摘要： 本文主要介绍仿生大跨空间建筑的结构体系，并结合西班牙建筑师卡拉特拉瓦的建筑，对其材料选用和力学特征进行分析，阐述了骨架体系、蒙皮体系和组合体系的特点，结合实例，加深对仿生大跨的印象。
Abstract： This paper mainly introduces the structure system of bionic long-span spatial architecture， and combining with the Spanish architect Calatrava"s architecture， analyzes its material selection and mechanical characteristics， expounds the skeleton system， skin system， and the characteristics of the composite system. Combined with the instance， it deepens the impression of bionic large-span.
关键词： 仿生；复合材料；骨架体系；蒙皮体系
Key words： bionic；composite materials；skeleton system；skin system
中图分类号：TU3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）22-0132-02
1 概述
建筑仿生学凭借自身一些相对独立的特征，在建筑中得到应用。将建筑仿生学应用到现代的建筑中去，不仅是建筑物的外形与某些生物相似，更重要的是使得建筑物具备生物的某些功能和特征。建筑仿生学的研究对象是某些生物体的功能组织和形象构成规律，进而丰富和完善建筑的处理手法，形成建筑形体结构和城市布局体系。
西班牙建筑大师卡拉特拉瓦十分重视建筑的“骨骼”，其中结构形态与建筑形态实现了高度的统一。从整个结构静力平衡系统所表现出来的形态看，它们多数情况下采用了骨架体系的形式来构成整个建筑的几何形体，就犹如自然生物的骨骼一般；从其结构形态进一步到内部作用力的规律这一转化过程来看，对力的合理分解与重构使其骨架体系更具个性化的色彩。
2 结构仿生及材料
2.1 结构仿生概述 建筑仿生分为形态仿生、结构仿生、功能仿生、生态仿生四个方面。当然，对仿生也进行综合性的应用，将城市与建筑构成一个仿生整体。本文从结构仿生的角度对卡式建筑的仿生大跨空间结构体系进行分析。
根据自然界物象的力学特性、结构关系和材料性能等对结构仿生进行设计，并且将仿生效果融入建筑的结构设计中，健全建筑的功能，弥补传统结构的功能要求的缺陷。在自然界中，一些生物用最少的材料取得的强度和重量比最大；对平面面积和空间体积的覆盖所用材料最少；实现相同的结构强度使用的材料也最少；用简单的地方材料和适宜的方法构造出强度惊人、耐久性良好的结构等，上述的居所建造方面，自然的生物体比我们优秀许多。图2的建筑就是对图1中节肢动物的仿生设计。
2.2 选用材料 所谓复合材料是对两种以上材料通过一定的工艺进行加工制成的新型材料。复合材料可以根据实际需要，设计环境所需的材料，突出材料的主动性，对天然材料的不足进行弥补。
材料的特性在一定程度上影响着生态结构的性能。在自然界中，轻质量的结构负担高承载力，通过利用单纯的钢材设计的新型仿生结构难以实现。所以，在设计新型仿生结构的过程中，采用钢结构框架或复合材料框架做主框架，用复合材料制作壳体部。
通常情况下，增强体与基体共同组成复合材料。在结构体中通过增强体承担各种载荷，而基体的作用则是粘接增强体、传递应力和增韧。增强材料主要包括：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼等；不饱和聚醋树脂、环氧树脂、酚醛树脂等构成基体材料。复合材料的特性主要表现在：①比强度、比刚度较高，密度比较小。②疲劳性能优越。裂纹扩展在复合材料中的纤维与基体的界面能够得到有效的阻止。③减振性能好。复合材料的比刚度大，可避免早期共振。④高、低温性能好和膨胀系数小，料耐高温、抗腐蚀，具有较高的低温强度、低温韧性和较好的低温疲劳性能。⑤复合材料是多通道受载结构，这种结构能够承受一定的损伤，破损安全性能好。
