仿生建筑---青竹的力学启示.doc

1、建 筑 仿 生 青 竹 的 启 示1.1 仿生建筑的定义：仿生建筑以生物界某些生物体功能组织和形象构成规律为研究对象，探寻自然界中科学合理的建造规律，并通过这些研究成果的运用来丰富和完善建筑的处理手法，促进建筑形体结构以及建筑功能布局等的高效设计和合理形成。从某个意义上说，仿生建筑也是绿色建筑，仿生技术手段也应属于绿色技术的范畴。对于仿生建筑的研究被认为赋予了提供健康生活，改善生态环境的目标，体现了社会可持续发展意识和对人类生存环境的关怀。另外，从建筑创作研究的角度看，仿生与生态构思有相通之处，它们的过程和出发点相对于其他的构思方法或类型有自己的特点。美国科罗拉多州丹佛国际机场：是美国面积最大

2、及全世界面积第二大的机场，是美国最为繁忙的机场之一。此机场的特别之处在于屋顶用特殊布料覆盖及采用张力结构的设计，令人联想到受冰雪覆盖的落矶山脉。1.2 仿生建筑的意义：仿生建筑的灵感来源于自然，是建筑师向大自然学习的产物。人类的思想从最初的“崇拜自然”一路走来，发展到现在的“人与自然和谐相处”，对自然的理解不断加深。人 类 文 化 从 蒙 昧 时 代 进 入 文 明 时 代 就 是 在 模 仿 自 然 和 适 应 自然 界 规 律 的 基 础 上 不 断 发 展 起 来 的 ， 直 到 近 现 代 时 期 ， 特 别 是 飞 机 和 潜 水 艇的 发 明 也 都 是 仿 生 的 科 研 成 果

3、 ， 人 们 从 飞 鸟 和 鱼 类 的 特 性 中 获 得 启 发 ， 取 得了 史 无 前 例 的 新 成 就 。 建 筑 同 样 如 此 ， 古 代 从 巢 居 穴 居 到 各 类 建 筑 的 出 现 ，无 不 留 下 了 模 仿 自 然 的 痕 迹 。 但 是 ， 随 着 工 业 化 的 高 速 发 展 ， 使 人 类 的 文 明发 生 了 异 化 ， 反 过 来 破 坏 了 自 己 的 生 存 环 境 ， 也 使 自 己 的 创 作 囿 困 于 僵 化的 机 器 制 品 ， 束 缚 了 创 造 性 ， 这 使 得 在 近 几 十 年 来 人 类 重 新 对 仿 生 学 开 始重 视

4、。 建 筑 师 应 用 类 推 的 方 法 ， 从 自 然 界 中 观 察 吸 收 一 切 有 用 的 因 素 作 为创 作 灵 感 ， 同 时 学 习 生 物 科 学 的 肌 理 并 结 合 现 代 建 筑 技 术 来 为 建 筑 创 新 服 务 。建 筑 仿 生 学 是 新 时 代 的 一 种 潮 流 ， 今 后 也 仍 然 会 成 为 建 筑 创 新 的 源 泉 和 保 证环 境 生 态 平 衡 的 重 要 手 段 。 建 筑 仿 生 可 以 是 多 方 面 的 ， 也 可 以 是 综 合 性 的 ，如 能 成 功 应 用 仿 生 原 理 就 能 创 造 出 新 奇 和 适 应 环 境

5、生 态 的 建 筑 形 式 。 同 时 仿生 建 筑 学 也 给 人 们 暗 示 着 必 须 遵 循 和 注 重 许 多 自 然 界 的 规 律 ， 它 告 诉 我 们 建筑 仿 生 应 该 注 重 环 境 生 态 、 经 济 效 益 与 形 式 新 奇 的 有 机 结 合 。 另 外 ， 仿 生 建筑 在 设 计 之 初 变 是 蕴 含 了 向 自 然 学 习 的 思 想 ， 因 此 ， 在 建 筑 的 设 计 上 大 都 采用 了 环 保 设 计 。 以 期 达 到 与 周 边 环 境 和 谐 相 处 的 目 的 。1.3 仿生建筑的分类：建筑仿生学的表现与应用方法，归纳起来大致有四个方面

