空间结构形态学

第1章形态学引论 　　1.1形态学 　　“形态”在《辞海》中的解释是：形状和神态，也指事物在一定条件下的表现形式（辞海编辑委员会，2020）。“形态学”（morphology）起源于古希腊，morphology一词由希腊语morphe（形）和logos（逻辑）构成，意指形式的构成逻辑。可见，形态学的研究内涵在于探究事物的内部规律与外部表现之间的关系。 　　形态学*初是一门研究人体、动物、植物形式和构成的科学，并在随后出现的生物学中得到广泛应用。古希腊哲学家亚里士多德与16世纪的法国博物学家贝隆对动物进行了比较，发现了动物外形结构的相似处；19世纪早期德国作家歌德*早将形态学一词用在生命科学的研究上，他认为所有植物的枝干组织都是由*基本的植物机体发展而来；法国博物学家圣伊莱尔在动物学里也提出相似的观点，认为所有的动物，包括人在内，都是由相似的基础背景所构成的。英国生物学家欧文则认为任何物种都从可能的假设形态发展到该物种形态，并将形态学运用到当时备受瞩目的生物解剖学中。形态学的发展启示了英国生物学家达尔文，他以机械论的方法来解释物种进化的一致性，称一个种族均有其共同祖先的原型，但因进化而消失原貌。此时对生物形态的描述还仅仅是外在的造型。 　　从18世纪晚期开始，人们试图建立一种与生物学脱离的“纯粹形态学”（pure morphology），从而产生了一门生物学家、数学家和艺术家都同样爱好的科学。学术界都认为形态等同于事物在某一时刻所表现出来的客观现象。但在随后的发展过程中，形态学通过对其他科学技术的借鉴和自我更新完善，逐渐从哲学层面上加深了对事物的认知。有生物学家认为，在细胞、分子水平上的生物结构观察，应能解释个体水平上的生物体形态，形态学成为研究生物形式本质的学科；数学家以抽象的数学理论为基础来描绘具象的几何图形；艺术家还强调了外形和神态的结合，我国古代的论述“形者神之质，神者形之用”就指出了形与态之间相辅相成的关系。 　　近现代的形态学逐渐成为一门独立的，集数学（几何）、生物力学、材料和艺术造型为一体的交叉学科。形态学的内涵愈加丰富，用动态发展的眼光来看待事物，常常基于动态过程的迭代寻优处理复杂问题，时间和空间都是形态分析不可或缺的要素。20世纪初，形态学思想逐渐在建筑领域用于对结构、造型乃至功能之间的关系研究。意大利建筑师奈尔维认为，结构应具有自身的表现力，合理的结构本身就蕴含着美；德国建筑师奥托认为，建筑的目的是更好地表达自然，了解存在于自然界的构造过程，人工地表达这种过程。随着研究的不断深入，形态学已被广泛应用于工业和建筑设计领域(图1.1.1)。 　　图1.1.1形态学 　　1.2结构形态学 　　结构的形态问题是建筑师和结构工程师*关心的问题之一。结构形态学作为形态学的一个分支，与形态学的核心思想一致，旨在研究建筑外在造型与内部结构受力之间的关系，目的在于寻求两者的协调统一，即在给定的建筑条件下寻找具有较佳受力性能的结构形体。结构形态学所涉及的领域较广，包含数学、力学、几何学、仿生学、美学等多个学科。从古至今，结构形态学的研究从未停止，在学科领域划分过程中，建筑学与土木工程学在某种程度上人为地在结构的“形”与“态”之间进行了划分，但也不乏众多“形”与“态”高度结合的建筑作品（图1.2.1）。 　　图1.2.1“形”与“态”结合的建筑结构 　　结构形态学中的“形”关注的是结构的外形，即结构的几何形状、拓扑关系；结构形态学中的“态”关注的是结构的性能，即结构的受力状态、力学特性。结构的“形”与“态”有密不可分的联系，“形”是“态”研究的基础，结构“态”的研究又为结构“形”的完善服务。将结构各构件之间力传递的过程形象地比喻为力流。力流沿着构件传播，构件的布置就是对力流的导向，就像地形对水流的导向一样。同样是瀑布，却因山体的构造而千差万别，从而给人以不同的美感（图1.2.2）。在结构中调整构件的布置，亦会引起结构内部力流的改变（图1.2.3）。在理想状态下，结构的形状应是外界作用力在结构材料中的自然反映，结构内部的力流应与结构的形状相吻合。如何使力流的导向明确、高效，传力途径短而直接；如何通过改变力流来实现某些特定的功能，是结构选型的任务，也是结构构件布置的目的。现实世界中，一个结构所承受的外力不是一成不变的，结构除抵抗外力外还要满足一些特定功能或艺术上的需要。因此，实际工程中的结构形态可认为是理性与感性的平衡体。 　　