浙江大学顾士学位论文2007 第1章绪论 图1.12卡拉特拉瓦设计的世贸中心中 图1.13P.L奈尔维设计的罗马小体育宫 转站（在建）骨架体系状如飞鸟 其外围的柱子富有动物肢体力量美 13,2国内建筑结构仿生的发展现状卧1啊 国内建筑仿生研究大都从生态的角度来研究建筑仿生的方法与意义，如重庆大学杨震 的硕士论文《建筑创作中的生态构思》及熊伟的《仿生与建筑创作》等。 华中科技大学的仓力佳硕士论文《生态建筑的仿生研究》，系统提出自己的生态建筑仿 生设计理念和方法，并探讨了几种类型的生物原型及其相应的仿生做法、建筑手段和生态 效应等。 天津大学卢胸伟的硕士论文《中西方建筑仿生差异比较与发展研究》对中西方建筑仿 生的差异在哲学、科学方法和历史文化等诸多深层面上做了较为系统的研究，并以东方整 体论与西方还原论相结合的研究方法比较分析了中西方建筑学差异的理论根源。 以上论文都为建筑学专业的论文，而作为结构工程专业纯粹从结构的角度“形而下” 地探讨建筑仿生的论文在国内不多见。 重庆大学的谭仲毅在其论文《树状结构施工技术研究与应用》中系统地分析了仿生结 构中的树状结构的发展及应用现状，对树干树枝的节点构造及材料选用等进行了探讨。 天津大学高聚福在其博士论文《空间结构仿生工程学的研究》中，对空间结构仿生做 了较系统地阐述，文中例举了大量的实例，并提出了建筑仿生应避免“神秘论”和“万能 论”等。 浙江大学卓新在其两篇论文中《基于仿生学的空间钢结构形体设计》和《海洋贝类仿 生建筑结构的形体研究》提出了一系列的新型结构模型，为建筑结构创新拓宽了思路。 实践方面，国内仿生建筑的典型代表有：天鹅造型的天津博物馆、北戴河的碧螺塔、 福建省长乐市下沙海滨度假村的“海螺塔”和“海蚌厅”、常州中华恐龙园恐龙造型的主 体建筑以及2008年北京奥运会鸟巢主体育场馆和“水立方”游泳中心等，这些建筑多以 美学或象征意义上的造型仿生为主。 -8-
浙江大学硕士学位论文2007 第1章绪论 图1．12卡拉特拉瓦设计的世贸中心中 转站(在建)骨架体系状如飞鸟 1．3．2国内建筑结构仿生的发展现状【州161 图1．13 P．L奈尔维设计的罗马小体育宫 其外围的柱子富有动物肢体力量美 国内建筑仿生研究大都从生态的角度来研究建筑仿生的方法与意义，如重庆大学杨震 的硕士论文‘建筑创作中的生态构思》及熊伟的‘仿生与建筑创作》等。 华中科技大学的仓力佳硕士论文‘生态建筑的仿生研究》，系统提出自己的生态建筑仿 生设计理念和方法，并探讨了几种类型的生物原型及其相应的仿生做法、建筑手段和生态 效应等。 天津大学卢昀伟的硕士论文<中西方建筑仿生差异比较与发展研究》对中西方建筑仿 生的差异在哲学、科学方法和历史文化等诸多深层面上做了较为系统的研究，并以东方整 体论与西方还原论相结合的研究方法比较分析了中西方建筑学差异的理论根源。 以上论文都为建筑学专业的论文，而作为结构工程专业纯粹从结构的角度“形而下” 地探讨建筑仿生的论文在国内不多见。 重庆大学的谭仲毅在其论文<树状结构施工技术研究与应用》中系统地分析了仿生结 构中的树状结构的发展及应用现状，对树干树枝的节点构造及材料选用等进行了探讨． 天津大学高聚福在其博士论文‘空间结构仿生工程学的研究》中，对空间结构仿生做 了较系统地阐述，文中例举了大量的实例，并提出了建筑仿生应避免。神秘论”和“万能 论”等。 浙江大学卓新在其两篇论文中‘基于仿生学的空间钢结构形体设计》和<海洋贝类仿 生建筑结构的形体研究》提出了一系列的新型结构模型，为建筑结构创新拓宽了思路。 实践方面，国内仿生建筑的典型代表有：天鹅造型的天津博物馆、北戴河的碧螺塔、 福建省长乐市下沙海滨度假村的“海螺塔”和“海蚌厅”、常州中华恐龙园恐龙造型的主 体建筑以及2008年北京奥运会鸟巢主体育场馆和。水立方”游泳中心等，这些建筑多以 美学或象征意义上的造型仿生为主。 一8一