6、：城市环境仿生使用功能仿生建筑形式仿生组织结构仿生同时，会出现综合性的仿生应用，形成一种城市与建筑的仿生整体。1.4 建 筑 仿 生 学 的 主 要 任 务从人与自然界的关系来说，建筑可谓是人的第 3 层皮肤 （第 1 层是人的自身皮肤，第 2 层是衣服），它是人与自然界之间的中介，如何使建筑能适应环境的自然规律，又能适合人类不断发展的需要，这的确是现代文明所提出的新课题。正因为如此，有效寻找和利用自然界生物的成长规律来适应人类社会发展对建筑的需要，这就是建筑仿生学的主要任务。2 青竹的受力启示力学的奠基人意大利科学家伽利略曾经对中空的固体做过研究，他在关于两门新科学的对话与数学证明对话集说道

7、：“我想再谈几句关于空中或中空的固体的抗力方面的意见，人类的技艺（技术）和大自然都在尽情地利用这种空心的固体。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。”“实际上也曾经发现并且用实验证实了，空心的棒以及木头和金属的管子，要比同样长短同样重量的实心物体更加牢固，当然，实心的要比空心的细一些。人类的技艺就把这个观察到的结果应用到制造各种东西上，把某些东西制成空心的，使它们又坚固又轻巧。”一般竹子的

8、横向截面，直径为 6cm，壁厚为0.5cm，假如把竹子做成实心的，则其抗弯能力是原来的 1/10，由于竹子是细长的承受自身重量的受压杆件，假如把竹子做成实心后，在自身重量的压力下它会摇摆不定而失去平衡。由于竹子品种的不同，生长的高度也不一样。毛竹可以参天，但把毛竹做成实心的，经科学计算，只能长到高梁杆那样高。根据力学原理，一根杆件在其横向截面，应尽可能把材料向周边分布，正由于这样才形成了中空，而且，越是优质材料越是向边缘布置。竹子就是这样，竹子的表面呈现出青色的叫竹青，往往是竹编的好材料。文学家歌颂竹子的气节，从力学的角度来说，竹子的竹节是抵抗横向剪切的关键，是竹子强度有机的部分。农业上小麦减

9、产主要原因之一是“倒伏”，那是小麦返青拔节时，由于雨水过多，生长迅速而拔节快，形成节与节之间间距大，减低了麦秆的抗剪能力，头重脚轻杆软倒伏于地的缘故。3 青竹在仿生建筑中的应用3.1 台北 101 大厦的分析3.1.1 台北 101 大楼简介著 名 的 台 北 101（ Taipei 101） ， 又 称 台 北 101 大 楼 ， 在 规 划 阶 段 初 期 原 名台 北 国 际 金 融 中 心 （ Taipei Financial Center） ， 是 目 前 世 界 第 二 高 楼 （ 2010年 ） 。 位 于 我 国 台 湾 省 台 北 市 信 义 区 ， 由 建 筑 师 李 祖

10、原 设 计 ， KTRT 团 队 建造 ， 保 持 了 中 国 世 界 纪 录 协 会 多 项 世 界 纪 录 。 台 北 101 曾 是 世 界 第 一 高 楼（ 2004-2009 年 ） ， 以 实 际 建 筑 物 高 度 来 计 算 在 2007 年 7 月 21 日 被 当 时兴 建 到 141 楼 的 迪 拜 塔 （ 阿 联 酋 迪 拜 ） 所 超 越 。为 了 因 应 高 空 强 风 及 台 风 吹 拂 造 成 的 摇 晃 大 楼 内 设 置 了 “调 谐 质 块 阻 尼器 ”（ tuned mass damper， 又 称 “调 质 阻 尼 器 ”） ， 是 在 88 至 92

11、 楼 挂 置一 个 重 达 660 公 吨 的 巨 大 钢 球 ， 利 用 摆 动 来 减 缓 建 筑 物 的 晃 动 幅 度 。 据 台北 101 告 示 牌 所 言 ， 这 也 是 全 世 界 唯 一 开 放 游 客 观 赏 的 巨 型 阻 尼 器 ， 更 是 目前 全 球 最 大 之 阻 尼 器 。防 震 措 施 方 面 ， 台 北 101 采 用 新 式 的 “巨 型 结 构 ”（ megastructure） ， 在大 楼 的 四 个 外 侧 分 别 各 有 两 支 巨 柱 ， 共 八 支 巨 柱 ， 每 支 截 面 长 3 公 尺 、 宽2.4 公 尺 ， 自 地 下 5 楼 贯

