竹子對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的啟示

高福聚，趙 晶

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)

1 概述

建筑歷經(jīng)六七千年的發(fā)展，最初僅僅是作為一個(gè)遮風(fēng)擋雨的“避風(fēng)港”，而隨著建筑材料、結(jié)構(gòu)、施工技術(shù)地不斷發(fā)展，如今建筑成為了一種社會(huì)觀念的具體表現(xiàn)形式。《道德經(jīng)》有云：“人法地、地法天、天法道、道法自然”。

從古至今，人類都是從大自然中尋找筑巢靈感，因?yàn)樽匀唤绲纳锝?jīng)過(guò)千百萬(wàn)年的進(jìn)化，與周圍的環(huán)境相適應(yīng)，結(jié)構(gòu)“向優(yōu)而生”，往往能以最少的材料達(dá)到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)效果。建筑本身應(yīng)集實(shí)用性、優(yōu)美性于一體，建筑的外觀依賴于建筑的結(jié)構(gòu)，而外觀僅僅是建筑結(jié)構(gòu)的外在表現(xiàn)形式，結(jié)構(gòu)合理的建筑本身就極具優(yōu)美性。自然界中的生物為適應(yīng)環(huán)境的變化，自身的結(jié)構(gòu)演變以與自然相適應(yīng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔實(shí)用，本身就極具很大的參考價(jià)值。高層建筑水平荷載起控制作用，竹子作為自然界中又長(zhǎng)又細(xì)的結(jié)構(gòu)，它的直徑與高度的平均細(xì)長(zhǎng)比達(dá) 1∶200，其內(nèi)部、本身竹材纖維及截面構(gòu)造賦予竹子良好的抗風(fēng)、抗傾覆性能，對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

2 高層建筑發(fā)展所存在的問(wèn)題

隨著城市化進(jìn)程地不斷加深，高層建筑的發(fā)展得以重視，但也因此突顯出高層建筑所存在的問(wèn)題。對(duì)高層建筑整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察與分析，高層建筑最明顯特征就是高度，不斷增長(zhǎng)的建筑高度，勢(shì)必會(huì)對(duì)建筑帶來(lái)較大水平力、豎向力[1]。隨著建筑高度的增加，水平荷載所起到的控制作用越來(lái)越明顯，結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移呈指數(shù)曲線上升(Δ=f(H4))，因此，側(cè)向位移是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素。

對(duì)于超限高層來(lái)說(shuō)，受力是復(fù)雜的，尤其是高層結(jié)構(gòu)對(duì)地震響應(yīng)這一塊因缺乏具體的資料而沒(méi)有更深入的研究。在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的建筑最大適應(yīng)高度隨建筑結(jié)構(gòu)形式的不同而變化。在非抗震的條件下，筒中筒結(jié)構(gòu)的最大適應(yīng)高度為200 m[2]。而我們對(duì)高層建筑的高度并不止步于此，目前為止世界上最高的建筑哈利法塔高度為828 m，對(duì)于這種超限高層來(lái)說(shuō)，是沒(méi)有具體規(guī)范來(lái)規(guī)定的，想要突破建筑的高度，就不能墨守成規(guī)，而應(yīng)尋求新的結(jié)構(gòu)形式。而且大體量建筑往往是一個(gè)地區(qū)的標(biāo)志性建筑，在兼顧結(jié)構(gòu)合理的同時(shí)，造型上的優(yōu)美和諧也是需要考慮的積極因素之一。

3 竹子結(jié)構(gòu)的合理性

3.1 斷面的合理受力

同時(shí)在微觀層面，截面上從內(nèi)到外，依次為竹青、竹肉、竹黃，其材料密度是逐步變高的，呈梯度變化，越靠近外圍的細(xì)胞密度越高。竹材切面如圖2所示[4]。其中空、壁薄、離散分布的竹節(jié)等外觀形態(tài)，維管束的梯度分布和細(xì)胞壁多層結(jié)構(gòu)造就了竹材強(qiáng)度高、韌性好的優(yōu)良力學(xué)特性，被認(rèn)為是自然界中效能最高的結(jié)構(gòu)和材料[5]。

3.2 竹節(jié)、橫隔、葉鞘的作用及功能

3.2.1 竹節(jié)的宏觀分布

從整體上來(lái)看，沿竹子高度方向竹節(jié)的非均勻分布是竹子的一個(gè)重要特征。竹子節(jié)間距呈現(xiàn)底部小、中間大和上部小的特征[6]。底部竹節(jié)的加密可以增強(qiáng)底部的剛度，增強(qiáng)整個(gè)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。因?yàn)橹褡拥慕孛嬷睆接傻撞康巾敳渴侵饾u減小的，頂部結(jié)構(gòu)變細(xì)很容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的“鞭梢效應(yīng)”，從而對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。因此頂部竹節(jié)加密在一方面能夠增加上部結(jié)構(gòu)的剛度，從而減少頂部鞭梢效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響。

