《道德經(jīng)》有云：“人法地、地法天、天法道、道法自然”。

根據(jù)進化論的原理，現(xiàn)今存世的事物都是經(jīng)過大自然千萬年來“優(yōu)選”后的產(chǎn)物，其材料與力學(xué)性能都是久經(jīng)考驗的，而我們近百年才發(fā)現(xiàn)的力學(xué)原理也與之不謀而合。因此，很多項目在設(shè)計過程中就從自然法則中得到了啟發(fā)。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，在臺風(fēng)中很少看到竹子被吹斷的，在很多地方都將竹子作為建筑材料使用，可見其構(gòu)造是極其符合力學(xué)原理的。

竹子的典型段包含竹節(jié)和節(jié)間，其中節(jié)間是空心的，所有的材料都集中在外側(cè)，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(guī)律，越靠近邊緣細胞越為致密，使得整個截面慣性矩最大化。

節(jié)點處內(nèi)部有橫膈，橫膈避免了柱子由于過長而出現(xiàn)局部失穩(wěn)破壞，類似于我們構(gòu)件中的加勁肋。細心的朋友可能發(fā)現(xiàn)，竹節(jié)也不是均勻分布的，在底部和頂部分布更密，而在中間段分布較疏。這種分布規(guī)律也極為符合力學(xué)原理，充分做到了好鋼用到刀刃上。同時自下而上竹節(jié)的直徑也是逐漸縮小的，這樣也在無形中減小風(fēng)荷載。

經(jīng)研究柱子直徑、竹節(jié)間距、壁厚的變化并不是沒有規(guī)律，事實上是可以被數(shù)學(xué)表達的。

SOM將竹子的這些特性應(yīng)用到了中國國際貿(mào)易中心（China World Trade Center）的結(jié)構(gòu)方案設(shè)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(jié)間長度較小以增強塔樓穩(wěn)定性。同時自下而上結(jié)構(gòu)直徑逐漸減小，以減小風(fēng)荷載的作用。并且仿效竹子的形狀特性規(guī)律，對外形及壁厚進行了數(shù)學(xué)表達。

其中，n是根據(jù)總層數(shù)與建筑體形所規(guī)定的形狀系數(shù)，N是結(jié)構(gòu)總高度，yn是每段的節(jié)間長度，dn是節(jié)間直徑，t是壁厚。

結(jié)構(gòu)采用外部巨型支撐+內(nèi)部帶伸臂桁架的框架核心筒雙重結(jié)構(gòu)體系，外部支撐結(jié)構(gòu)和內(nèi)部框筒結(jié)構(gòu)都遵循同樣的分布規(guī)律。外部巨型支撐結(jié)構(gòu)相當(dāng)于竹子的外壁纖維，支撐長度可根據(jù)公式2算出。內(nèi)部結(jié)構(gòu)的伸臂桁架就相當(dāng)于竹節(jié)，桁架間距在中部最大，在上下兩頭最小。同時，構(gòu)件的壁厚就相當(dāng)于竹壁壁厚，可根據(jù)公式4推出。

可見，在SOM的這個設(shè)計中，對于竹子的借鑒并不是只停留在概念上，或只把仿生作為一個噱頭。而是對整體形態(tài)及構(gòu)件壁厚均參照竹子做了數(shù)學(xué)表達。從結(jié)構(gòu)設(shè)計理念和創(chuàng)新上來說，SOM在高層設(shè)計領(lǐng)域還是很先進的。

螺旋與網(wǎng)格

自然界中很多物體明明風(fēng)馬牛不相及，但是形式卻極其相似，比如仔細觀察風(fēng)暴眼、和貝殼，可以發(fā)現(xiàn)不約而同都是螺旋形。在20世紀初Michell在他對懸臂梁的研究中發(fā)現(xiàn)了這個規(guī)律。對于一個懸臂構(gòu)件，在端頭施加一個點荷載，其主應(yīng)力的流線方向恰好符合螺旋形。而后隨著計算機技術(shù)發(fā)展，通過拓撲優(yōu)化算法進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，也得到了相近的答案。

在洛杉磯Transbay Transit 塔樓的設(shè)計中，設(shè)計師將其用于了外部支撐體系的優(yōu)化。其外部支撐呈螺旋形，下部有兩處腳點落地，此處即相當(dāng)于“風(fēng)暴眼”的位置，是受力最為集中的地方，因此網(wǎng)格也最為密集。自下而上結(jié)構(gòu)受力逐漸減小，因此網(wǎng)格也逐漸變疏。支撐的布置方式符合內(nèi)力的分布規(guī)律，因此整個結(jié)構(gòu)抗側(cè)效率高、材料用量省。

