从薄壳结构看建筑结构仿生

　　通过效仿自然，我们应用简化了的蛋壳——空间网架，作为建筑的骨架，充分利用了弧形薄壳良好的整体承力性能。同时，与悉尼歌剧院外观是壳体结构，实际上是钢筋混凝土拱肋结构不同的是，国家大剧院践行了“外观即结构”的设计理念，不但从结构和受力上效仿了蛋壳，而且在外观上通过采用玻璃和钛金属饰面，将一个完美的椭球形形体、一颗璀璨的“湖中明珠”呈现在了我们面前（见图5）。
　　总之，薄壳结构的大空间、避免应力集中等的优越性在国家大剧院中得到了完美的体现，使得大剧院达到了它所预期的传统与现代、浪漫与现实的有机组合的效果。同时成就了这个世界上最大的穹顶、这个北京最深的建筑、这座“城市中的剧院，剧院中的城市”。
　　
　　图4国家大剧院的空间网架——顶环梁的分配力机制图5国家大剧院外观
　　当然薄壳类的仿生建筑也并不一定要规则对称。事实上，正如前述，只要结构的传力路径简捷合理，那么这样的结构就是优秀的结构。由此我想到了法国国家工业与技术中心。它的整体结构造型就像一个倒扣的贝壳，其造型非常独特（见图7）。这幢坐落在巴黎的陈列馆平面为三角形，每边跨度218米，壳顶高出地面48米，总建筑面积达90000平方米。整个壳体采用一种“细胞状结构”，每个细胞均有孔洞，用以通风和平衡温度时差的变化。[6]壳体采用分段预制的双层双曲薄壳，双曲薄壳之间用预应力钢筋混凝土相连，从单层到双层无疑是在生物壳基础上的改进和优化，同时再加之钢筋混凝土材料的支撑，进一步提高了曲壳结构受压性能。另外，建筑的顶部用一个特殊的构件把几组壳体连为了一体，并把荷载传递到了三个棱柱形的支柱上。很难想象，这幢拥有当时全世界最大的水泥苍穹的建筑只有三个支撑点，而且尽管它的大跨度空间几乎可罩住巴黎协和广场，但它采用的混凝土壳层的厚度仅为12cm！从这个不可思议的纯粹现代主义的建筑中，我们进一步体会到了曲壳结构的无穷魅力。
　　
　　图7法国国家工业与技术中心与贝壳
　　大自然一次次地提醒我们，不一定用料多才安全可靠（蛋壳的厚度也仅为几毫米），也并不需要为了建筑的某种造型就一定要牺牲结构的合理性，相反，建筑安全可靠的关键是传力的合理，有机的结构与新颖的形式可以相互共生。让每一个构件，每一个细部都各司其职，各尽其能，才是我们不断追寻的目标。
　　2.3筒壳结构——高耸建筑与抗风
　　筒壳又称为柱面薄壳，它是单向有曲率的薄壳，由壳身、侧边缘构件和横隔组成。
　　我们都有这样的常识：一张纸，如果将其立起来，它是几乎不能承受竖向力的。而如果将其卷成筒状，那么它的轴向承载力就会显著提高。力学的奠基人伽利略也对这种中空体做过研究，他在《关于两门新科学的对话与数学证明对话集》说道：“我想再谈几句关于空中或中空的固体的抗力方面的意见。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。”伽利略的这段话极好得诠释了筒壳结构的优点。它用料少、质量轻、有极好的柔性，而且对于风荷载有很好的抵抗能力。正如俗语所说“疾风知劲草”，事实上这些植物的茎杆正是一种空心的结构——维管束结构。这种神奇的中空结构,给予了我们许多建筑方面的启发。例如建筑结构中常被采用的空心楼板、箱形大梁、工形截面钢梁以及折板结构、空间薄壁结构等都是根据这个原理得来的。
　　受这种中空结构的启发，我们将建筑从实体结构到中空的厚壁结构简化，再从厚壁到中空的薄壁结构简化，通过一次次得将结构的材料外移，我们不断提高着结构的整体稳定性，同时使得材料的受力性能的潜力发挥得越来越充分。尽管我们努力从自然中汲取智慧，但是我们的建筑终究不是自然的产物。就像瑞士生物学家施威德勒(Schwendener)在19世纪所分析的那样：虽然草茎和树干与高耸的建筑物经受的荷载相似，但是考虑到植物细胞结构在荷载作用下的变异和茎杆截面的变化，在最初生长阶段的树干结构与夹插在土壤中的悬臂的建筑有很大不同。随着我们对建筑一步步的简化，建筑结构局部稳定性也向着越来越差的方向发展。目前，建筑还没有像植物细胞一样的自我调节机制，所以建筑仅能被动地因为偏心受力而造成失稳破坏。
　　从受力角度来分析，筒壳的受力情况犹如由许多非常窄而薄的条板所组成的折板构造。一方面荷载沿着折板而向下传导，另一方面，它不断地被分解为与相邻条板相切的几个分力，最后汇集到两端的支撑处。[7]但是一旦筒壳失稳，这一承载机制会遭到破坏，承载力也会大幅降低。那么如何有效防止这种破坏呢？自然界中的竹子给予了我们灵感。
　　竹子的细长比可达1/100～1／200，在劲风的作用下仍不会弯折。竹子为何有这么好的抗弯性和稳定性呢？一方面，竹子的自重很轻。竹子腹中空，且越强的材料越是分布在外缘。一般竹子的横向截面，直径为6厘米，壁厚为0.5厘米。假如把竹子做成实心的，由于自重的增加和材料的不合理利用，导致它很容易在外力作用下摇摆不定而造成失去平衡，其抗弯能力也仅为原来的1/10。另一方面，竹子的横截面是圆形的。与方形、三角形等形状相比，这种外形将力分配地更加均匀，避免了应力的集中，而且表面积与空间的比值也更小，节省了材料。
　　此外，竹子的这种惊人的细长比和抗风能力还与其竹节的存在有着密切关系。究其原因，一方面竹节能够很好得抵抗横向剪力；另一方面，竹节将“长杆”自然地分为多个“短杆”，从而减小了长细比，降低了发生压杆失稳的可能性。如果留心观察，这种类似竹节的加劲结构所产生的效果在大自然中比比皆是：小麦在返青拔节时，如果雨水过多，小麦成熟后的抗“倒伏”能力就会显著降低。它的原因就是过多的雨水使小麦生长过快，使得节与节之间间距大，正是由于这种“加劲构件”的减少，降低了麦秆的抗剪能力，从而造成了所谓的“压杆失稳”现象。

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