竹子結(jié)構(gòu)從底部來(lái)看比較穩(wěn)健，而其上部結(jié)構(gòu)側(cè)向位移較大，這在工程上是不允許的。而觀察竹子結(jié)構(gòu)底部的竹節(jié)排列情況(見(jiàn)圖3)，是近乎符合斐波那契數(shù)列的排列情況的。斐波那契數(shù)列(Fibonacci sequence)，又稱黃金分割數(shù)列(見(jiàn)圖4)，此數(shù)列從第3項(xiàng)開(kāi)始，每一項(xiàng)都等于前兩項(xiàng)之和，為1,1,2,3,5,8……

3.2.2 竹節(jié)的微觀結(jié)構(gòu)

竹節(jié)對(duì)竹筒抗橫彎、剪切和順紋壓的能力分別提高了23%，19%與7%；而對(duì)竹節(jié)進(jìn)行刨平處理的試件其增強(qiáng)作用不明顯或略高[7]。維管束在節(jié)區(qū)通過(guò)分叉形成一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)體系,特別是在節(jié)隔上沿,分叉的次級(jí)小維管束在水平方向反復(fù)纏繞,從竹稈的一側(cè)到達(dá)另一側(cè)，如圖5所示[8]。在節(jié)隔上沿維管束纏繞的更加密集(如圖5 C處所示)，也類似于結(jié)構(gòu)中梁的加腋。從力學(xué)的功能上來(lái)說(shuō)，竹節(jié)的存在首先能抵抗剪切和水平力的作用，主要是風(fēng)荷載和地震作用，這在高層建筑中是至關(guān)重要的。在高層建筑中，剪力滯后效應(yīng)也越發(fā)突出，若是忽略剪力滯后的影響，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)的不合理或結(jié)構(gòu)的破壞。給建筑結(jié)構(gòu)加一個(gè)類似于竹節(jié)的環(huán)箍結(jié)構(gòu)，能有效改善結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)。

3.2.3 竹子橫隔

竹子橫隔的存在能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，防止失穩(wěn)破壞，且橫隔有一定的預(yù)應(yīng)力，能夠協(xié)調(diào)整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形。當(dāng)竹子受風(fēng)荷載左右而承擔(dān)傾覆力矩時(shí)，竹子一側(cè)受拉，另一側(cè)受壓，產(chǎn)生一個(gè)與傾覆力矩相反的力偶，從而增加了整體抗彎剛度，減小了水平位移[9]。實(shí)驗(yàn)表明，自然態(tài)的原竹試件穩(wěn)定性能優(yōu)良，很難局部失穩(wěn)，整體失穩(wěn)的半波長(zhǎng)均大于2個(gè)～3個(gè)節(jié)間長(zhǎng)度[10]。這是竹節(jié)和橫隔共同作用的結(jié)果。橫隔的存在既像是鋼結(jié)構(gòu)中防止構(gòu)件局部失穩(wěn)的加勁肋，又像是以減小結(jié)構(gòu)側(cè)向位移為主要目的的高層建筑加強(qiáng)層。除此之外，橫隔的存在還有抗扭曲的作用，在竹竿發(fā)生扭曲時(shí)提供抵抗矩。

3.2.4 葉鞘

在竹節(jié)上還會(huì)生長(zhǎng)出堅(jiān)挺的葉梢。堅(jiān)硬的葉鞘在一定程度上可以說(shuō)是一個(gè)“鉸式減震器”，它減弱彎曲，包住繼續(xù)向上生長(zhǎng)的延伸部分并同時(shí)使之鞏固[11]。葉鞘的密度隨著水平荷載的增大而增加,由此進(jìn)一步抵抗水平荷載。利用這一構(gòu)造,可以大大減小超高層建筑的基底面積，使材料得到充分的利用。

3.3 竹子的壁厚比和直徑的變化

竹子的結(jié)構(gòu)由底部到上部直徑是逐漸減小的，呈紡錘形，這對(duì)減少風(fēng)荷載效應(yīng)是有著積極作用的。但同時(shí)，隨著竹子直徑的變化，壁厚也是隨之變化的，兩者的關(guān)系可以被數(shù)學(xué)表達(dá)。隨著竹子高度的增加，壁厚比幾乎沒(méi)有變化，且接近于一個(gè)定值0.15，由此推測(cè)，竹子的優(yōu)異力學(xué)性能應(yīng)該與其壁厚比有關(guān)，即在壁厚比為0.15時(shí)，竹子莖稈結(jié)構(gòu)能夠消耗最少的材料，產(chǎn)生最佳的牢固性和穩(wěn)定性來(lái)抵御大自然風(fēng)載帶來(lái)的彎矩[12]。