12、通 至 地 上 90 楼 ， 柱 内 灌 入 高 密 度 混 凝 土 ， 外 以 钢板 包 覆 。3.1.2 台北 101 大楼灵感来源设计师 C.Y. Lee & Partners 表示，灵感源于竹子，寓意学习和成长。3.1.3 台北 101 与青竹的仿生学构造关系从图中可以看出，台北 101 大楼采取了分节的设计，这一设计思路即来源于青竹。青竹因竹节的构造使抵抗横向剪切的能力增强。而 101 大楼被分为 11 节，这样的设计使得 101 大楼在抗震与防风的能力上都得到了极大的提升。3.2 西尔斯大厦的分析除台北 101 大厦外，位于芝加哥的西尔斯大厦也是仿竹建筑的经典代表3.2.1 西尔斯

13、大厦简介西尔斯大厦(Sears Tower) 是位于美国伊利诺伊州芝加哥的一幢摩天大楼，用作办公楼，SOM 建筑设计事务所为当时世界上最大的零售商西尔斯百货公司设计。楼高 442.3 米，共地上 108 层，地下 3 层，总建筑面积 418000 平方米，底部平面 68.768.7 米，由 9 个 22.9 米见方的正方形组成。希尔斯大厦在 1974 年落成时曾一度是世界上最高的大楼，超越当时纽约的世界贸易中心，在被马来西亚的“国家石油公司双塔大厦”（双子塔）超过之前，它保持了世界上最高建筑物的纪录 25 年。为解决像西尔斯大厦这样的高层建筑的关键性抗风结构问题，提出了束筒结构体系的概念并付诸

14、实践。整幢大厦被当作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振动也明显减轻。顶部设计风压为 305 千克力/平方米，设计允许位移（振动时允许产生的振幅）为建筑总高度的1/500，即 900 毫米，建成后最大风速时实测位移为 460 毫米。所有的塔楼宽度相同，但高度不一。大厦外面的黑色环带巧妙地遮盖了服务性设施区。大厦采用由钢框架构成的成束筒结构体系，外部用黑铝和镀层玻璃幕墙围护。其外形的特点是逐渐上收的，即 150 层为 9 个宽度为 23.86 米的方形筒组成的正方形平面；5166 层截去一对对角方筒单元；6790 层再截去另一对对角方筒单元，形成十字形；91110

15、层由两个方筒单元直升到顶。这样，既可减小风压，又取得外部造型的变化效果。西尔斯大厦顶部的设计风压为 3 千帕，容许位移为建筑物高度的 1/500，即 90 厘米，建成后在最大风速下的实测位移为 46 厘米。大厦的造型有如 9 个高低不一的方形空心筒子集束在一起。不同方向的立面，形态各不相同，突破了一般高层建筑呆板对称的造型手法。这种束筒结构体系是建筑设计与结构创新相结合的成果。3.2.2 西尔斯大厦与青竹结构的关系为了解决西尔斯大厦的关 键 性 抗 风 结 构 问 题 ， 大 厦 结 构 工 程 师 ， 出 生 于 达 卡的 美 籍 建 筑 师 F.卡 恩 提 出 束筒结构体系并将其在实际中得

16、到应用。整幢大厦被当作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振动也明显减轻。9 个高低不一的方形空心筒子集束在一起，挺拔利索,简洁稳定。这与青竹的空心结构异曲同工。引用1.poris - Taipei 101, 台北 1012. 走向仿生建筑-世界建筑2008 年第 5 期3.世界第一楼台北 101 大楼之结构设计-建筑施工第 27 卷第 10期4.建筑仿生- 青竹受力的启示 -LHT 建筑结构工作室5.全球十大最高建筑:迪拜哈利法塔列榜首 - 科技传播2011 年 第 18 期仿 生 建 筑 青 竹 的 启 示1 仿生建筑的分析1.1 仿生建筑的定义1.2 仿生建筑的意义1.3 仿生建筑的分类1.4 建筑仿生学的主要任务2 青竹的受力启示3 青竹在仿生建筑中的应用3.1 台北 101 大厦的分析3.1.1 台北 101 大楼简介3.1.2 台北 101 大楼灵感来源3.1.3 台北 101 与青竹的仿生学构造关系3.2 西尔斯大厦的分析3.2.1 西尔斯大厦简介3.2.2 西尔斯大厦与青竹结构的关系4 引用