從薄殼結構看建筑結構仿生
2018/12/2 17:56:05??????點擊：
1．建筑結構仿生概述
1960年在DAYTON市（美國俄亥俄州）的研討會上提出：生物的原型是打開新技術奧秘的鑰匙，從而首次確立了仿生學的法律地位。[1]建筑仿生學則是仿生學的一個重要分支。它試圖通過大自然獲取布置結構形式的靈感，使得傳力更加合理。
正如達?芬奇所說,“人類的靈性將會創造出多樣的發明來，但是他們并不能使這些發明更美妙、更簡潔、更明朗；因為自然的產物都是恰到好處的。”事實上，各種生物的結構不乏可供人們效仿的典范，它們由內至外無處不體現著對空間、能源利用的高適應性、高科技性、以及經濟合理性。因此無論是一個小小的蛋殼，還是挺拔的竹子，抑或是隨處可見的蘆葦都成為了我們建筑結構的雛形，由它們所引發的建筑結構的變革也不斷推動著建筑結構的完善。
2．薄殼結構仿生
2.1概述
薄殼結構是一種曲面的薄壁結構，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度，同時又能將承重與圍護兩種功能融合為一。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、質地輕巧的“薄殼結構”。這種“薄殼結構”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，我們會很自然地想到平常最熟悉不過的蛋殼。從幾何形態上看，蛋殼的厚跨比可達1：120，以極少的材料創造了廣大的空間。從受力方面來看，實驗證明，當雞蛋均勻受力時，它可以承受34.1kN——相當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的結構分不開的。蛋殼結構可分為三層：外層為表皮層，中層為海綿層，內層為乳頭層。這三層具有不同彈性模量的顯微結構構成了一個天然的預應力結構體系，從而形成了一個科學的傳力路徑，很好地將力分散至外部，有效地避免了應力集中。
讓我們進一步分析弧形圓頂的受壓優勢。在如圖1所示的實驗中[3]，將兩個蛋殼懸空放置，一個圓弧朝上（A），另一個朝下(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到某個高度時，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，當力F垂直作用于蛋殼時，它在兩蛋殼表面各自產生分力T1和T2。對于蛋殼來說，從微觀角度看，不受外力作用時，它的分子間距在左右。對蛋殼A，F作用瞬間，分子間距減小，從圖3可知，<,分子力表現為斥力；相應的，蛋殼B處，分子力表現為引力。從圖3可知，在產生相同的變形時（如各自到達圖中c、d點），，因此，從宏觀上看，蛋殼A自然可承受更大的力。另一方面，由于實際中，F并不會完全垂直降落，這就使得A所承受的力僅為F的一個明顯減小的分力。而對內凹的B殼，F的傾斜并不會帶來明顯的減力效果。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（美國俄亥俄州）的研討會上提出：生物的原型是打開新技術奧秘的鑰匙，從而首次確立了仿生學的法律地位。[1]建筑仿生學則是仿生學的一個重要分支。它試圖通過大自然獲取布置結構形式的靈感，使得傳力更加合理。
正如達?芬奇所說,“人類的靈性將會創造出多樣的發明來，但是他們并不能使這些發明更美妙、更簡潔、更明朗；因為自然的產物都是恰到好處的。”事實上，各種生物的結構不乏可供人們效仿的典范，它們由內至外無處不體現著對空間、能源利用的高適應性、高科技性、以及經濟合理性。因此無論是一個小小的蛋殼，還是挺拔的竹子，抑或是隨處可見的蘆葦都成為了我們建筑結構的雛形，由它們所引發的建筑結構的變革也不斷推動著建筑結構的完善。
2．薄殼結構仿生
2.1概述
薄殼結構是一種曲面的薄壁結構，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度，同時又能將承重與圍護兩種功能融合為一。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、質地輕巧的“薄殼結構”。這種“薄殼結構”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，我們會很自然地想到平常最熟悉不過的蛋殼。從幾何形態上看，蛋殼的厚跨比可達1：120，以極少的材料創造了廣大的空間。從受力方面來看，實驗證明，當雞蛋均勻受力時，它可以承受34.1kN——相當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的結構分不開的。蛋殼結構可分為三層：外層為表皮層，中層為海綿層，內層為乳頭層。這三層具有不同彈性模量的顯微結構構成了一個天然的預應力結構體系，從而形成了一個科學的傳力路徑，很好地將力分散至外部，有效地避免了應力集中。
讓我們進一步分析弧形圓頂的受壓優勢。在如圖1所示的實驗中[3]，將兩個蛋殼懸空放置，一個圓弧朝上（A），另一個朝下(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到某個高度時，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，當力F垂直作用于蛋殼時，它在兩蛋殼表面各自產生分力T1和T2。對于蛋殼來說，從微觀角度看，不受外力作用時，它的分子間距在左右。對蛋殼A，F作用瞬間，分子間距減小，從圖3可知，<,分子力表現為斥力；相應的，蛋殼B處，分子力表現為引力。從圖3可知，在產生相同的變形時（如各自到達圖中c、d點），，因此，從宏觀上看，蛋殼A自然可承受更大的力。另一方面，由于實際中，F并不會完全垂直降落，這就使得A所承受的力僅為F的一個明顯減小的分力。而對內凹的B殼，F的傾斜并不會帶來明顯的減力效果。綜上分析，我們了解了蛋殼弧形外殼的有利作用。
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