3 卡拉特拉瓦建筑的结构形态
所谓结构形态是指结构内部传力体系的外在表现，直接决定建筑形态。卡拉特拉瓦建筑的结构形态主要表现为：
3.1 骨架体系（空间杆系结构） 从骨架体系的外在形态上看，其体系结构中的各个杆件是从自然界有机体的骨骼中所抽象出来，它们之间存在着组织关系，因此该体系具备仿生特征。在骨架结构中，梁、柱和拉压杆等组成元件在长度方面要大于其截面尺寸。在一定程度上空间骨架结构反映了物质构造的普遍原则，空间骨架结构的组成元件随着静力与动力荷载的变化不断做出调整。例如，在结构方面，动物的骨骼并不是在一种平面内进行简单连接，他们之间是相互融通性的有机体，动物骨骼的这种连接使得动物能够根据身体的姿势对来外力起到抵抗的作用。因此，进行仿生设计的过程中，不能将骨架体系设置成直角，也不能使用直线，如图3所示。
里斯本东方车站中的树状结构，就是卡氏作品中以骨架体系作为整个静力平衡系统的例子。卡氏在该项目中将车站设计成“森林”，其目的是为了重新唤起人们关于废弃港口的记忆。高架铁路轨道上的巨型顶盖物是这个设计的最明显的特征，如图4所示，该顶盖按4×15排列是由60个类似树状的结构单元组成，这些结构单元自身就是一个独立的结构体系：首先通过采用钢柱对结构进行支撑，在钢柱向上“生长”的过程中钢柱一分为四，各自以一道优美的弧线向顶部延伸，并且与顶部构件进行相连；其次通过在每根“树枝”上生长十对细枝，与正顶部的斜向构件彼此相连，如图5所示，每对细由大变小再变大。这种结构体系通过一系列的排列组合形成“城市森林”。
骨架体系结构在多伦多BCE宫中也得以采用。其主要大厅由九组相同的结构单元纵向排列，结构单元通过一对内倾的钢柱进行支撑，钢柱在向上“生长”时对每根支柱进行一分为二、二分为四处理，最终与顶部四组空间拱顶进行连接，如图6所示。
同样，纽约圣约翰教堂的改建工程也具有强烈“骨骼”效果，在工程改建中，采用相同的卡氏结构单元进行组合，通过基座对每个单元进行支撑，顶部的三角形屋顶通过上部发散出的倾斜的柱子进行支撑，另外借助两侧的辅助支撑系统对整个结构的额刚度和强度进行维持，如图7所示。
3.2 蒙皮体系（面系结构） 从外在的表现上看，间面系结构是较为完整的形态，给人的感觉就是表面的弯曲和材料的刚固。本文通过以壳体作为形态控制要素进行研究和分析。
由被切割的三维曲面体对瓦伦西亚天文馆的建筑形态进行控制，在壳体两端的底部通过四个倒“L”型的构件进行支撑，通过细小的杆件连接被切割出来的部分，借助稍粗的杆件连接活动部分与壳体。
Tenerife音乐厅与越瓦伦西亚天文馆相比，其结构和形态要复杂的多。从远处看，巨大的屋顶犹如一道翻滚的海浪，飞跃礼堂的上空。比较简单的几何形状和运算激发了设计灵感。例如，屋顶通过两个交叉的圆锥体构造而成，内部框架外形高50米，呈对称分布，15度的楔子从中心取出，这样屋顶由两个弧形的屋脊支撑着。
3.3 组合体系 通过综合两种体系的优点对结构体系进行完善，进而实现建筑形态与结构形态的统一。
典型的综合结构体系应用就是里昂机场铁路客运站，中央部分的大厅和两侧的站台是该项目的两个功能部分。四条钢拱控制中央大厅部分，斜向的杆件从四周加以围合；通过巨大的拱顶将两侧的站台部进行覆盖，下部斜向交织的梁柱形成丰富的建筑“骨架”。
4 总结
对于大跨空间建筑，通过仿生进行处理，以骨架体系为主、面系结构为辅，将骨架体系与面系进行结合进而形成抽象的结构形态，这种结构形态在卡拉特拉瓦的作品中得到了充分的展示。一方面，上述形态（特别是骨架体系）在一定程度上充分表达了自然生物的秩序；另一方面，这些形态在心理上能够使人们产生一种亲切感。
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