高福聚，赵 晶
(中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)
1 概述
建筑历经六七千年的发展，最初仅仅是作为一个遮风挡雨的“避风港”，而随着建筑材料、结构、施工技术地不断发展，如今建筑成为了一种社会观念的具体表现形式。《道德经》有云：“人法地、地法天、天法道、道法自然”。
从古至今，人类都是从大自然中寻找筑巢灵感，因为自然界的生物经过千百万年的进化，与周围的环境相适应，结构“向优而生”，往往能以最少的材料达到最优的结构效果。建筑本身应集实用性、优美性于一体，建筑的外观依赖于建筑的结构，而外观仅仅是建筑结构的外在表现形式，结构合理的建筑本身就极具优美性。自然界中的生物为适应环境的变化，自身的结构演变以与自然相适应，结构简洁实用，本身就极具很大的参考价值。高层建筑水平荷载起控制作用，竹子作为自然界中又长又细的结构，它的直径与高度的平均细长比达 1∶200，其内部、本身竹材纤维及截面构造赋予竹子良好的抗风、抗倾覆性能，对高层建筑的结构设计有着较强的指导意义。
2 高层建筑发展所存在的问题
随着城市化进程地不断加深，高层建筑的发展得以重视，但也因此突显出高层建筑所存在的问题。对高层建筑整体结构进行观察与分析，高层建筑最明显特征就是高度，不断增长的建筑高度，势必会对建筑带来较大水平力、竖向力[1]。随着建筑高度的增加，水平荷载所起到的控制作用越来越明显，结构的侧向位移呈指数曲线上升(Δ=f(H4))，因此，侧向位移是结构设计的控制因素。
对于超限高层来说，受力是复杂的，尤其是高层结构对地震响应这一块因缺乏具体的资料而没有更深入的研究。在《高层建筑混凝土结构技术规程》规定的建筑最大适应高度随建筑结构形式的不同而变化。在非抗震的条件下，筒中筒结构的最大适应高度为200 m[2]。而我们对高层建筑的高度并不止步于此，目前为止世界上最高的建筑哈利法塔高度为828 m，对于这种超限高层来说，是没有具体规范来规定的，想要突破建筑的高度，就不能墨守成规，而应寻求新的结构形式。而且大体量建筑往往是一个地区的标志性建筑，在兼顾结构合理的同时，造型上的优美和谐也是需要考虑的积极因素之一。
3 竹子结构的合理性
3.1 断面的合理受力
同时在微观层面，截面上从内到外，依次为竹青、竹肉、竹黄，其材料密度是逐步变高的，呈梯度变化，越靠近外围的细胞密度越高。竹材切面如图2所示[4]。其中空、壁薄、离散分布的竹节等外观形态，维管束的梯度分布和细胞壁多层结构造就了竹材强度高、韧性好的优良力学特性，被认为是自然界中效能最高的结构和材料[5]。
3.2 竹节、横隔、叶鞘的作用及功能
3.2.1 竹节的宏观分布
从整体上来看，沿竹子高度方向竹节的非均匀分布是竹子的一个重要特征。竹子节间距呈现底部小、中间大和上部小的特征[6]。底部竹节的加密可以增强底部的刚度，增强整个结构的整体稳定性。因为竹子的截面直径由底部到顶部是逐渐减小的，顶部结构变细很容易出现结构的“鞭梢效应”，从而对结构产生不利的影响。因此顶部竹节加密在一方面能够增加上部结构的刚度，从而减少顶部鞭梢效应对结构的不利影响。
竹子结构从底部来看比较稳健，而其上部结构侧向位移较大，这在工程上是不允许的。而观察竹子结构底部的竹节排列情况(见图3)，是近乎符合斐波那契数列的排列情况的。斐波那契数列(Fibonacci sequence)，又称黄金分割数列(见图4)，此数列从第3项开始，每一项都等于前两项之和，为1,1,2,3,5,8……
3.2.2 竹节的微观结构
