薄壳结构—仿生建筑

1、 各种各样的贝壳各种各样的贝壳 自然界生物的神奇来自于亿万年的选择进化、优胜劣汰。 贝壳的形貌包含着许多的几何曲线，成为现代建筑设计模仿的重要目标。自然界某些动植物的种子外壳、蛋壳、贝壳，可以说是天然的薄壳结自然界某些动植物的种子外壳、蛋壳、贝壳，可以说是天然的薄壳结构，它们的外形符合力学原理，构，它们的外形符合力学原理，以最少的材料获得坚硬的外壳以最少的材料获得坚硬的外壳，以抵，以抵御外界的侵袭。御外界的侵袭。以蛋壳为例，由于工程中结构自重是以均布荷载的形以蛋壳为例，由于工程中结构自重是以均布荷载的形式存在，在蛋壳上施加均布力，一般认为在蛋壳中部为最脆弱的部位，式存在，在蛋壳上施加均布力，一

2、般认为在蛋壳中部为最脆弱的部位，但实际情况结构产生应力均匀，而在两端较大。通常情况，如果一枚但实际情况结构产生应力均匀，而在两端较大。通常情况，如果一枚鸡蛋的横径在鸡蛋的横径在4厘米左右，那么蛋壳厚度就只有厘米左右，那么蛋壳厚度就只有0.38毫米，二者的比毫米，二者的比值接近值接近1：105。这么薄的蛋壳，简直不堪一击。然而，蛋壳的形状可。这么薄的蛋壳，简直不堪一击。然而，蛋壳的形状可以影响它的受力，凸出向外的曲面能把力均匀散开。特别是当它均匀以影响它的受力，凸出向外的曲面能把力均匀散开。特别是当它均匀受力时，抗压性就更大了，远不是看上去的那么脆弱。可见薄壳结构受力时，抗压性就更大了，远不是看

3、上去的那么脆弱。可见薄壳结构运用到大跨度建筑中，能够达到满应力设计准则的要求。人们从这些运用到大跨度建筑中，能够达到满应力设计准则的要求。人们从这些天然壳体中受到启发，利用混凝土以及其他合金材料的可塑性，创造天然壳体中受到启发，利用混凝土以及其他合金材料的可塑性，创造出各种形式的薄壳结构。建筑工程中的壳体结构多属薄壳结构。出各种形式的薄壳结构。建筑工程中的壳体结构多属薄壳结构。 启发薄壳就是利用了龟壳结构原理，由于这种结构薄壳就是利用了龟壳结构原理，由于这种结构的拱形曲面可以抵消外力的作用，结构更加坚的拱形曲面可以抵消外力的作用，结构更加坚固。龟壳的背甲呈拱形，跨度大，包括许多力固。龟壳的背甲

4、呈拱形，跨度大，包括许多力学原理。虽然它只有学原理。虽然它只有2 mm的厚度，但使用铁的厚度，但使用铁锤敲砸也很难破坏它。建筑学家模仿它进行了锤敲砸也很难破坏它。建筑学家模仿它进行了薄壳建筑设计。这类建筑有许多优点：用料少，薄壳建筑设计。这类建筑有许多优点：用料少，跨度大，坚固耐用。跨度大，坚固耐用。 薄壳薄壳建筑建筑悉尼歌剧院悉尼歌剧院 薄壳建筑晨曦中的“青蛤 ”薄壳建筑夜幕中的“海螺” 生物界的各种蛋壳、贝壳、乌龟壳、海生物界的各种蛋壳、贝壳、乌龟壳、海螺壳都是一种曲度均匀、质地轻巧的螺壳都是一种曲度均匀、质地轻巧的“薄壳薄壳结构结构”。这种。这种“薄壳结构薄壳结构”的表面虽然很薄，的表面

5、虽然很薄，但非常耐压。但非常耐压。 壳体结构的强度和刚度主要是利用了其壳体结构的强度和刚度主要是利用了其几何形状的合理性，把受到的压力均匀地分几何形状的合理性，把受到的压力均匀地分散到壳体的各个部分，以很小的厚度承受很散到壳体的各个部分，以很小的厚度承受很大的重量，这就是大的重量，这就是“薄壳结构薄壳结构”的特点。的特点。薄壳结构的特点薄壳结构的类型一、球壳一、球壳 二、筒壳二、筒壳 薄壳结构的类型三、扁壳三、扁壳 四、扭壳四、扭壳 薄壳结构的应用与发展 日本代代木体育馆日本代代木体育馆 中国国家大剧院中国国家大剧院 薄壳结构的优点较多，因为它很薄，薄壳结构的优点较多，因为它很薄，相比较而言，

6、同样跨度的其他结构的重量相比较而言，同样跨度的其他结构的重量要比它重得多，也就可以节约很多材料。要比它重得多，也就可以节约很多材料。薄壳是曲面壳体，比同样厚度的平面板刚薄壳是曲面壳体，比同样厚度的平面板刚度要大很多，而且能把自身所受的压力，度要大很多，而且能把自身所受的压力，均匀地扩散到整个曲面上，因而荷载也很均匀地扩散到整个曲面上，因而荷载也很大。这就如同很薄的蛋壳，可以承受相对大。这就如同很薄的蛋壳，可以承受相对体重很大的母禽，而在孵化过程中不被压体重很大的母禽，而在孵化过程中不被压破。同时，薄壳是整体连续的屋盖结构，破。同时，薄壳是整体连续的屋盖结构，比用小块材料砌成的拱券结构整体性要强比用小块材料砌成的拱券结构整体性要强的多，防震性也大得多。的多，防震性也大得多。 优点优点 在提倡节能环保的今天，薄壳结构的仿在提倡节能环保的今天，薄壳结构的仿生建筑是新时代的一种潮流，我相信，在生建筑是新时代的一种潮流，我相信，在不久的将来，在世界的