早在古希臘時期，希臘人建造的神廟的立柱，在高度的一半處有一個隆起——卷殺也是利用這種原理增大了立柱對風(fēng)荷的抵抗能力。事實上，竹子的這種結(jié)節(jié)在莖桿中也是普遍存在的。G•沙肯亞姆(G-Sarkn]am)曾對莖桿對于風(fēng)荷載的抗撓曲能力的周邊分布和撓曲力矩在結(jié)節(jié)范圍內(nèi)的減弱原則作了深入的分析，并作了如下比喻：一個自由立著的石柱在極高的水平荷載作用下可能分裂成4個不同高度的段落，每一段落的大小與該段落的力矩面的高度約各自相等。因此在自然界中的莖桿在一定的間距時就生長出帶葉鞘的結(jié)節(jié)，堅硬的葉鞘在一定程度上可以說是一個“鉸式減震器”。它可以減小彎矩、包住繼續(xù)向上生長的延伸部分，并使莖桿的彎矩圖變得均勻，受力更加合理。
　　仔細(xì)觀察，我們發(fā)現(xiàn)這種間距并不是隨意為之，而是符合科學(xué)規(guī)律的（如圖9[8]）。結(jié)節(jié)的位置恰好位于被等分的彎矩圖的各自面積的重心處。因為只有這樣才能使得力矩分配更加均勻。這種精確度著實令人驚訝，但這不是巧合，而是一種必然，是草莖適應(yīng)環(huán)境，不斷進化的結(jié)果。如果因為某種外在原因，打破了生物的這種規(guī)律，（如上文提到的由于雨水過多造成禾苗節(jié)間距過大）根據(jù)自然的法則，它終將被其它生物所淘汰。
　　
　　a） 具有阻尼結(jié)節(jié)葉鞘的草莖b）無葉鞘草莖在風(fēng)荷載下的彎矩圖
　　c）草莖結(jié)節(jié)位置的分布與彎矩圖等面積的各部分的重心位置吻合
　　d）有葉鞘草莖在風(fēng)荷載作用下的彎矩圖
　　圖9草莖的結(jié)節(jié)分布分析
　　受以上的啟發(fā)，在建筑工程中，我們在筒殼結(jié)構(gòu)中往往會添加膈板等加勁構(gòu)件，用以抵抗風(fēng)荷載引起的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象。這一啟示尤其成功地應(yīng)用到了高聳建筑中。例如以自然界草本植物莖桿的結(jié)節(jié)為原型，蘇聯(lián)建筑師A•L•L設(shè)計出一個構(gòu)架，用于多功能用途的超高塔式建筑。通過模仿禾科植物莖桿，他在這個構(gòu)架上按照一定間距安設(shè)阻滯振盈的結(jié)構(gòu)，減少了撓曲力矩。[5]還有世界最高建筑之一的日本東京千年塔也是對竹子中空結(jié)構(gòu)和竹節(jié)分布的一種借鑒。而美國芝加哥希爾斯大廈，更是以筒殼結(jié)構(gòu)為原型，將9個22.9×22.9米的方筒組合在一起，形成了110層442m高的摩天大樓（見圖10）。
　　希爾斯大廈在1974年落成時曾一度是世界上最高的大樓，超越當(dāng)時紐約的世貿(mào)中心。目前它仍然是世界最高的建筑之一。這么高的建筑是怎么建成的呢？大廈的結(jié)構(gòu)工程師F.卡恩，為解決像希爾斯這樣的高層建筑的抗風(fēng)結(jié)構(gòu)問題絞盡腦汁，最終他首次提出了束筒結(jié)構(gòu)體系的概念并將其付諸實踐。這種概念的創(chuàng)新之處在于，它不但提出了應(yīng)用筒殼結(jié)構(gòu)，而且還設(shè)想將筒殼集結(jié)成束，這無疑是令人信服的。因為正如前述，像竹子一樣的筒殼結(jié)構(gòu)整體性好且受力均勻，本身就具有“寧折不彎”特點。當(dāng)我們把九個這樣的筒殼集結(jié)成束時，它所能承受的風(fēng)荷載更是成倍的提高。
　　值得一提的是，由于各個筒殼的相互作用，這種提高并不是簡單的相加。我想這和我們平時用手去折一根筷子很容易，但是將九根筷子捆成束卻很難將它們折彎的道理是一樣的。該束筒結(jié)構(gòu)體系由九個高低不一的方形空心筒體集束在一起，而且不同方向的立面，形態(tài)各不相同，使得建筑高層富有動態(tài)變化的美感。從一個懸臂梁在風(fēng)荷載作用下的彎矩圖中，我們可以清楚的認(rèn)識到：撓度最大的點產(chǎn)生在懸臂梁的自由端，而彎矩最大處卻是梁的固定端。因此，建筑師運用了“錐形法則”，巧妙地將整個建筑分段呈錐形收縮：在51層以上切去兩個對角正方形，67層以上切去另外兩個對角正方形，91層以上又切去三個正方形，只剩下兩個正方形到頂。