3.4 竹子纖維的作用及分布

經(jīng)X射線微斷層掃描的竹子三維微觀結(jié)構(gòu)，竹子的維管束呈現(xiàn)出輕微的螺旋型結(jié)構(gòu)，樣品中纖維束的密度從內(nèi)到外沿徑向逐漸增大，纖維束的外形尺寸逐漸減小[13]。自然界中許多生物體的結(jié)構(gòu)都是呈螺旋式上升的，很典型的是鯊魚的表皮。鯊魚體內(nèi)壓力的大小隨著它運(yùn)動(dòng)速度的變化而變化，差值很大，因此其表皮纖維進(jìn)化為網(wǎng)狀的雙螺旋結(jié)構(gòu)，以承受不斷變化的體壓和彎曲力[14]。螺旋結(jié)構(gòu)反映了生物體生長(zhǎng)過(guò)程中的密集型特征,這種結(jié)構(gòu)可以使生物體抵抗外力的能力顯著提高。這與在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中采用螺旋箍筋有異曲同工之妙，能起到提高承載力和變形能力的作用。對(duì)于大體型建筑來(lái)說(shuō)，空間螺旋結(jié)構(gòu)有著良好的受力性能，因此在高層建筑中有著廣泛的應(yīng)用。

莖稈不同部位細(xì)胞的生長(zhǎng)速度也有所不同。髓細(xì)胞與外部細(xì)胞要生長(zhǎng)得快,由此而產(chǎn)生的內(nèi)部壓力就在外部范圍造成延性和彈性,這一點(diǎn)與預(yù)應(yīng)力混凝土的原理何其相似[15]，生長(zhǎng)較快的細(xì)胞像是預(yù)應(yīng)力鋼筋，利用其回縮力，使結(jié)構(gòu)的受拉區(qū)預(yù)先受到壓力，這種預(yù)加壓力先存儲(chǔ)起來(lái)，當(dāng)結(jié)構(gòu)受拉時(shí)，會(huì)先去抵消這部分預(yù)加壓力，能夠提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度。

4 竹子對(duì)高層建筑的啟示

加強(qiáng)層也被稱為水平剛性層，它是在高層建筑的豎向上選取幾個(gè)位置設(shè)置剛度較大的水平層，以此來(lái)減少結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移。加強(qiáng)層的存在能協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，使自身的承載力得到充分的利用。加強(qiáng)層的功能與竹節(jié)和橫隔的作用是一致的，在竹節(jié)處，不僅僅是橫隔增加了局部的剛度，竹節(jié)處纖維反復(fù)纏繞以及凸出，本身也是增加剛度的一種形式。在高層建筑中，加強(qiáng)層的形式是多種多樣的。水平加強(qiáng)層主要的構(gòu)件形式有兩種，一種是梁式加強(qiáng)層，另一種是桁架式加強(qiáng)層。梁式剛臂可以是實(shí)腹梁，還可以是開(kāi)孔梁。桁架式剛臂的桁架可以是斜腹桿桁架，同樣還可以是空腹式桁架[16]。加強(qiáng)層的設(shè)置多利用建筑的設(shè)備層、避難層空間，從而同時(shí)滿足建筑功能的要求。在國(guó)內(nèi)外的眾多建筑中，加強(qiáng)層通常剛度都比較大，是剛性加強(qiáng)層。但加強(qiáng)層的存在在豎向結(jié)構(gòu)上會(huì)產(chǎn)生剛度突變，因此剛性加強(qiáng)層多用于非地震區(qū)。而參考竹子的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，在豎向上竹節(jié)的分布是眾多的，而且是“有限剛度”。在地震作用下,沿整個(gè)結(jié)構(gòu)高度加強(qiáng)層的設(shè)置部位不需強(qiáng)調(diào)最有效之部位,如建筑上允許,沿高度可多設(shè)幾道(2道～3道)加強(qiáng)層,而每道加強(qiáng)層的剛度盡量小,這是比較有利的[17]。

同時(shí)，設(shè)置多道加強(qiáng)層能夠有效改善結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)。隨著水平加強(qiáng)層數(shù)量的增加,剪力滯后效應(yīng)顯著減小。加強(qiáng)層能夠改善筒中筒結(jié)構(gòu)外框筒翼緣框架的剪力滯后現(xiàn)象,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的空間整體性,使得構(gòu)件承載力得到充分發(fā)揮[18]。而在水平伸臂的情況下再在外筒四周加上一圈圈梁,可以提高外框筒的豎向抗剪剛度,進(jìn)一步削弱底層的剪力滯后效應(yīng)[19]。而這一圈圈梁的作用效果與竹節(jié)是一致的。