竹节对竹筒抗横弯、剪切和顺纹压的能力分别提高了23%，19%与7%；而对竹节进行刨平处理的试件其增强作用不明显或略高[7]。维管束在节区通过分叉形成一个复杂的网络体系,特别是在节隔上沿,分叉的次级小维管束在水平方向反复缠绕,从竹秆的一侧到达另一侧，如图5所示[8]。在节隔上沿维管束缠绕的更加密集(如图5 C处所示)，也类似于结构中梁的加腋。从力学的功能上来说，竹节的存在首先能抵抗剪切和水平力的作用，主要是风荷载和地震作用，这在高层建筑中是至关重要的。在高层建筑中，剪力滞后效应也越发突出，若是忽略剪力滞后的影响，可能导致设计的不合理或结构的破坏。给建筑结构加一个类似于竹节的环箍结构，能有效改善结构的剪力滞后效应。
3.2.3 竹子横隔
竹子横隔的存在能增强结构的稳定性，防止失稳破坏，且横隔有一定的预应力，能够协调整个结构的变形。当竹子受风荷载左右而承担倾覆力矩时，竹子一侧受拉，另一侧受压，产生一个与倾覆力矩相反的力偶，从而增加了整体抗弯刚度，减小了水平位移[9]。实验表明，自然态的原竹试件稳定性能优良，很难局部失稳，整体失稳的半波长均大于2个～3个节间长度[10]。这是竹节和横隔共同作用的结果。横隔的存在既像是钢结构中防止构件局部失稳的加劲肋，又像是以减小结构侧向位移为主要目的的高层建筑加强层。除此之外，横隔的存在还有抗扭曲的作用，在竹竿发生扭曲时提供抵抗矩。
3.2.4 叶鞘
在竹节上还会生长出坚挺的叶梢。坚硬的叶鞘在一定程度上可以说是一个“铰式减震器”，它减弱弯曲，包住继续向上生长的延伸部分并同时使之巩固[11]。叶鞘的密度随着水平荷载的增大而增加,由此进一步抵抗水平荷载。利用这一构造,可以大大减小超高层建筑的基底面积，使材料得到充分的利用。
3.3 竹子的壁厚比和直径的变化
竹子的结构由底部到上部直径是逐渐减小的，呈纺锤形，这对减少风荷载效应是有着积极作用的。但同时，随着竹子直径的变化，壁厚也是随之变化的，两者的关系可以被数学表达。随着竹子高度的增加，壁厚比几乎没有变化，且接近于一个定值0.15，由此推测，竹子的优异力学性能应该与其壁厚比有关，即在壁厚比为0.15时，竹子茎秆结构能够消耗最少的材料，产生最佳的牢固性和稳定性来抵御大自然风载带来的弯矩[12]。
3.4 竹子纤维的作用及分布
经X射线微断层扫描的竹子三维微观结构，竹子的维管束呈现出轻微的螺旋型结构，样品中纤维束的密度从内到外沿径向逐渐增大，纤维束的外形尺寸逐渐减小[13]。自然界中许多生物体的结构都是呈螺旋式上升的，很典型的是鲨鱼的表皮。鲨鱼体内压力的大小随着它运动速度的变化而变化，差值很大，因此其表皮纤维进化为网状的双螺旋结构，以承受不断变化的体压和弯曲力[14]。螺旋结构反映了生物体生长过程中的密集型特征,这种结构可以使生物体抵抗外力的能力显著提高。这与在钢筋混凝土结构中采用螺旋箍筋有异曲同工之妙，能起到提高承载力和变形能力的作用。对于大体型建筑来说，空间螺旋结构有着良好的受力性能，因此在高层建筑中有着广泛的应用。
茎秆不同部位细胞的生长速度也有所不同。髓细胞与外部细胞要生长得快,由此而产生的内部压力就在外部范围造成延性和弹性,这一点与预应力混凝土的原理何其相似[15]，生长较快的细胞像是预应力钢筋，利用其回缩力，使结构的受拉区预先受到压力，这种预加压力先存储起来，当结构受拉时，会先去抵消这部分预加压力，能够提高整个结构的刚度。
4 竹子对高层建筑的启示
加强层也被称为水平刚性层，它是在高层建筑的竖向上选取几个位置设置刚度较大的水平层，以此来减少结构的侧向位移。加强层的存在能协调结构的内力重分布，使自身的承载力得到充分的利用。加强层的功能与竹节和横隔的作用是一致的，在竹节处，不仅仅是横隔增加了局部的刚度，竹节处纤维反复缠绕以及凸出，本身也是增加刚度的一种形式。在高层建筑中，加强层的形式是多种多样的。水平加强层主要的构件形式有两种，一种是梁式加强层，另一种是桁架式加强层。梁式刚臂可以是实腹梁，还可以是开孔梁。桁架式刚臂的桁架可以是斜腹杆桁架，同样还可以是空腹式桁架[16]。加强层的设置多利用建筑的设备层、避难层空间，从而同时满足建筑功能的要求。在国内外的众多建筑中，加强层通常刚度都比较大，是刚性加强层。但加强层的存在在竖向结构上会产生刚度突变，因此刚性加强层多用于非地震区。而参考竹子的结构来说，在竖向上竹节的分布是众多的，而且是“有限刚度”。在地震作用下,沿整个结构高度加强层的设置部位不需强调最有效之部位,如建筑上允许,沿高度可多设几道(2道～3道)加强层,而每道加强层的刚度尽量小,这是比较有利的[17]。