浙江大学硕士学位论文2007 第1章绪论 1.4建筑结构仿生设计的方法 1.4.1建筑结构仿生分类 一般来说建筑仿生主要有形态仿生、结构（力学）仿生、功能仿生、材料仿生等。下 面重点介绍形态仿生与结构仿生， (一)形态仿生 结构的形态仿生主要从仿生学角度去研究结构的空间形体。形态万千的自然界蕴藏着无 数优美的可供模仿的建筑造型，各类动物、花卉、贝壳、乃至细胞中的DNA螺旋结构，都 可以作为建筑结构形体设计所模仿的对象明。 成功的建筑形态仿生不仅使建筑结构产生惊人的视觉效果，而且往往使建筑结构达到 用量省、强度高、稳定性好。图1.6中的艺加哥玉米楼，图1.7中的密尔沃基艺术博物馆， 图1.8中的碧螺塔，图1.9中的贝壳状休闲场所，图111中形如麦穗的德国法兰克福好利 霍德办公楼等建筑都是建筑形态仿生的典范。 (二)结构仿生 结构仿生主要是研究生物体和自然界物质存在的内部结构原理，然后应用到建筑设计中 去。生物的结构形式可以分为如下几类： A、壳体结构。自然界中的壳体结构有蛋壳、贝壳、螺壳、蜗牛壳、乌龟壳、蟹壳、鱼 子、豆英、种子、果核以及人的头盖骨等，它们住往以最合理、最经济、最有效、最优美 的形式存在于自然界。 B、纤维结构。自然界中树藤、蜘蛛网等为典型的纤维结构。索网结构、悬索结构就是 人们模仿蜘蛛网结构而设计的，帐篷结构也属于该范围之类。 C、骨架体系结构。动植物的骨架，往往有着十分优异的结构形式，典型的如树状结构 体系。图1.5、1.10,1.12都是模仿动植物的骨架来设计结构的。台湾的101大楼就是模仿竹 子的结构而设计的。 D、翼展结构。鸟类、昆虫的翅膀功能卓越，而且往往十分轻巧。人们模仿鸟类、昆虫 的翼来设计飞行器和建筑中的伸博结构等。 E、薄膜结构。生物界存在着多种多样的气泡结构。如植物细胞的泡状结构由于一定的 渗透压而保持膨胀状态，这种渗透压还可以改变，对细胞的内环境起着调节作用。模仿生物 的气泡结构，人类已经设计出了充气厂房、充气帐篷、充气水坝、充气桥等多种建筑形式出 现。这种结构形式因为耗材少、重量轻、施工快、搬运方便，节省人力物力，得到了广泛应 -9-
浙江大学硕士学位论文2007 第1章绪论 1．4建筑结构仿生设计的方法 1．4．1建筑结构仿生分类 一般来说建筑仿生主要有形态仿生、结构(力学)仿生、功能仿生、材料仿生等。下 面重点介绍形态仿生与结构仿生。 (—)形态仿生 结构的形态仿生主要从仿生学角度去研究结构的空间形体。形态万千的自然界蕴藏着无 数优美的可供模仿的建筑造型，各类动物、花卉、贝壳、乃至细胞中的DNA螺旋结构，都 可以作为建筑结构形体设计所模仿的对射…。 成功的建筑形态仿生不仅使建筑结构产生惊人的视觉效果，而且往往使建筑结构达到 用量省、强度高、稳定性好。图1．6中的芝加哥玉米楼，图1．7中的密尔沃基艺术博物馆， 图1．8中的碧螺塔，图1．9中的贝壳状休闲场所，图1．11中形如麦穗的德国法兰克福好利 霍德办公楼等建筑都是建筑形态仿生的典范。 (二)结构仿生 结构仿生主要是研究生物体和自然界物质存在的内部结构原理，然后应用到建筑设计中 去．生物的结构形式可以分为如下几类： A、壳体结构。自然界中的壳体结构有蛋壳、贝壳、螺壳、蜗牛壳、乌龟壳、蟹壳、鱼 子、豆荚、种子、果核以及人的头盖骨等，它们往往以最合理、最经济、最有效、最优美 的形式存在于自然界。 B、纤维结构．自然界中树藤、蜘蛛网等为典型的纤维结构。索网结构、悬索结构就是 人们模仿蜘蛛网结构而设计的，帐篷结构也属于该范围之类。 C、骨架体系结构。动植物的骨架，往往有着十分优异的结构形式，典型的如树状结构 体系。