再者就是加強(qiáng)層的豎向分布問(wèn)題，設(shè)置多道加強(qiáng)層時(shí)，一般是按建筑物豎向均勻分布的。而按照竹子的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，在底部和頂部的竹節(jié)相對(duì)密集。增加底部的剛度可以使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定；而對(duì)于結(jié)構(gòu)頂部來(lái)說(shuō)，隨著結(jié)構(gòu)高度的豎向變化，結(jié)構(gòu)的剛度也在減小，頂部的剛度最小。當(dāng)出現(xiàn)地震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)頂部剛度較小會(huì)產(chǎn)生類似于“鞭梢效應(yīng)”的影響而對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利。因此增加上部結(jié)構(gòu)的剛度也是非常有必要的。

隨著建筑物的增高，使其受風(fēng)面不斷減小是抵抗風(fēng)載的合理舉措。竹子結(jié)構(gòu)由下而上直徑逐漸減小，但是壁厚比卻是一個(gè)定值不變。因此高層建筑也可以參考結(jié)構(gòu)壁厚比是定值這一特點(diǎn)，最大限度發(fā)揮材料的作用，使高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)美，受力合理。

5 工程實(shí)例分析

5.1 迪拜哈利法塔

竹子結(jié)構(gòu)的優(yōu)良力學(xué)性能最主要是來(lái)自于竹節(jié)，對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比較大的超高層建筑來(lái)說(shuō)參考意義極大，而筒體結(jié)構(gòu)本身就是參考竹子中空的整體結(jié)構(gòu)形式而來(lái)的。哈利法塔是一座總高828 m的摩天大樓,共有162層，是全球最高的自力支撐架構(gòu)。鋼筋混凝土核心筒加外圍鋼結(jié)構(gòu)是超高層建筑的基本形式，而哈利法塔的結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)了巨大的突破。該塔的前156層使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上層使用結(jié)構(gòu)鋼材料直至頂峰[20]。因?yàn)閷儆诔邔咏ㄖL(fēng)荷載起到的控制作用明顯，因此隨著塔身增高，結(jié)構(gòu)的受風(fēng)面逐漸減小，從而降低風(fēng)荷載產(chǎn)生的不利影響。在豎向結(jié)構(gòu)上，一共設(shè)置了5個(gè)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層，使得端部柱的軸力形成力矩抵抗側(cè)向力的傾覆力矩，最主要的目的還是減小結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移。

5.2 中國(guó)國(guó)際貿(mào)易中心

中國(guó)國(guó)際貿(mào)易中心的結(jié)構(gòu)體系是比較完整意義上的仿竹結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)采用外部巨型支撐+內(nèi)部帶伸臂桁架的框架核心筒雙重結(jié)構(gòu)體系，它主要從竹子結(jié)構(gòu)的三個(gè)優(yōu)良方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)，即整體形態(tài)、竹節(jié)間距和壁厚變化。從整體形態(tài)上來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)自底向上，截面是在不斷減小的，以減小風(fēng)荷載產(chǎn)生的不利影響；與傳統(tǒng)意義上的高層建筑結(jié)構(gòu)不同，中國(guó)國(guó)際貿(mào)易中心的整個(gè)結(jié)構(gòu)在豎向上被分成了八段，數(shù)量較多，而且在底部和頂部的節(jié)間分布較密，中間較疏，這與竹節(jié)的整體分布是相一致的，使整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力更加合理。而且這些設(shè)計(jì)并非只是“形似”，SOM在設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)竹子的優(yōu)良力學(xué)性能做出了完整的數(shù)學(xué)表達(dá)分析，無(wú)論是對(duì)外形還是壁厚都推算出完整的數(shù)學(xué)表達(dá)形式。這樣的高層結(jié)構(gòu)避免了“千篇一律”，使整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)受力合理，造型簡(jiǎn)潔美觀。

6 結(jié)論及展望

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快加深，高層建筑蓬勃發(fā)展，而只追求高度，使高層建筑千篇一律，實(shí)在是過(guò)于寡淡，而且高層建筑往往是一個(gè)城市的地標(biāo)性建筑，能帶動(dòng)周圍一系列產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。仿生學(xué)是多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物，自然界中的生物結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)勝劣汰，結(jié)構(gòu)隨環(huán)境進(jìn)化以相適應(yīng)。從自然界中獲取建筑外觀與結(jié)構(gòu)的雙重靈感并加以應(yīng)用，能夠在兼顧受力合理的同時(shí)，造型也簡(jiǎn)潔優(yōu)美。相信隨著仿生學(xué)研究的不斷深入，人類能夠更多的從生物體上尋找到更多靈感，反饋到建筑結(jié)構(gòu)上，創(chuàng)造另一建筑奇跡。