建筑结构分区

道法自然——仿生结构

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转载于iStructure微信公众号,已获得授权 《道德经》有云:“人法地、地法天、天法道、道法自然”。 根据进化论的原理,现今存世的事物都是经过大自然千万年来“优选”后的产物,其材料与力学性能都是久经考验的,而我们近百年才发现的力学原理也与之不谋而合。因此,很多项目在设计过程中就从自然法则中得到了启发。今天小i就为大家介绍几个有趣的案例。

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《道德经》有云:“人法地、地法天、天法道、道法自然”。

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根据进化论的原理,现今存世的事物都是经过大自然千万年来“优选”后的产物,其材料与力学性能都是久经考验的,而我们近百年才发现的力学原理也与之不谋而合。因此,很多项目在设计过程中就从自然法则中得到了启发。今天小i就为大家介绍几个有趣的案例。


竹子与高层

竹子我们大家都很熟悉,又细又长(高宽比大),且重量轻强度大,在台风中很少看到竹子被吹断的,在很多地方都将竹子作为建筑材料使用,可见其构造是极其符合力学原理的。

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竹子的典型段包含竹节和节间,其中节间是空心的,所有的材料都集中在外侧,这样在减小了自重的同时也增大整个截面惯性矩,其微观特性也反映了同样的规律,越靠近边缘细胞越为致密,使得整个截面惯性矩最大化。

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节点处内部有横膈,横膈避免了柱子由于过长而出现局部失稳破坏,类似于我们构件中的加劲肋。细心的朋友可能发现,竹节也不是均匀分布的,在底部和顶部分布更密,而在中间段分布较疏。这种分布规律也极为符合力学原理,充分做到了好钢用到刀刃上。同时自下而上竹节的直径也是逐渐缩小的,这样也在无形中减小风荷载。

经研究柱子直径、竹节间距、壁厚的变化并不是没有规律,事实上是可以被数学表达的。

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SOM将竹子的这些特性应用到了中国国际贸易中心(China World Trade Center)的结构方案设计中。塔楼在高度方向被分成八段,底部受力最大,因此底部节间长度较小以增强塔楼稳定性。同时自下而上结构直径逐渐减小,以减小风荷载的作用。并且仿效竹子的形状特性规律,对外形及壁厚进行了数学表达。

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其中,n是根据总层数与建筑体形所规定的形状系数,N是结构总高度,yn是每段的节间长度,dn是节间直径,t是壁厚。

结构采用外部巨型支撑+内部带伸臂桁架的框架核心筒双重结构体系,外部支撑结构和内部框筒结构都遵循同样的分布规律。外部巨型支撑结构相当于竹子的外壁纤维,支撑长度可根据公式2算出。内部结构的伸臂桁架就相当于竹节,桁架间距在中部最大,在上下两头最小。同时,构件的壁厚就相当于竹壁壁厚,可根据公式4推出。

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可见,在SOM的这个设计中,对于竹子的借鉴并不是只停留在概念上,或只把仿生作为一个噱头。而是对整体形态及构件壁厚均参照竹子做了数学表达。从结构设计理念和创新上来说,SOM在高层设计领域还是很先进的。

螺旋与网格

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自然界中很多物体明明风马牛不相及,但是形式却极其相似,比如仔细观察风暴眼、和贝壳,可以发现不约而同都是螺旋形。在20世纪初Michell在他对悬臂梁的研究中发现了这个规律。对于一个悬臂构件,在端头施加一个点荷载,其主应力的流线方向恰好符合螺旋形。而后随着计算机技术发展,通过拓扑优化算法进行结构优化时,也得到了相近的答案。


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在洛杉矶Transbay Transit 塔楼的设计中,设计师将其用于了外部支撑体系的优化。其外部支撑呈螺旋形,下部有两处脚点落地,此处即相当于“风暴眼”的位置,是受力最为集中的地方,因此网格也最为密集。自下而上结构受力逐渐减小,因此网格也逐渐变疏。支撑的布置方式符合内力的分布规律,因此整个结构抗侧效率高、材料用量省。

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同时,这种支撑布置方式和蜘蛛网一样,还有一定的“自我修复”功能。如在火灾或恐怖袭击时某处支撑破坏,力会绕过此处通过其相邻杆件流向基础,而不至于造成建筑的整体垮塌。

