可從兩方面分析。一方面，如圖2所示，當(dāng)力F垂直作用于蛋殼時(shí)，它在兩蛋殼表面各自產(chǎn)生分力T1和T2。對(duì)于蛋殼來(lái)說(shuō)，從微觀角度看，不受外力作用時(shí)，它的分子間距在左右。對(duì)蛋殼A，F(xiàn)作用瞬間，分子間距減小，從圖3可知，<,分子力表現(xiàn)為斥力；相應(yīng)的，蛋殼B處，分子力表現(xiàn)為引力。從圖3可知，在產(chǎn)生相同的變形時(shí)（如各自到達(dá)圖中c、d點(diǎn)），，因此，從宏觀上看，蛋殼A自然可承受更大的力。另一方面，由于實(shí)際中，F(xiàn)并不會(huì)完全垂直降落，這就使得A所承受的力僅為F的一個(gè)明顯減小的分力。而對(duì)內(nèi)凹的B殼，F(xiàn)的傾斜并不會(huì)帶來(lái)明顯的減力效果。綜上分析，我們了解了蛋殼弧形外殼的有利作用。
1960年在DAYTON市（美國(guó)俄亥俄州）的研討會(huì)上提出：生物的原型是打開(kāi)新技術(shù)奧秘的鑰匙，從而首次確立了仿生學(xué)的法律地位。[1]建筑仿生學(xué)則是仿生學(xué)的一個(gè)重要分支。它試圖通過(guò)大自然獲取布置結(jié)構(gòu)形式的靈感，使得傳力更加合理。
正如達(dá)?芬奇所說(shuō),“人類的靈性將會(huì)創(chuàng)造出多樣的發(fā)明來(lái)，但是他們并不能使這些發(fā)明更美妙、更簡(jiǎn)潔、更明朗；因?yàn)樽匀坏漠a(chǎn)物都是恰到好處的?！笔聦?shí)上，各種生物的結(jié)構(gòu)不乏可供人們效仿的典范，它們由內(nèi)至外無(wú)處不體現(xiàn)著對(duì)空間、能源利用的高適應(yīng)性、高科技性、以及經(jīng)濟(jì)合理性。因此無(wú)論是一個(gè)小小的蛋殼，還是挺拔的竹子，抑或是隨處可見(jiàn)的蘆葦都成為了我們建筑結(jié)構(gòu)的雛形，由它們所引發(fā)的建筑結(jié)構(gòu)的變革也不斷推動(dòng)著建筑結(jié)構(gòu)的完善?！?br /> 2．薄殼結(jié)構(gòu)仿生
2.1概述
薄殼結(jié)構(gòu)是一種曲面的薄壁結(jié)構(gòu)，按曲面生成的形式分為筒殼、圓頂薄殼等。殼體能充分利用材料強(qiáng)度，同時(shí)又能將承重與圍護(hù)兩種功能融合為一。生物界中，各種蛋殼、貝殼、烏龜殼以及人的頭蓋骨等都是一種曲率均勻、質(zhì)地輕巧的“薄殼結(jié)構(gòu)”。這種“薄殼結(jié)構(gòu)”的表面雖然很薄，但非常耐壓。
2.2圓頂薄殼——大空間建筑與抗壓
談到圓頂薄殼，我們會(huì)很自然地想到平常最熟悉不過(guò)的蛋殼。從幾何形態(tài)上看，蛋殼的厚跨比可達(dá)1：120，以極少的材料創(chuàng)造了廣大的空間。從受力方面來(lái)看，實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)雞蛋均勻受力時(shí)，它可以承受34.1kN——相當(dāng)于本身重量六百多倍的壓力而不被破壞。蛋殼具有如此大的承受力，是與它特有的蛋形曲線和科學(xué)的結(jié)構(gòu)分不開(kāi)的。蛋殼結(jié)構(gòu)可分為三層：外層為表皮層，中層為海綿層，內(nèi)層為乳頭層。這三層具有不同彈性模量的顯微結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個(gè)天然的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系，從而形成了一個(gè)科學(xué)的傳力路徑，很好地將力分散至外部，有效地避免了應(yīng)力集中。
讓我們進(jìn)一步分析弧形圓頂?shù)氖軌簝?yōu)勢(shì)。在如圖1所示的實(shí)驗(yàn)中[3]，將兩個(gè)蛋殼懸空放置，一個(gè)圓弧朝上（A），另一個(gè)朝下(B)，在高處拿一支筆，讓其自由落體并擊中蛋殼，鉛筆與蛋殼的間距達(dá)到某個(gè)高度時(shí)，蛋殼B首先破碎。其中的原因可從兩方面分析。一方面，如圖2所示，當(dāng)力F垂直作用于蛋殼時(shí)，它在兩蛋殼表面各自產(chǎn)生分力T1和T2。對(duì)于蛋殼來(lái)說(shuō)，從微觀角度看，不受外力作用時(shí)，它的分子間距在左右。對(duì)蛋殼A，F(xiàn)作用瞬間，分子間距減小，從圖3可知，<,分子力表現(xiàn)為斥力；相應(yīng)的，蛋殼B處，分子力表現(xiàn)為引力。從圖3可知，在產(chǎn)生相同的變形時(shí)（如各自到達(dá)圖中c、d點(diǎn)），，因此，從宏觀上看，蛋殼A自然可承受更大的力。另一方面，由于實(shí)際中，F(xiàn)并不會(huì)完全垂直降落，這就使得A所承受的力僅為F的一個(gè)明顯減小的分力。而對(duì)內(nèi)凹的B殼，F(xiàn)的傾斜并不會(huì)帶來(lái)明顯的減力效果。綜上分析，我們了解了蛋殼弧形外殼的有利作用。
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