高层建筑因提供了高效的容积率无疑成为城市发展的一种趋势,优化或者说发展高层建筑的结构体系是高层建筑首要解决的问题之一。自然界当中的一些形态如双螺旋结构和植物体茎干等提供给建筑师和结构工程师们许多启示。两个螺旋结构交叉形成双螺旋结构时能使生物体抵抗外力的能力得到增强。鲨鱼的生理特性导致其体内压力大小随其运动速度变化而变化,差值很大,鲨鱼皮就是双螺旋结构,用以抵抗随时变化的体压和弯曲。海虾窝也是双螺旋结构,十分轻巧却足以抵抗巨大的洋流和压力。福斯特设计的日本东京千年塔和瑞士再保险总部大楼就是双螺旋结构的范例(见图6-47)。
图6-47 日本东京千年塔[80]
在节约底盘面积的前提下,具有纺锤形的植物茎干能高效抵抗风荷载,这一形式出现在建筑上犹如柱身的卷杀,符合受力需要及具有视觉稳固感。竹子的结节具有不同的生长长度,靠近根部的结节短,越往上越长,这种结节使植物减轻弯曲,提升水平抗风能力。苏联建筑师拉扎列夫1980年提出的垂直居住环境的构想将上述纺锤形造型和植物结节原理运用其中,纺锤形楼高300层,楼体中央根据荷载的变化设置模仿植物结节的减摆装置,减少力矩,这对于地震多发地区也十分具有现实意义(见图6-48)。
植物茎干的中空支撑受力特点、特有的弹性和高效的抗风荷载能力是可供结构设计模仿之处。植物茎干的中空支撑受力表示的是纵长形的蛋白细胞与管壁共同承受荷载,提供高层建筑整体结构设计的思路;由于髓细胞生长的速度高于外部细胞产生的植物茎干特有的弹性,是混凝土预应力原理的植物模拟;具有巨大根部的树干抗风荷载能力强,赋予树干最大的稳固性,对于高层建筑结构,加大与地面基座的结合同样能增强稳固性和水平抗风能力。哈尔滨电视塔在建筑造型上采用了此原理,增大站立范围,抵抗底部最大的挠曲,模仿树根扎入土壤的方式设计支座(见图6-49)。(www.xing528.com)
图6-48 纺锤形塔楼[72]
图6-49 哈尔滨电视塔[72]
建筑结构仿生设计充分显示了人类对自然界的受力结构的了解和运用,使得建筑结构高效而稳固,结构美和建筑美合而为一。
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