图1.2.2不同形式的瀑布 　　图1.2.3两杆结构的不同构件布置 　　1.3空间结构形态学 　　结构形态的多元化与复杂化是现代空间结构的主要特征。空间结构形态学与结构形态学同根同源，探求外在造型与内部结构的协调统一，不仅关注三维空间中结构千姿百态的造型，还注重力流传递的整体性和连续性，且力求建筑功能与建筑形式有机融合。事实上，在空间结构工程实践中，设计师常有所侧重，分别以塑造美好造型、保障力学合理与探求结构功能为基础开展空间结构设计。 　　1.3.1空间结构形态与仿生 　　在与自然界的长期抗争中，生物适应并影响环境、经受外界不利作用，形成了各种强度高、刚度大的身体形态。生物体自身的构造经过了亿万年优胜劣汰的演化，具有结构合理、受力性能良好的特点。自然界中到处都体现这样一条原则：以*少的材料和*合理的结构形式取得*经济的效果。自然界中生物的进化过程就是一个设计优化过程。自然界的创造力常令人类的设计和想象力相形见绌。可以说，生物以*少的材料构造了*美、*坚固、*实用的外形和生存空间，达到了令人惊叹的地步。人类生活在自然界中，与周围生物为邻，在长期向大自然学习的过程中，设计师通过对生物形态和结构的选择、改进及模拟应用，使结构的功能和形态更加多样化。 　　空间结构的出现也是受到自然界的启迪。许多轻质、高强且美观的空间结构形式都是有意识或无意识地模仿生物体构造的主体或部分结构或其生存巢穴或其生存环境的某些特征而构想设计出来的。例如，轻盈美观的网格结构，有着天才结构工程师蜜蜂的影子；薄壳结构与蛋壳、贝壳、龟壳相仿；根据气泡张拉原理而来的薄膜结构和充气结构等都是空间结构与仿生工程学相结合的典范。这些结构能够顺应力流、合理节省材料，并具有优美的流线造型，经受住了实践的检验而经久不衰。虽然空间结构形态仿生的事实和实例由来已久，但是至今尚未有明确严格的定义。空间结构形态仿生是广义的仿生，其模仿的不仅是生物的结构外形，更是生物结构的力学特性和使用功能。此外，空间结构形态仿生也突破了生物仿生的概念，将自然界一切形态优美、受力合理的物质作为模仿的对象，包括宇宙的结构形态、地球生物的结构形态以及微观世界中分子和原子的结构形态。 　　1.3.2“形”主导的空间结构设计 　　1.球形网壳 　　美国建筑师富勒在1954年发明了短程线球形网壳，在当时已经可以跨越很远的距离。比较著名且具有代表性的球形网壳工程实例当属1967年蒙特利尔世博会美国馆［图1.3.1（b）］。实际上，关于球形网壳的来源众说纷纭。有人认为，球形网壳与放射虫的骨骼结构极为相似，放射虫的骨骼结构［图1.3.1（a）］其实就是很典型的空间球形网壳。 　　图1.3.1放射虫的骨骼结构和蒙特利尔世博会美国馆 　　对微观分子结构的探索也印证了富勒所发明球面壳的合理性，并成为空间结构设计的灵感之一。尤其是一些比较复杂的分子，其模型往往具有对称性和重复性等特点，这符合空间结构的一般要求。典型代表是球壳状碳分子，这是已知体形*小的基于紧密聚集多面体原理形成的结构。1985年，足球状C60通过人工合成，该分子形式和富勒设计的球形网壳极像，故这种新型碳分子结构命名为富勒烯。球壳状碳分子大小变化很大，其组成的碳原子数少的只有20个，多的可达720个(图1.3.2)。图1.3.2不同的球壳碳分子模型 　　如图1.3.3（c）所示，英国伊甸园工程也是一种由多面体表面拟合而成的球形网壳结构。伊甸园的主设计师Grimshaw应用了富勒的理论，但没有直接采用富勒的短程线球形网壳，而是将几个不同大小的网格球贴挤成串，让室内空间在长度方向上进一步延伸。在伊甸园工程中，每个穹顶的结构网格都包含两个同心的球形网格，这两个球形网格半径不同，两者之间有一定的距离。内外层网格之间通过一系列的对角线连接，产生了一个双层的具有三维承载能力的球形网格。实际上它也是一个优秀的仿生结构（模仿昆虫复眼建造）。 　　图1.3.3昆虫复眼和英国伊甸园工程 　　2.蜂窝形结构 　　蜂窝是十分精密的“建筑工程”，每一个蜂巢都是六面柱体。4世纪古希腊数学家佩波斯提出了著名的蜂窝猜想：人们所见到的、截面呈六边形的蜂窝，是蜜蜂采用*少量的蜂蜡建造成的。而Hales（2001）提出，在考虑了周边是曲线时，由正六边形组成的图形周长*小，这对建筑结构的造型与节省材料带来了重要启示。图1.3.4就是一种蜂窝形空间结构，其网格实体部分很小，因此自重较小，透光性较好。