图1．5、1．10，1．12都是模仿动植物的骨架来设计结构的。台湾的101大楼就是模仿竹 子的结构而设计的。 D、翼展结构。鸟类、昆虫的翅膀功能卓越，而且往往十分轻巧。人们模仿鸟类、昆虫 的翼来设计飞行器和建筑中的伸臂结构等。 E、薄膜结构．生物界存在着多种多样的气泡结构。如植物细胞的泡状结构由于一定的 渗透压而保持膨胀状态，这种渗透压还可以改变，对细胞的内环境起着调节作用。模仿生物 的气泡结构，人类已经设计出了充气厂房、充气帐篷、充气水坝、充气桥等多种建筑形式出 现。这种结构形式因为耗材少、重量轻、施工快、搬运方便，节省人力物力，得到了广泛应 一9一
浙江大学项士学位论文2007 第1章绪论 用。 建筑仿生除了以上提到的形态仿生、结构仿生外，还有功能仿生、材料仿生等。功能仿 生主要是研究生物体功能原理，并用这些原理去改进现有的或建造新的技术系统，材料仿生 主要是模仿生物界的材料结构和性能而设计出有类似功能的材料。 1.4.2建筑结构仿生两种基本思路 建筑结构仿生有两种基本思路（如图1.14)，一种是从研究生物出发，系统研究一种 或多种生物的结构，然后将有价值的结构形式应用到建筑结构上去，这是“技术推进型”。 另一种思路是，在建筑结构（构件）设计中碰到难题后，转向生物界寻找灵感和启发，在 对生物各类结构形式的甄别、分析和组合后加以模仿，从而设计出最优的建筑结构方案， 这为“需求推进型”。 研究某一 提出有价值 应用到建筑 建筑方案 (多种)生物 的结构形式 结构 返向生物界 结构形式 建筑结构 寻找对应的 甄别，分 建筑方案 (构件)设计 生物形式 析，组合 图1.14建筑结构仿生的两种基本思路 1.5蜻蜓翅膀结构仿生 1.5.1课题由来 本文依照建筑结构仿生的第一种思路，即从研究某一生物出发，分析该生物的结构特 点，提出有价值的结构形式，再应用到建筑结构中去。本文研究的生物为蜻蜓翅膀，该课 题得到国家自然科学基金青年基金项目(No.50408022)的资助。 1.5.2蜻蜓翅膀结构的研究现状 地球上现有的蜻蜓种类约有五千余种，分为两大类。一类叫蜻蜓，停息时翅翼向两侧 平展：另一类叫豆娘，栖止时双翅竖在背上。如图119： -10-
浙江大学硕士学位论文2007 第1章绪论 用． 建筑仿生除了以上提到的形态仿生、结构仿生外，还有功能仿生、材料仿生等。功能仿 生主要是研究生物体功能原理，并用这些原理去改进现有的或建造新的技术系统，材料仿生 主要是模仿生物界的材料结构和性能而设计出有类似功能的材料． IA．2建筑结构仿生两种基本思路 建筑结构仿生有两种基本思路(如图1．14)，一种是从研究生物出发。系统研究一种 或多种生物的结构，然后将有价值的结构形式应用到建筑结构上去，这是“技术推进型”。 另一种思路是，在建筑结构(构件)设计中碰到难题后，转向生物界寻找灵感和启发，在 对生物各类结构形式的甄别、分析和组合后加以模仿，从而设计出最优的建筑结构方案， 这为“需求推进型”． 固日圉西圉日曰 图1．14建筑结构仿生的两种基本思路 1．5蜻蜓翅膀结构仿生 1．5．1课题由来 本文依照建筑结构仿生的第一种思路，即从研究某一生物出发，分析该生物的结构特 点，提出有价值的结构形式，再应用到建筑结构中去。本文研究的生物为蜻蜒翅膀，该课 题得到国家自然科学基金青年基金项目(No．50408022)的资助。 1．5．2蜻蜒翅膀结构的研究现状 地球上现有的蜻蜒种类约有五千余种，分为两大类。一类叫蜻蜒，停息时翅翼向两侧 平展；另一类叫豆娘，栖止时双翅竖在背上。如图1．19： 一10一