同时，设置多道加强层能够有效改善结构的剪力滞后效应。随着水平加强层数量的增加,剪力滞后效应显著减小。加强层能够改善筒中筒结构外框筒翼缘框架的剪力滞后现象,增强结构的空间整体性,使得构件承载力得到充分发挥[18]。而在水平伸臂的情况下再在外筒四周加上一圈圈梁,可以提高外框筒的竖向抗剪刚度,进一步削弱底层的剪力滞后效应[19]。而这一圈圈梁的作用效果与竹节是一致的。
再者就是加强层的竖向分布问题，设置多道加强层时，一般是按建筑物竖向均匀分布的。而按照竹子的结构来说，在底部和顶部的竹节相对密集。增加底部的刚度可以使结构更加稳定；而对于结构顶部来说，随着结构高度的竖向变化，结构的刚度也在减小，顶部的刚度最小。当出现地震作用时，结构顶部刚度较小会产生类似于“鞭梢效应”的影响而对结构抗震不利。因此增加上部结构的刚度也是非常有必要的。
随着建筑物的增高，使其受风面不断减小是抵抗风载的合理举措。竹子结构由下而上直径逐渐减小，但是壁厚比却是一个定值不变。因此高层建筑也可以参考结构壁厚比是定值这一特点，最大限度发挥材料的作用，使高层建筑结构优美，受力合理。
5 工程实例分析
5.1 迪拜哈利法塔
竹子结构的优良力学性能最主要是来自于竹节，对于长细比较大的超高层建筑来说参考意义极大，而筒体结构本身就是参考竹子中空的整体结构形式而来的。哈利法塔是一座总高828 m的摩天大楼,共有162层，是全球最高的自力支撑架构。钢筋混凝土核心筒加外围钢结构是超高层建筑的基本形式，而哈利法塔的结构形式出现了巨大的突破。该塔的前156层使用钢筋混凝土结构，上层使用结构钢材料直至顶峰[20]。因为属于超高层建筑，风荷载起到的控制作用明显，因此随着塔身增高，结构的受风面逐渐减小，从而降低风荷载产生的不利影响。在竖向结构上，一共设置了5个结构加强层，使得端部柱的轴力形成力矩抵抗侧向力的倾覆力矩，最主要的目的还是减小结构的侧向位移。
5.2 中国国际贸易中心
中国国际贸易中心的结构体系是比较完整意义上的仿竹结构。结构采用外部巨型支撑+内部带伸臂桁架的框架核心筒双重结构体系，它主要从竹子结构的三个优良方面进行结构的仿生设计，即整体形态、竹节间距和壁厚变化。从整体形态上来说，结构自底向上，截面是在不断减小的，以减小风荷载产生的不利影响；与传统意义上的高层建筑结构不同，中国国际贸易中心的整个结构在竖向上被分成了八段，数量较多，而且在底部和顶部的节间分布较密，中间较疏，这与竹节的整体分布是相一致的，使整个结构的受力更加合理。而且这些设计并非只是“形似”，SOM在设计时针对竹子的优良力学性能做出了完整的数学表达分析，无论是对外形还是壁厚都推算出完整的数学表达形式。这样的高层结构避免了“千篇一律”，使整个建筑结构受力合理，造型简洁美观。
6 结论及展望
随着城市化进程的不断加快加深，高层建筑蓬勃发展，而只追求高度，使高层建筑千篇一律，实在是过于寡淡，而且高层建筑往往是一个城市的地标性建筑，能带动周围一系列产业的发展。仿生学是多学科交叉融合的产物，自然界中的生物结构经过优胜劣汰，结构随环境进化以相适应。从自然界中获取建筑外观与结构的双重灵感并加以应用，能够在兼顾受力合理的同时，造型也简洁优美。相信随着仿生学研究的不断深入，人类能够更多的从生物体上寻找到更多灵感，反馈到建筑结构上，创造另一建筑奇迹。