　　事實上，這種錐形原理在自然界也隨處可見。細(xì)查各種向上生長的植物枝干，幾乎無不遵循著錐形原理。大廈的這種處理方法，不僅突破了頂部天際線的平頭規(guī)則，而且減少了風(fēng)力的影響。大廈頂部的設(shè)計允許位移僅為900mm，打個比方，一陣足以造成帝國大廈頂層搖擺10cm的颶風(fēng)，對于高出帝國大廈100多米的希爾斯大廈而言，僅會使其頂部搖動至多2-3cm，這種抗風(fēng)能力，正是得益于對筒殼結(jié)構(gòu)的合理運用。整幢大廈被當(dāng)做一個懸挑的束筒空間結(jié)構(gòu)，離地面越遠(yuǎn)剪力越小，大廈頂部由風(fēng)壓引起的震動也明顯減輕。
　　
　　圖10希爾斯大廈的實景照片與外觀模型
　　我想，筒殼結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用是具有劃時代意義的。它突破了高層建筑的許多技術(shù)，尤其是抗風(fēng)的難題。但是我們對自然界的學(xué)習(xí)是無止境的。建筑與植物的莖桿從微觀和亞微觀的角度上來說具有本質(zhì)的不同：前者大多是不同無機材料的組合體，而后者則是具有生命特征的有機體。
　　僅就彈性這一特性而言，植物的莖桿就顯得精明許多。仔細(xì)觀察植物的莖桿，我們發(fā)現(xiàn)它的彈性是各種不同的細(xì)胞成長所產(chǎn)生的結(jié)果。髓細(xì)胞與外部細(xì)胞要長得快，由此而產(chǎn)生的內(nèi)部壓力就是在外部范圍內(nèi)造成延性和彈性。此外，樹干還有大量的木質(zhì)細(xì)胞，這些細(xì)胞在樹干底部又可在樹干受撓曲時承受壓應(yīng)力，同時緩解應(yīng)力集中。上部靠頂端的細(xì)胞富有彈性。使樹干頂端在強風(fēng)作用下可發(fā)生較大的撓度，增大了樹干抗撓曲能力，能夠阻止或減弱風(fēng)對樹干的沖擊作用。因此就可以降低樹干斷裂的風(fēng)險。正是這種彈性的存在．植物根系才得以把較強大的風(fēng)荷載傳遞到土壤深處。因此，植物從外部表現(xiàn)出的彈性實際上是內(nèi)部結(jié)構(gòu)的反映，那么如何將這種彈性應(yīng)用到我們的建筑中呢？我想，雖然我們不能像有機體那樣將建筑分析的如此細(xì)致，但是我們?nèi)匀豢梢詮那o桿的彈性分布中獲得啟發(fā)。像如我們一直廣泛使用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)就是改善建筑彈性的一種方法，從這個角度看，不同位置使用不同的配筋量不僅是滿足了結(jié)構(gòu)抗彎的要求，更是調(diào)整結(jié)構(gòu)彈性的一種手段。
　　
　　3.小結(jié)
　　不得不承認(rèn)，大自然教給我們的東西實在是太多太多。它似乎總是能以最少的材料、最合理的結(jié)構(gòu)取得最佳的效果。從蛋殼的結(jié)構(gòu)我們學(xué)會了如何承受壓力，避免應(yīng)力集中，并把這種理念應(yīng)用到了我們的大空間建筑中；從竹子的中空構(gòu)造和莖桿節(jié)間間距的分配，我們學(xué)會了如何在高聳建筑中抗風(fēng)，避免結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。而這些，我相信僅僅是自然智慧的冰山一角。
　　因此，從生物的外部形態(tài)到細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)，從生物對環(huán)境的適應(yīng)到生物與環(huán)境的和諧共生，我們要不斷地向自然界這位老師學(xué)習(xí)和借鑒，從而讓我們的建筑更好的服務(wù)于人類，也更好地順應(yīng)自然，真正讓自然、人、建筑相互融合，相得益彰！

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