渐江大学硕士学位论文2007 第1章绪论 图1.19蜻蜓与豆娘 蜻蜓翅膀结构十分精妙，它是由管状的翅脉和有少许抗弯刚度的翅膜组成的网状结 构，4片看上去十分轻薄且完全透明的膜质翅膀，被纵横交错的网状翅脉加固后，变得既 轻巧又结实。 蜻蜓翅膀经过3亿多年的长期进化，在结构、形态和功能等方面都得到了全面优化。 这种独特的结构在强度、稳定性、变形性能和振动特性等方面都具有无比的优越性，直接 导致了蜻蜓能够实现悬停、前飞、倒飞、侧飞、急转、急升及倒着降落等各种高难度、高 机动性的特技飞行。 当前研究人员对蜻蜓翅膀的研究主要集中在： (1)通过高速摄影技术和各种先进光学仪器等，捕捉蜻蜓飞行过程中翅膀的空间形态、 变化轨迹等。 (2)从微观角度系统研究蜻蜓翅膀的空间结构、材料组织、徽观结构形态（包括翅膜翅 脉等)， (3)对蜻蜓悬停、平飞和机动运动的非定常流动控制机理和能耗的研究。 (4)通过数值模拟对蜻蜓翅膀结构、飞行等进行有限元数值模拟和仿真等。 清华大学曾理江2阿教授团队，采用梳状条纹投影方法首次测到了蜻蜒自由飞行拍 翼运动中，翅翼沿翼弦方向弓形变形的时变过程以及各种相关角度、速度、加速度、身体 位置和姿态。 鲍麟2刃，胡劲松等基于蜻蜓翼（离体）的应力松弛实验和模型翼拍动时受载变形的有限 元数值分析，揭示了粘弹性本构关系是昆虫翼材料性能的合理描述，并研究了粘弹性参数 对翅膀被动变形的影响。 E.Song,K.W.Xiao2]等对蜻蜓翅膀的翅膜做了细致地实验观测。他们发现几微米厚的 翅膜竞有三层结构。膜的表层为一层类蜡状的物质。他们还发现翅膜、翅脉表层有无数随 机分布垂直着的纳米量级的小圆柱。另外他们还测量了翅膜的弹性模量。 -11-
浙江大学硕士学位论文2007 第1章绪论 图1．19蜻蜒与豆娘 蜻蜒翅膀结构十分精妙，它是由管状的翅脉和有少许抗弯刚度的翅膜组成的网状结 构，4片看上去十分轻薄且完全透明的膜质翅膀，被纵横交错的网状翅脉加固后，变得既 轻巧又结实． 蜻蜒翅膀经过3亿多年的长期进化，在结构、形态和功能等方面都得到了全面优化。 这种独特的结构在强度、稳定性、变形性能和振动特性等方面都具有无比的优越性，直接 导致了蜻蜒能够实现悬停、前飞、倒飞、侧飞、急转、急升及倒着降落等各种高难度、高 机动性的特技飞行。 当前研究人员对蜻蜒翅膀的研究主要集中在： (I)通过高速摄影技术和各种先进光学仪器等，捕捉蜻蜒飞行过程中翅膀的空间形态、 变化轨迹等。 (2)从微观角度系统研究蜻蜒翅膀的空间结构、材料组织、微观结构形态(包括翅膜翅 脉等)。 (3)对蜻蜒悬停、平飞和机动运动的非定常流动控制机理和能耗的研究。 (4)通过数值模拟对蜻蜒翅膀结构、飞行等进行有限元数值模拟和仿真等。 清华大学曾理江【19】’跚教授团队，采用梳状条纹投影方法首次测到了蜻蜒自由飞行拍 翼运动中，翅翼沿翼弦方向弓形变形的时变过程以及各种相关角度、速度、加速度、身体 位置和姿态。 鲍麟鲫，胡劲松等基于蜻蜒翼(离体)的应力松弛实验和模型翼拍动时受载变形的有限 元数值分析，揭示了粘弹性本构关系是昆虫翼材料性能的合理描述，并研究了粘弹性参数 对翅膀被动变形的影响。 E Song,ICW．Xi∞嗍等对蜻蜒翅膀的翅膜做了细致地实验观测。他们发现几微米厚的 翅膜竟有三层结构。膜的表层为一层类蜡状的物质．他们还发现翅膜、翅脉表层有无数随 机分布垂直着的纳米量级的小圆柱。另外他们还测量了翅膜的弹性模量。 一11一
