树状结构在建筑工程领域成为热点课题

随着时代的进步、社会的发展，人们的生活水平日益提高，人们不再仅仅满足于衣食住行这些基本需求。人们已经从对生活物质的需求转化为对美好事物的追求，越来越将注意力转向自己的生活质量和生活环境，这就导致了人们也越来越关注自己所处的建筑环境，更加注重建筑与周边生态环境的融合性，回归自然，融入自然。同时，随着时间的推移自然界的生物也在慢慢地进化，优胜劣汰的生存法则在自然界中被体现得淋漓尽致。地球的物种经过漫长的进化，在恶劣的条件下生存，抵御来自自然界各个方面的灾害，不但形成了优美的外形，同时自身也具有合理的结构形式。这也就促使人们在模仿自然界设计建筑结构的同时也在学习结构的合理性，对此，结构形态学也就应运而生。

对结构形态的探索已经成为研究当代结构形式的热点话题，放眼世界一些经典的建筑，无一不是应用了结构形态这一概念，它强调的是完善的使用功能、优美的建筑外形、合理的受力结构的协调统一。从建筑的整体上来研究结构的外部形态与结构受力之间的关系，在追求美观的建筑外形的同时也注重合理的受力结构。如今，仿生结构的建筑形态已经得到深入的研究，成果显著，这也就直接地促进了大批形态优美、受力合理的建筑结构被设计建造出来。

大自然的鬼斧神工是不言而喻的，它总能通过最少的材料、最优美的结构形态来达到最合理的受力形式，让不同的生物更好地生存。美观的造型和合理的受力形式也大大促进了人类对于自然中不同生物的模仿研究与创新。人们针对自然中的生物进行模仿和研究促进了仿生学的快速发展，首要的就是生物仿真，其中两个最典型的例子就是利用蝙蝠的声波研究了地面雷达、潜艇声呐，利用蛇的热感应创造出了热感应系统。建筑仿真也是仿真学的一个重要分支，同时也是结构形态学研究的一个非常重要的方向，是未来建筑设计的方向标。

在结构工程中，尤其是空间结构领域，人们往往更加关注结构仿生，并使其得到了充分的利用。比如拱结构的设计灵感来源于脊椎动物身体里的骨架结构，设计师们依据海边的贝壳、蛋壳设计出了薄壳结构和网壳结构，又从蜘蛛网和水的表面张力发现了索膜结构的力学特性，依据自然界的蜂巢发现了筒状架构的建筑整体。事实上，在我们身边存在着我们所知的不少不朽的传世建筑都应用了建筑仿生学的概念，比如澳大利亚的悉尼歌剧院（贝壳）、中国的北京“鸟巢”体育场（鸟巢）、中国武汉新能源研究院大楼（马蹄莲）（图1—1）。

图1-1　仿生建筑实例及其自然原型(www.xing528.com)

在这种情况下，象征绿色与希望的树由于其合理的受力形态与优美的结构外形也成了当代建筑工程领域竞相研究与模仿的对象。

随着时代的变迁，大自然中的树也是通过不断进化来适应这个世界，用“物竞天择”四字来形容再好不过了，自然界中的树在飓风、暴雪、地震等恶劣环境下形成了如今的结构。表面看上去凌乱不堪的树枝其实是有规律可循的，细看会发现其中有着粗细之分。首先是从树根中衍生粗大的树干，到达一定高度后又分出较粗的树枝，继续向上生长形成更细一点的枝丫、分叉。这样逐级生长最后形成我们眼中的树木。树就是通过自身这样的结构才可以承担超过自重数倍的风荷载、雪荷载与树叶等压力，因此树木良好的受力性能引起了工程设计人员的广泛关注。

德国斯图加特大学建筑师Frei Otto认为人类是自然的一部分，我们应该建造的是和自然界共生的社会，他在20世纪60年代首先提出树状结构这一结构形态学的概念，这种结构造型新颖，结构受力合理，而且结构简单，由树干和树枝组成，在建筑形态上面与自然界中的树相似，可以不断向上分级，向上向外扩展，截面自下而上也在不断减小，形成一个大的空间结构。在受力性能上，树状结构与自然界中的树传力非常相似，都是从高级分枝将力传递到低级分枝，也就是将力从枝丫处传递到树枝再到树干，这样也就形成了力流，在每级分枝的节点处汇聚，继续向下传递。不管是在二维空间中还是在三维空间中，力流都是从上到下的汇聚，没有迂回环绕，传递到树干和基础，形成最短的传力路径。树状结构经过合理的设计找形后，可以不受弯矩作用，各个分枝只受轴向力作用。同时树状结构不同于传统的单柱结构，采用三维扩展，用多点支撑来代替单点支撑，这样节点的应力分布更加均匀，同时承载力也就更高，支撑范围也就更广，用很少的材料就可以支撑起较大的空间，特别适用于大跨度空间的支撑结构。综合以上几点，树状结构已经成为国内外建筑师研究的热点课题之一。树状结构在很多公共建筑中得到了广泛的应用，特别适用于展览馆、航站楼等大型公共建筑，如德国斯图加特机场（Stuttgart Airport）、法国司法宫（Palais de Justice）、中国长沙南站、新加坡国家美术馆（National Gallery Singapore）等大跨度空间结构均采用树状结构作为支撑体系（图1—2）。

图1-2　树状结构工程实例