中华学生百科全书：建筑科学.pdf

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1、更多好书请点击 www.uus8.org建筑科学更多好书请点击 www.uus8.org建筑仿生学原理鸟巢与建筑鸟是春天的使者、人类的朋友，它不但有鲜艳的羽毛，婉转的歌声，还 有被誉为“天然艺术品”的巢。在法国民间流传着这样一句谚语：“人类除 了鸟巢之外什么都能制造出来。”可见，这个天然艺术品不但漂亮，而且巧 夺天工，是一种不朽的大自然杰作，是人类建筑构思时取之不尽的创作源泉。 那么，什么鸟的巢最精美呢？ 鸟巢精美之最要首推织布鸟编织的瓶状巢了。它撕取长条的树皮纤维， 像织布工人那样用它那灵巧的嘴和脚，穿针引线，并不时地打结打扣而成坚 固的编巢。编巢时，一般先由雄织布鸟编织巢的主体，并以此作为

2、向雌鸟求 爱的资本，经炫耀求偶成亲后，由雌织布鸟编织巢的细部。织布鸟的瓶状巢 像一个曲颈瓶，悬挂在树梢，出入口在旁边。织布鸟就住在随风飘荡、逍遥 自在的“家”里生儿育女。编巢时有时遇到大风，织布鸟还会衔一些泥团来 “镇风”呢！ 什么鸟的巢又最大呢？ 鸟巢容积之最要首推秃鹫。美洲有一对秃鹫共同生活了 3 6 年，在一场大 风暴中，筑巢的大树被掀倒，人们才有幸见到了它们的“家”，经测量得知： 鸟巢直径 2 . 7 4 米，深 6 . 1 米，整个鸟巢共重两吨哩！ 什么鸟的巢最科学？ 鸟巢科学之最要首推澳大利亚、新几内亚和东南亚一带的营冢鸟了，它 们的巢能产生恒定的温度 3 4 3 5 ，是雌鸟孵化

3、蛋的理想产房。 营冢鸟用粗壮的两腿挖掘一个大深坑，在坑内填上落叶，又填上泥土和 砂，有的竟高达 5 米，土丘周边长 5 0 米，为了造巢得花上几个月的时间哩！ 过了一段时间，树叶腐烂，温度开始升高。那时雄营冢鸟经常来测量巢内温 度，它挖开表层，把翅翼下部无羽的部分贴近腐土堆，或者把头部和上半身 都钻进洞穴内，啄出土堆深处的砂子测量温度。当巢内温度达到 3 5 左右， 它们挖一个深洞，雌鸟就在深洞里产下第一枚蛋，雄鸟使蛋大头朝上，以便 雏鸟容易出壳， 并用砂子盖好第一枚蛋。 经过 2 4 天， 雌鸟又产下第二枚蛋。 这样一直下 1 6 3 3 枚蛋。 然后雄鸟连续 1 0 个月精心守护着这个特别

4、的产房。 当温度超过 3 5 时，雄鸟就挖通风洞降低温度，但到了晚上又匆匆把通风洞 堵塞以防止热量散失；当温度低于 3 5 时，就向土冢琢敷砂土。 鸟巢有如下几大特点： 鸟巢结构巧妙。鸟巢结构巧妙的可多啦。缝叶莺生活在我国最南部的山 林中，它选取芭蕉、葡萄藤的大型叶片，将叶片卷拢，雌鸟用嘴在叶缘相距 1 2 厘米处，钻上一个个小孔，然后用树枝纤维、蜘蛛丝和细茎等，从一个 小孔穿出，又从另一个小孔穿入，并随时在孔外打结以防松扣。缝叶莺这样 嘴、脚并用缝成了窝，又用绒毛、棕毛等柔软的东西垫底，舒适的鸟巢就这 样建成了。 “衔泥两椽间”的燕子，在田间地头湿地处啄出湿泥丸，双双衔回椽间， 逐一堆积，又

5、配置干草、草根、羽毛等，经一周左右而成“泥碗”巢。有一 种燕子叫金腰燕，它能筑成长颈瓶那样的泥巢。还有一种燕子叫楼燕，它口 腔里能分泌出很粘稠的唾液，与泥丸、草棍掺合，筑成表面透明的巢。楼燕更多好书请点击 www.uus8.org的近亲金丝燕，它纯粹用自己的唾液筑巢，那就是高档宴席上的“燕窝”。 鸟巢用材巧妙。鸟巢用材之巧妙也不胜枚举：燕子用泥做巢；麻雀以干 草做巢；鹰用粗大的树枝做巢；黄莺用树皮、麻以及草做巢；寿带鸟以树皮 和草外面缠蜘蛛丝做巢。 红尾伯劳为了得到细如毛发的树皮纤维筑巢，要花很长时间侦察森林中 理想的树，然后一条条撕下成一束运回，尤其是楮树，由于树皮质地细致而 纤维长，嫩枝又