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树叶与支撑

有没有读者发现树叶的两面是不一样的?正面朝上吸收阳光进行光合作用,背面则为根茎支撑树叶表面。这个理念则在广州保利国际广场的设计中得到了应用。

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这个项目北侧面对珠江,南侧朝阳且对节能和碳排放要求很高。设计时如何能在既照顾到节能的情况下,又可以尽量通透方便人们欣赏江景呢?此时设计师想到了树叶的两面性,在南侧布置两层通高的巨型框架抵抗结构的侧向荷载。并且设计师特意把支撑结构从主体结构中拉出来,起到节能减排的作用。在夏季太阳角度高,因此支撑会形成阴影起到遮阳的作用;而在冬季太阳角度更平,支撑间的间隙会让和暖的冬日阳光撒进大楼,可谓一举两得。

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北面的景观侧采用框架结构,由于侧向力主要由南侧的巨型支撑承担,因此北侧框架柱可以尽量做小,最大限度满足人们观景的需要。整个建筑南侧北侧各有侧重,结构体系融入到了建筑功能中,最终完成效果也很不错。


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关节与节点

人体骨骼的构造是很精妙的,不同部位的骨骼连接方式满足不同的运动需求和力学性能。如头骨要保护大脑且要有一定消化变形的能力,因而就相当于齿牙连接;肘关节和髋关节要让手臂和大腿能够灵活运动,相当于铰接连接;指关节要消散冲击能量,因此为滑动连接。可见我们结构中用的大多数连接方式,在人体关节中都能找到,甚至更加精妙。

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基于肩关节的特性,SOM开发了一种铰接节点。与普通的销轴连接节点不同,在杆件端部设置了一块半圆形端板,同时在节点端有一块半圆形端板与之对应。设计师可根据计算需要在两块端板间设置适当的摩擦系数,在常规荷载作用下类似于刚性节点,以保证结构在常规荷载下的刚度。而在大震作用下,则可以通过节点滑动时端板间的摩擦起到消耗地震能量的作用。

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北京的保利集团总部单层索网幕墙中摇臂节点也受到了关节的启发。

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结构分析表明,在不提供额外支撑的情况下,22层高通高平面索网幕墙是无法实现的。因此设计师将幕墙面设计为折面,并增加了两条巨型对角拉索沿折线布置,从博物馆屋顶一直延伸到中庭顶部。

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经计算在地震作用下,建筑屋顶相对于下方十层以上博物馆结构,会产生进0.9米相对运动。而使用传统的固定铰支座,在单方向运动下支撑一根受拉一根受压,单根受力过大导致截面过大。

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因此设计师设计了摇臂连接节点,其中摇臂充当了“杠杆”的作用,在一根拉索受到拉力时会拉动杠杆的一头向上运动,另一端本该受压的拉索为了平衡杠杆两端不平衡力也会受拉,因此就增加了结构的整体刚度,从而减小拉索截面。

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设计团队还进行了模拟实验,以此来验证他们的构思。结果表明与预期一致,结构整体刚度显著提升,在减小了拉索直径的同时,增加了索网幕墙的安全度。同时由于其精妙的细节,节点本身也成为了建筑景观的一部分。

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其他

仿生学在结构中的应用由来已久,但大多是存在于结构概念中,二者之间的关系看起来似有似无。但近些年来随着人们对自然和对结构设计知识的运用越来越成熟,更多实际的设计在大自然中找寻到了规律和灵感。由于篇幅有限,小i就不在这里一一介绍了,下面为大家提供一些图片,相信聪明的你从图片中也能看出其中的联系。

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体构造与结构高宽比

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细胞结构与支撑形式

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风暴形状与支撑效率

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斐波那契数列分布

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恐龙构造与悬索桥

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蜘蛛网与索网幕墙

参考资料

1)Natrure|Structure  SOM

2) Structural Bionic Design and Experimental Verification of a Machine Tool Column, Ling Zhao

3) The Anatomy of a Human Body, a Model to Design Smart High Building, Katayoun Taghizadeh

4) Bionic Architecture, Forms and Constructions, Mehdi Sadri

5)本文图片均来源于网络,版权属于原作者或网站


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