仿生建筑中薄壳结构的力学建模及分析

邓泽宇

摘 要：仿生是人类学习自然、探索自然的重要方法。在建筑学的研究和发展中，研究者借鉴了自然界中的蛋壳、龟壳等壳类结构来帮助人们实现建筑物的轻质高强的设计目标。本文分析了在均匀压力加载下，薄壳结构和板结构的内力以及变形信息，并通过具体的算例对比了这两种结构在工程应用中的优劣。本文研究发现在相同外载荷下，如果薄壳代替板，结构产生的最大内力和最大位移会大幅度降低。同时，本文进一步探索了薄壳结构力学承载优势产生的原因。

关键词：仿生建筑；薄壳结构；外界压强；板结构；受力分析

中图分类号：TU33 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）14-0083-02

1 概述

经过万亿年的进化，自然界的生物具有高度优化的结构、形态和功能，因此生物界有太多值得人类学习和借鉴的地方。作为人类最古老的学科之一的建筑学，仿生方法对其研究和发展产生了重要的影响，大量新式的建筑也因此应运而生：比如美国芝加哥的人称“玉米大厦”的“玛丽娜城”大厦，荷兰鹿特丹的“城市仙人掌”以及诸多仿草茎结构的超高层建筑等等[1]。轻质高强一直是人类建筑设计所追求的目标。生物界的蛋壳、贝壳、乌龟壳、海螺壳等各种薄壳类结构不仅具有弯曲优雅的外形，更轻质高强。从力学的角度，这些生物薄壳虽然用材极少，但非常耐压。这是由于当薄壳结构承受压力时，结构内的每一处材料都会较为均匀地承受外力，相当于将材料的利用效率最大化。……