道法自然——仿生結構

《道德經》有云：「人法地、地法天、天法道、道法自然」。

根據進化論的原理，現今存世的事物都是經過大自然千萬年來「優選」後的產物，其材料與力學性能都是久經考驗的，而我們近百年才發現的力學原理也與之不謀而合。因此，很多項目在設計過程中就從自然法則中得到了啟發。今天小i就為大家介紹幾個有趣的案例。

竹子與高層

竹子我們大家都很熟悉，又細又長（高寬比大），且重量輕強度大，在颱風中很少看到竹子被吹斷的，在很多地方都將竹子作為建築材料使用，可見其構造是極其符合力學原理的。

竹子的典型段包含竹節和節間，其中節間是空心的，所有的材料都集中在外側，這樣在減小了自重的同時也增大整個截面慣性矩，其微觀特性也反映了同樣的規律，越靠近邊緣細胞越為緻密，使得整個截面慣性矩最大化。

節點處內部有橫膈，橫膈避免了柱子由於過長而出現局部失穩破壞，類似於我們構件中的加勁肋。細心的朋友可能發現，竹節也不是均勻分佈的，在底部和頂部分佈更密，而在中間段分佈較疏。這種分佈規律也極為符合力學原理，充分做到了好鋼用到刀刃上。同時自下而上竹節的直徑也是逐漸縮小的，這樣也在無形中減小風荷載。

經研究柱子直徑、竹節間距、壁厚的變化並不是沒有規律，事實上是可以被數學表達的。

SOM將竹子的這些特性應用到了中國國際貿易中心（China World Trade Center）的結構方案設計中。塔樓在高度方向被分成八段，底部受力最大，因此底部節間長度較小以增強塔樓穩定性。同時自下而上結構直徑逐漸減小，以減小風荷載的作用。並且仿效竹子的形狀特性規律，對外形及壁厚進行了數學表達。

其中，n是根據總層數與建築體形所規定的形狀係數，N是結構總高度，yn是每段的節間長度，dn是節間直徑，t是壁厚。

結構採用外部巨型支撐+內部帶伸臂桁架的框架核心筒雙重結構體系，外部支撐結構和內部框筒結構都遵循同樣的分佈規律。外部巨型支撐結構相當於竹子的外壁纖維，支撐長度可根據公式2算出。內部結構的伸臂桁架就相當於竹節，桁架間距在中部最大，在上下兩頭最小。同時，構件的壁厚就相當於竹壁壁厚，可根據公式4推出。

可見，在SOM的這個設計中，對於竹子的借鑒並不是隻停留在概念上，或只把仿生作為一個噱頭。而是對整體形態及構件壁厚均參照竹子做了數學表達。從結構設計理念和創新上來說，SOM在高層設計領域還是很先進的。

螺旋與網格

自然界中很多物體明明風馬牛不相及，但是形式卻極其相似，比如仔細觀察風暴眼、和貝殼，可以發現不約而同都是螺旋形。在20世紀初Michell在他對懸臂樑的研究中發現了這個規律。對於一個懸臂構件，在端頭施加一個點荷載，其主應力的流線方向恰好符合螺旋形。而後隨著計算機技術發展，通過拓撲優化演算法進行結構優化時，也得到了相近的答案。

在洛杉磯Transbay Transit 塔樓的設計中，設計師將其用於了外部支撐體系的優化。其外部支撐呈螺旋形，下部有兩處腳點落地，此處即相當於「風暴眼」的位置，是受力最為集中的地方，因此網格也最為密集。自下而上結構受力逐漸減小，因此網格也逐漸變疏。支撐的佈置方式符合內力的分佈規律，因此整個結構抗側效率高、材料用量省。

同時，這種支撐佈置方式和蜘蛛網一樣，還有一定的「自我修復」功能。如在火災或恐怖襲擊時某處支撐破壞，力會繞過此處通過其相鄰桿件流向基礎，而不至於造成建築的整體垮塌。

樹葉與支撐

有沒有讀者發現樹葉的兩面是不一樣的？正面朝上吸收陽光進行光合作用，背面則為根莖支撐樹葉表面。這個理念則在廣州保利國際廣場的設計中得到了應用。

這個項目北側面對珠江，南側朝陽且對節能和碳排放要求很高。設計時如何能在既照顧到節能的情況下，又可以盡量通透方便人們欣賞江景呢？此時設計師想到了樹葉的兩面性，在南側佈置兩層通高的巨型框架抵抗結構的側向荷載。並且設計師特意把支撐結構從主體結構中拉出來，起到節能減排的作用。在夏季太陽角度高，因此支撐會形成陰影起到遮陽的作用；而在冬季太陽角度更平，支撐間的間隙會讓和暖的冬日陽光撒進大樓，可謂一舉兩得。

北面的景觀側採用框架結構，由於側向力主要由南側的巨型支撐承擔，因此北側框架柱可以盡量做小，最大限度滿足人們觀景的需要。整個建築南側北側各有側重，結構體系融入到了建築功能中，最終完成效果也很不錯。

關節與節點

人體骨骼的構造是很精妙的，不同部位的骨骼連接方式滿足不同的運動需求和力學性能。如頭骨要保護大腦且要有一定消化變形的能力，因而就相當於齒牙連接；肘關節和髖關節要讓手臂和大腿能夠靈活運動，相當於鉸接連接；指關節要消散衝擊能量，因此為滑動連接。可見我們結構中用的大多數連接方式，在人體關節中都能找到，甚至更加精妙。

基於肩關節的特性，SOM開發了一種鉸接節點。與普通的銷軸連接節點不同，在桿件端部設置了一塊半圓形端板，同時在節點端有一塊半圓形端板與之對應。設計師可根據計算需要在兩塊端板間設置適當的摩擦係數，在常規荷載作用下類似於剛性節點，以保證結構在常規荷載下的剛度。而在大震作用下，則可以通過節點滑動時端板間的摩擦起到消耗地震能量的作用。