建筑设计与城市规划中的蜂巢结构

建筑设计与城市规划中的蜂巢结构

朱晓玲

身份证号：330124198604093420

摘要：从古至今，人们就知道从自然界中汲取各种工程原理和技术思想的灵感源泉，各个种类的生物经过大自然长期的磨砺和挑选，可以适应环境的变化，在严酷的考验中生存下来。从建筑方面来讲，人类从古代的穴居、巢居，到现在的高层住宅、公共建筑，从乡村的出现到特大城市布局的发展都或多或少通过仿生学的不断参考借鉴发展形成的。而被称为“大自然的建筑师”的蜜蜂，便自然在这其中占据了一个重要的位置。

关键词：建筑设计；城市规划；蜂巢结构

前言

自有“美”的概念以来，人们便意识到大自然在美学层面也存在自然选择，不论是蝴蝶的背纹、叶的肌理，还是鲸骨的弧度，都被人们发掘并广泛应用于设计中。而蜂巢结构作为覆盖二维平面最优的拓扑结构，被建筑设计与城市规划青睐已久。近年来，随着建筑技术的高速发展，脱胎于蜂

巢结构“重复性”而生的模块化设计，在建筑设计领域形成了一种风潮。蜂巢的全等六边形组合的结构具有优越的面积材料比，组合形式，砌块组合造型。正六角形的建筑结构具有最高的密合度，最小的材料空间比，其致密的结构，各方受力大小均等，且容易将受力分散，所能承受的冲击也比其他结构大。蜂巢轻质墙体结构与自承重结构体系就是利用了蜂巢的这种稳定特性，这是一种“面板—纸蜂巢—中间面板—纸蜂巢—面板”结构，形成了目前市场很广的复合型板材。

1蜂巢结构

蜂巢结构是理性与感性共存的。蜂巢的基本结构是一个个正六角形。直观来看，这样的结构最显著的属性便是其六边形态与无限重复性。前者为它带来了许多为人称道的神奇特性，比如能用最少的材料去塑造最大的面积。人们沉醉于从物理、数学、化学等各个方面对它进行分析，试图用理性的公式证明其科学美。后者带来了视觉上最直接的感性美。从平面构成上来说，重复结构在视觉效果上，能够使形象安定、整齐、规律，营造出一种严谨、精致的秩序美感，具有加强人们对形象记忆的优点。因此蜂巢结构在迎来理科式研究的同时，也在为工业设计、服装设计、建筑设计等设计领域提供源源不断的灵感。

2蜂巢结构在建筑工程中的应用实例

2.1蜂巢型混凝土楼盖结构

随着经济的发展，体育馆等大跨度空间常常要求无柱落在主要使用空间内，这就要求其建筑结构采用如网壳等特殊结构。而多层大跨度建筑目前仍需要使用预应力等混凝土框架梁楼板结构。传统结构的框架仍采用十字交叉形，这就导致在某些空间三维受力的结构中，由于梁跨度过长从而导致梁高大大增加，不仅降低了实际可用层高也浪费了大量钢材。而六边形的蜂巢结构可以很好地改善这样的情况。由于其可以密铺的特性，可以很好地适应多样的空间结构。每个单元的形状一致，作为梁的边长所承担的跨度是相同的，这就保证了空间内梁高结构的统一性，能通过调节设计单元的大小来线性地调整层高。蜂巢型混凝土楼盖和正交楼盖在力学上的原理一致，都需要抗剪切负荷。蜂窝型楼盖结构落柱较密，柱数量多，因此每根柱所支撑的负荷更小，柱截面相比一般正交楼板尺寸更小，节省材料。

2.2仿蜂巢结构钢节点优化

钢结构的节点连接一直是结构安全性的重中之重。十字交叉节点加上多边形或圆形节点区域是目前工程上常用的做法，但是由于工程实践中的不确定性因素，这样的节点常常存在节点自重过大，应力集中等问题。而蜂窝结构在钢结构节点优化也提供了仿生学优化的灵感。蜂巢的六边形结构使节点连接结构的形状划分和数量的设置有了依据，能快速得到力学拓扑构型。仿蜂巢结构节点在十字交叉节点优后能形成明显的薄壁空心特征，形成了类似实心杆件组成的桁架结构，材料分布更加合理。在仿蜂巢结构优化后，节点的最大位移、最大等效应力和自重都显著降低，优化结果理想。