同時，這種支撐布置方式和蜘蛛網(wǎng)一樣，還有一定的“自我修復(fù)”功能。如在火災(zāi)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(chǔ)，而不至于造成建筑的整體垮塌。

樹葉與支撐

有沒有讀者發(fā)現(xiàn)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(shè)計中得到了應(yīng)用。

這個項目北側(cè)面對珠江，南側(cè)朝陽且對節(jié)能和碳排放要求很高。設(shè)計時如何能在既照顧到節(jié)能的情況下，又可以盡量通透方便人們欣賞江景呢？此時設(shè)計師想到了樹葉的兩面性，在南側(cè)布置兩層通高的巨型框架抵抗結(jié)構(gòu)的側(cè)向荷載。并且設(shè)計師特意把支撐結(jié)構(gòu)從主體結(jié)構(gòu)中拉出來，起到節(jié)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(cè)采用框架結(jié)構(gòu)，由于側(cè)向力主要由南側(cè)的巨型支撐承擔(dān)，因此北側(cè)框架柱可以盡量做小，最大限度滿足人們觀景的需要。整個建筑南側(cè)北側(cè)各有側(cè)重，結(jié)構(gòu)體系融入到了建筑功能中，最終完成效果也很不錯。

關(guān)節(jié)與節(jié)點

人體骨骼的構(gòu)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(xué)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(dāng)于齒牙連接；肘關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)要讓手臂和大腿能夠靈活運動，相當(dāng)于鉸接連接；指關(guān)節(jié)要消散沖擊能量，因此為滑動連接。可見我們結(jié)構(gòu)中用的大多數(shù)連接方式，在人體關(guān)節(jié)中都能找到，甚至更加精妙。

基于肩關(guān)節(jié)的特性，SOM開發(fā)了一種鉸接節(jié)點。與普通的銷軸連接節(jié)點不同，在桿件端部設(shè)置了一塊半圓形端板，同時在節(jié)點端有一塊半圓形端板與之對應(yīng)。設(shè)計師可根據(jù)計算需要在兩塊端板間設(shè)置適當(dāng)?shù)哪Σ料禂?shù)，在常規(guī)荷載作用下類似于剛性節(jié)點，以保證結(jié)構(gòu)在常規(guī)荷載下的剛度。而在大震作用下，則可以通過節(jié)點滑動時端板間的摩擦起到消耗地震能量的作用。

北京的保利集團總部單層索網(wǎng)幕墻中搖臂節(jié)點也受到了關(guān)節(jié)的啟發(fā)。

結(jié)構(gòu)分析表明，在不提供額外支撐的情況下，22層高通高平面索網(wǎng)幕墻是無法實現(xiàn)的。因此設(shè)計師將幕墻面設(shè)計為折面，并增加了兩條巨型對角拉索沿折線布置，從博物館屋頂一直延伸到中庭頂部。

經(jīng)計算在地震作用下，建筑屋頂相對于下方十層以上博物館結(jié)構(gòu)，會產(chǎn)生進0.9米相對運動。而使用傳統(tǒng)的固定鉸支座，在單方向運動下支撐一根受拉一根受壓，單根受力過大導(dǎo)致截面過大。

因此設(shè)計師設(shè)計了搖臂連接節(jié)點，其中搖臂充當(dāng)了“杠桿”的作用，在一根拉索受到拉力時會拉動杠桿的一頭向上運動，另一端本該受壓的拉索為了平衡杠桿兩端不平衡力也會受拉，因此就增加了結(jié)構(gòu)的整體剛度，從而減小拉索截面。

設(shè)計團隊還進行了模擬實驗，以此來驗證他們的構(gòu)思。結(jié)果表明與預(yù)期一致，結(jié)構(gòu)整體剛度顯著提升，在減小了拉索直徑的同時，增加了索網(wǎng)幕墻的安全度。同時由于其精妙的細節(jié)，節(jié)點本身也成為了建筑景觀的一部分。

其他

仿生學(xué)在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用由來已久，但大多是存在于結(jié)構(gòu)概念中，二者之間的關(guān)系看起來似有似無。但近些年來隨著人們對自然和對結(jié)構(gòu)設(shè)計知識的運用越來越成熟，更多實際的設(shè)計在大自然中找尋到了規(guī)律和靈感。由于篇幅有限，小i就不在這里一一介紹了，下面為大家提供一些圖片，相信聰明的你從圖片中也能看出其中的聯(lián)系。

體構(gòu)造與結(jié)構(gòu)高寬比

細胞結(jié)構(gòu)與支撐形式

風(fēng)暴形狀與支撐效率

斐波那契數(shù)列分布

恐龍構(gòu)造與懸索橋

蜘蛛網(wǎng)與索網(wǎng)幕墻