新江大学项士学位论文2007 第1章绪论 Masaki Hamamoto2阿，Yoshiji Ohta等建立了简化的蜻蜓翅膀数值模型，考忠流固耦合模 拟了蜻蜓转弯时的飞行状态。 P.Kreuz)等利用超声波的成象技术，发现了蜻蜓翅膀上的类蜡状的物质呈现出有规 则的纤维网络形态。 Stanislav N,Gorb通过实验观察了豆娘的翅膀的微观结构（豆娘，蜻蜓都属于蜻蛉目 昆虫)。他发现豆娘纵横脉翅脉连接节点有两种情况一Mobile Vein Joints和Immobile Vein Joints.,可以理解为固接与铰接。 近年来，孙茂在昆虫拍翼运动的数值研究上取得的重要进展，他的研究指出，蜻蜓 悬停飞行时升力大部分是由前后翅的下拍运动产生，其中后翅的贡献占62%，前翅的贡献占 38%。 1.53本文的主要工作 本文通过实验观测以及相关文献所提供的模型数据，利用通用有限元软件ANSYS建立 了蜻蜓后翅的有限元数值模型，计算蜻蜓翅膀在载荷作用下的内力与变形，分析蜻蜓翅膀 的结构特征及优越性。为了达到变形的协调，采用三节点梁元baml89来模拟翅脉和八节 点等参曲壳单元shell93来模拟翅膜。 由于蜻蜓翅膀结构非常复杂，本文分层次建立了五个平面模型和二个三维模型。平面 模型分析了主从脉在翅膀结构中分别起的作用。三维模型考察了翅膀前缘起皱和翅弦方向 的起拱对翅膀结构刚度的影响。 基于蜻蜓翅膀的网格特征，重点分析网格形式对空间悬臂结构的影响。根据蜻蜓翅膀 的网格特征，本文构建七种不同网格的空间悬臂结构。网格结构分有壳起皱、无壳起皱、 有壳起拱、无壳起拱四类情况。计算发现，网格形式对结构刚度的影响较为显著。 在第四章中，根据蜻蜓翅膀结构分析所得启示，对空间悬臂结构进行了仿生设计研究。 本文设计了四类新型别致，轻巧活泼的大跨仿生空间悬臂结构。计算得出，四类仿生结构 均获得了良好的力学性能。文中在仿生结构中还模仿蜻蜓翅痣，在结构悬挑自由端通过两 种方式施加了重物块，一种是直接将重物块固结在悬挑结构上，一种是使用弹簧悬挂于结 构上。 -12-
浙江大学硕士学位论文2007 第l章绪论 Masaki胁姗otof29]，Yoshiji oIItd等建立了简化的蜻蜒翅膀数值模型，考虑流固耦合模 拟了蜻蜒转弯时的飞行状态． P．ICeu—删等利用超声波的成象技术，发现了蜻蜒翅膀上的类蜡状的物质呈现出有规 则的纤维网络形态。 StanislavN．Gorb[311通过实验观察了豆娘的翅膀的微观结构(豆娘，蜻蜒都属于蜻蛉日 昆虫)．他发现豆娘纵横脉翅脉连接节点有两种情况——Mobile VcilIJoints和Immobile Vein Joints．，可以理解为固接与铰接。 近年来，孙茂i321在昆虫拍翼运动的数值研究上取得的重要进展，他的研究指出，蜻蜒 悬停飞行时升力大部分是由前后翅的下拍运动产生，其中后翅的贡献占62％，前翅的贡献占 38％． 1．5．3本文的主要工作 本文通过实验观测以及相关文献所提供的模型数据，利用通用有限元软件ANSYS建立 了蜻蜓后翅的有限元数值模型，计算蜻蜒翅膀在载荷作用下的内力与变形，分析蜻蜒翅膀 的结构特征及优越性。为了达到变形的协调，采用三节点梁元beaml89来模拟翅脉和八节 点等参曲壳单元shell93来模拟翅膜。 由于蜻蜒翅膀结构非常复杂，本文分层次建立了五个平面模型和二个三维模型。平面 模型分析了主从脉在翅膀结构中分别起的作用。三维模型考察了翅膀前缘起皱和翅弦方向 的起拱对翅膀结构刚度的影响。 基于蜻蜒翅膀的网格特征，重点分析网格形式对空间悬臂结构的影响。根据蜻蜒翅膀 的网格特征，本文构建七种不同网格的空间悬臂结构。网格结构分有壳起皱、无壳起皱， 有壳起拱，无壳起拱四类情况。计算发现，网格形式对结构刚度的影响较为显著。 在第四章中，根据蜻蜒翅膀结构分析所得启示，对空间悬臂结构进行了仿生设计研究。 本文设计了四类新型别致，轻巧活泼的大跨仿生空间悬臂结构．计算得出，四类仿生结构 均获得了良好的力学性能。文中在仿生结构中还模仿蜻蜒翅痣，在结构悬挑自由端通过两 种方式施加了重物块，一种是直接将重物块固结在悬挑结构上，一种是使用弹簧悬挂于结 构上． 一12—