2.3蜂窝轻质墙体

蜂巢轻质墙体是通过草木纤维制作蜂巢芯材，并以草木纤维水泥加压板为面材的结构板材。其内芯模仿了蜂巢的六边形结构，巢体结构内填充改性聚氨酯环保材料。墙体板材之间通过限位槽来连接。蜂巢轻质墙体发挥了蜂巢六棱柱结构的力学特性，抗震性能优越，在实际工程中有利于设计方案本身的力学优化。特别是应用于高烈度地震区的高层建筑，将更有利于结构优化设计。其墙体相较传统的混凝土砖块轻80%，比加气混凝土轻60%，安装与调整更为方便，可以大大减轻建筑工人的劳动强度。地震力对钢混结构配筋量有巨大的影响。由于地震作用是惯性力作用,采用蜂巢结构减少质量将会降低结构承受的地震作用，同时节省了钢材用量。在砌造速度上蜂巢墙比传统材料快7~20倍，不仅缩短了建造工期，也降低了结构投资与整体工程造价。

2.4蜂窝铝板

蜂窝铝板是一种近年来广泛应用于高层建筑幕墙体系上的装饰材料，有着密度小、强度高、刚度大等优点。主要选用合金铝板或高锰合金铝板制成的六边形蜂窝作为基材内芯，氟碳滚涂板作为面材。蜂窝铝板的空心结构使其大大降低了材料自重荷载，相比于常见的龙骨加大块分割玻璃幕墙的做法大大减轻了重量。而在其他板材装饰中常见的中段材料因刚度不够而造成的变形问题，由于蜂窝构造的刚度特性也可以被很好地克服解决。同时材料抗震性能好，由于中空的特质，蜂窝铝板隔音隔热效果好，外加一层覆膜也可以完成防水防潮等功能。在向蜂窝铝板内空心结构填充不同耐火或聚合物基复合材料后，也可以作为泡沫三明治板，用于隔墙结构。可以布置在浴室、厨房以及其他内外墙。

2.5蜂巢帘

蜂巢帘又称风琴帘，使用时类似于手风琴缓缓拉开，但截面形状则与蜂巢类似。中空的结构有利于存储一定量的空气，利用空气本身的持温特性，可以较为环保地保持室内温度的恒定。根据研究，蜂巢帘节能效果优于固定遮阳篷。对于单层透明窗户，蜂巢帘布置于建筑总能耗最小[10]。在夏热冬冷地区，蜂巢帘是居住建筑遮阳方式的优选。六边形的截面也可以充分发挥其刚度特性，避免因自身重力不断伸展拉长后上部截面的变形，在视觉上做到了统一。相比普通的百叶窗，蜂巢帘也有着易于清洁的特点，拉绳可以隐藏在气囊层中，日常使用也比传统百叶窗更加简单。

2.6快速装配式蜂窝体住宅

在灾后重建时常常需要在受灾地快速地为灾民们搭建临时性的居所，而这些居所不仅要满足轻质、便于运输的特点也需要较高的结构强度来保证灾民不受到二次灾害的波及。建筑师们也做了许多尝试，如坂茂的纸管建筑和联合国的可变塑料支篷等。在蜂窝板问世后，通过利用其独特的力学性能，蜂窝结构也在受灾的第一线发挥了自己的长处。目前有许多运用PLA材料3D打印的临时建筑复合夹层结构，可以更好地提高遇到灾难后临时性建筑的制作效率与抗震等性能。3D打印的蜂窝结构可以作为一种快速的可取得材料被用于制作大空间的难民居所。而对不同蜂窝结构的3D打印试验测试证明蜂窝结构比目前许多临时性建筑所使用的材料构造强度更高，也更适用多种受灾情况，可以作为未来的快速装配住宅推广。

结束语

蜂巢结构以其特殊的形态特点与无限延展的复制性，为建筑师带来了源源不断的灵感。不仅有蜂巢仿生的建筑形态，更出现了模块化建筑这种脱胎于蜂巢特点的制造模式，在景观建筑、单体建筑、建筑社区等层面都已有诸多构思与案例。经过数年的发展，模块化建筑以其适应现实的优越性，在国内外使用将会越来越广泛，这项由蜜蜂带给人类的技术必将在未来持续不断地发挥作用。

参考文献:

［1］陆克中,江钊,毛睿,等.基于蜂窝结构的传感器网络覆盖问题求解算法[J].计算机研究与发展,2012,49(8):1632-1640.

［2］袁朝辉.单纯的秩序力量——浅析现代图形设计中元素的重复构成[C].中国创意设计年鉴论文集,2013,303-306.