6、多而易于剥皮，是红尾伯劳筑巢的理想材料。 鸟类筑巢，一般就地取材，有时还采用人类使用的材料，在郑光美所著 鸟之巢中，记载着 1 9 5 7 年作者在吉林省桦皮厂火车站附近大树上发现的 4 个喜鹊巢，其外壁几乎全是用粗铁丝编成的。 鸟巢选址巧妙。猫头鹰和野鸽在岩石缝内筑巢；翠鸟以吃小鱼为生，在 岸边土崖啄穴为巢：啄木鸟以树洞为巢；老鹰、白鹳以大树顶为巢；苇莺在 苇茎之间用长的草叶在高出水面 1 1 . 5 米处做巢； 骨顶鸡在芦苇与蒲草丛中 筑巢，将草茎弯折搭编而成饼状巢，巢随水浮沉。 鸟巢一般筑在地面或草丛中，往往极为隐蔽。柳莺的巢选择地表有枯枝 落叶的地方，或选在山间小溪旁，以苔藓、树皮伪装

7、。据国外资料，鹪鹩的 雄鸟建造很多的巢，而与雌鸟成婚后一个也没有用上，用的是雌鸟的巢，这 也可能是为了安全的疑兵之计吧！ 乌巢的选址，巢口是有讲究的。郑光美先生对吉林省 2 1 个喜鹊巢做了观 察，发现绝大多数朝向西南，与当地背风向一致。日本某地喜鹊巢的巢口， 多数朝北或东南，很少朝西，这不但有风向问题，还有日照问题。 鸟是天才的建筑师。织布乌会编织树皮成巢，缝叶莺会缝叶成巢，燕子 会用泥丸垒成巢，营冢鸟能造出恒温的巢，骨顶鸟会造浮巢鸟为人们展 现了无与伦比的建筑艺术品。在科学发展一日千里的今天，建筑的造型、设 计、计算、用材、施工、选址等都有待于创新与发展，鸟巢不正是我们模仿、 借鉴、学习的

8、好榜样吗？ 中国古代书载“有巢氏”，说明人类最早也曾像鸟那样巢居树上，后来 由树上下来定居，在地面上造起了房子。而建筑的发展，跨度越来越大，高 度越来越高，说不定人类又会像鸟儿一样，重新居住在人工造成的“大树” 上呢！ 鸟巢真是一个大自然的谜，而这个谜正有待于科学家去揭开。大自然存 在着多少个谜呀！它正如希腊神话中的大神使者赫尔墨斯，变化无穷。美国 学者瓦尔特麦勒斯说：“自然正如生命一样创造了各种形式。她美妙地把 样式和协调赋予她亲手创造的各种元素，赋予她使之生气盎然的各种力量 中。因此世世代代的人类总是喜欢把她看做是神性的艺术创造，是一位不可 捉摸的、变化多端的赫尔墨斯。” 建筑，正面临着困

9、境，时代的要求是大跨度、大高度，安全、经济、美 观而适用，欧美等各地的学者正转向对大自然结构形态的研究。德国斯图加 特大学著名工程师、学者 F 奥托出版了自然知识建筑、自然建 筑、建筑师的自我修养三本专著。德国学者收集贝壳、海螺、蛛网、 龟背、骨骼、头颅、叶脉、树枝以及昆虫标本等，并考察山川地形、原始建 筑、山洞蚁穴、细胞构造后，提出的专题报告有最小网格、生物学与房屋、 自然界和技术领域中的网格、自然和技术领域中的薄膜与薄壳、形态与力的 性质的基础、藻类植物结构等。更多好书请点击 www.uus8.org一门仿生建筑学正在兴起。近几年来，德国学者 K 鲍契进行了大量皂 膜系统试验，为薄膜结构提

10、供了合理外形的根据。美国女建筑师 A 卡苏巴 仿造野居山穴，采用 P V C 塑料薄膜，它的造形形态万千而又新颖、离奇、别 开生面。美国学者 W 斯法特里研究自然的优化并应用于分析建筑的连续力 学之中。美国学者 M 哥尔斯密斯综合分析了 1 6 6个已经建成的大跨度钢结 构（其中最大跨度为 2 3 0 米），从自然的优化中得出，不同的跨度应采用不 同的空间结构，为合理采用建筑结构的形式闯出了一条新路。青竹受力的启示文人墨客喜欢竹子的虚心，科学家喜欢竹子的“腹中空”。竹子的节节 上升而成材，成功的秘诀正是竹子的“腹中空”。 力学的奠基人意大利科学家伽利略曾经对中空的固体做过研究，他 在关于两门新

