生态建筑第三版：壳体结构仿生成果

壳体所引起的生物联想众多，如蛋壳、坚果、贝壳、昆虫护身壳及树叶的形态等。最早致力于壳体研究的工程师都以同样的自然现象来描述他们的研究成果，这绝非偶然。壳体的结构效应归功于其曲面的曲率和几何特征，它是一种薄得不至于产生明显的弯曲应力，但曲面高度足以承受压力、拉力和剪力的结构。按照曲面的形态，我们将其分为单曲面壳体和双曲面壳体两种。

圆筒壳是最常见的单曲面壳体，其原型是中空的草茎和竹子，圆筒壳的受力如同由许多窄而薄的条板组成的折板构造，荷载一方面沿着曲面往下导，另一方面不断分解为与相邻条板相切的分力，被汇合于两端支撑处。圆筒壳又可分为长筒壳和短筒壳，长筒壳受力类似于梁，短筒壳受力类似于拱。

由芬兰建筑师勒维尔设计的多伦多新市政厅就是运用圆筒壳受力原理而做的经典设计，该设计首次应用垂直设立的圆筒片断作为高层建筑的构架（见图6-38）。横向刚性的设计用来抵御高层建筑的主要荷载——水平风力，该建筑横向上是按薄壳设计的，一方面连续的圆筒壳体有一定的刚性，另一方面形体本身的固有曲率也使其更能抵抗水平荷载的袭击。36层的楼板以悬臂的方式伸出墙面，在此起到使其不变形的加强构件的作用。

图6-38　多伦多市政厅［81］

双曲面壳体造型丰富，更多运用于大跨度建筑。双曲面壳体由于其壳面有纵向和横向两个向度的弯曲，形成了自然刚性很强的薄壳，一般分为旋转壳体、双曲抛物线壳体、自由形态壳体等。旋转壳体多为球体、球体的近似形或者其一部分，整体强度好，如同乒乓球不易产生整体变形的损坏，损坏多由于表皮某处的破陷引起。奈尔维在罗马小体育宫设计中应用了部分球面形薄壳，依据受力分析，壳体荷载沿着壳边缘的切线传递，因而Y形的支座沿切线方向伸展开以承受荷载，保持了稳定性，同时符合力学和视觉的逻辑（见图6-39）。自然界中许多花瓣是双曲抛物线壳体的形态。1958年比利时布鲁塞尔国际博览会通信大厅采用的就是典型的双曲抛物面壳（见图6-40）。壳顶采用了钉板式木结构，材料厚度3.1cm×2cm，壳体水平投影18.3m×14m，壳体通过上凸的抛物线将压力传递到支座，下凹的抛物线传递了材料的拉力。

图6-39　罗马小体育宫［82］

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图6-40　布鲁塞尔国际博览会通信大厅［72］

同年建于墨西哥索其米奥科的洛斯·马纳第利斯饭店的屋顶由4个双曲抛物面相交组成（见图6-41），其水平投影为正八边形，边长12.5m。壳体内力沿谷线传递到壳趾的8个受力点。自然界当中更大量存在的是那些具有自由形态的壳体，它们是由自然环境当中各种因素综合决定的，如风力、引力、潮汐能、湿度、内部功能演进等。人的头颅骨就是一例自由形态的壳体，呈现扁球体状，曲率均匀，由不同形态的大小骨板彼此以折线形小齿咬合而成，这个结合形态又与龟甲有相似之处，它可以在本身受到重大撞击时使撞击力沿着裂缝传递而内部消解不至于产生更大的裂缝或损坏（见图6-42）。

图6-41　洛斯·马纳第利斯饭店［72］

图6-42　人的头颅骨［72］

埃罗·沙里宁设计的纽约环球航空公司航空站（TWA）的屋顶就是这样一种自由形态的壳体，设计根据薄壳的构造本质而定，没有一处受几何形态的束缚，但每一条曲线和细部都表现了该遵循的秩序。它引发人联想起飞翔的雄鹰，但每一根线条与雄鹰相比又似是而非，更多是力度感和技术感的表现（见图6-43）。

图6-43　纽约环球航空公司航空站［83］