11、科学的对话与数学证明对话集说道： “我想再谈几句关于空中或中空的固体的抗力方面的意见，人类的技艺 （技术）和大自然都在尽情地利用这种空心的固体。这种物质可以不增加重 量而大大增加它的强度，这一点不难在鸟的骨头上和芦苇上看到，它们的重 量很小，但是有极大的抗弯力和抗断力，麦秆所支持的麦穗重量，要超过整 株麦茎的重量，假如与麦秆同样重量的物质却生成实心的而不是空心的，它 的抗弯和抗断力就要大大减低。” “实际上也曾经发现并且用实验证实了，空心的棒以及木头和金属的管 子，要比同样长短同样重量的实心物体更加牢固，当然，实心的要比空心的 细一些。人类的技艺就把这个观察到的结果应用到制造各种东西上，把某些

12、 东西制成空心的，使它们又坚固又轻巧。” 一般竹子的横向截面，直径为 6 厘米，壁厚为 0 . 5 厘米，假如把竹子做 成实心的，则其抗弯能力是原来的 1 / 1 0 ，由于竹子是细长的承受自身重量的 受压杆件，假如把竹子做成实心后，在自身重量的压力下它会摇摆不定而失 去平衡。由于竹子品种的不同，生长的高度也不一样。毛竹可以参天，但把 毛竹做成实心的，经科学计算，只能长到高梁杆那样高。 根据力学原理，一根杆件在其横向截面，应尽可能把材料向周边分布， 正由于这样才形成了中空，而且，越是优质材料越是向边缘布置。竹子就是 这样，竹子的表面呈现出青色的叫竹青，往往是竹编的好材料。 竹子的“腹中空”，增

13、大了抗弯和抗断能力，而且降低了自身重量。任 何植物，除了抗风以外，主要是抗衡自身重量。德国有一句谚语：“大自然 很关心，不让树木长到天顶。”树木之所以长不到天顶，是受风力和自重的 制约，竹子之所以有现在的高度，功劳完全归于“腹中空”。仔细观察自然 界，像竹子那样“腹中空”的植物还真不少哩，如麦子、高梁、玉米、芦苇 等。 文学家歌颂竹子的气节，从力学的角度来说，竹子的竹节是抵抗横向剪 切的关键， 是竹子强度有机的部分。 农业上小麦减产主要原因之一是 “倒伏” ， 那是小麦返青拔节时，由于雨水过多，生长迅速而拔节快，形成节与节之间 间距大，减低了麦秆的抗剪能力，头重脚轻杆软倒伏于地的缘故。 一个建

14、筑，都是由很多杆件组合而成的，有的杆件承受压力，有的杆件 承受拉力，有的杆件承受弯曲，有的杆件承受剪切，有的杆件承受扭转，有更多好书请点击 www.uus8.org的杆件承受以上几种情况的组合受力。对于长而细的承受压力的杆件，它的 破坏并不是由于强度不够而折断，而是由于不能保持原来的直线而偏移，虽 然没有折断，但偏移而离开了原来直线位置，同样会导致整个建筑的破坏， 这种现象在科学上称为“压杆失稳”。 压杆失稳在建筑上产生过很多严重事故： 1 9 0 7 年加拿大魁北克的圣劳伦斯河上的钢桥，当时正在架设中间跨桥梁 时，由于悬臂钢桁架中个别受压杆失去稳定产生屈曲，造成全桥坍塌；1 9 2 5 年，

15、前苏联的莫兹尔桥在试车时，也是受压杆件失稳而破坏；1 9 4 0 年，美国 的塔科马桥，刚完工 4 个月，在一场大风中，由于侧向刚度不足而失去稳定， 使整个桥梁扭转摆动而破坏；美国东部康涅狄格州哈特福市中心体育馆，能 容纳 1 2 5 0 0 人的大跨度网架结构，于 1 9 7 1 年施工，1 9 7 5 年建成，在 1 9 7 8 年 的一场暴风雪中倒塌，事故的原因也是个别压杆失稳。 面对着自然界中的狂风暴雨，青竹节节上升，自然优化，适者生存，合 理受力，给人们带来了众多的启示。仿蛋建筑鸡蛋能承受多大的力？ 人们有时会打赌谁能用一只手把鸡蛋捏碎？血气方刚的小伙子急着 上阵，但总是一个个败下阵

16、来。人们不得不承认，鸡蛋能承受很大的力。 鸡蛋受力，原来为业余科学家所青睐。 英国消防队员为了试验鸡蛋的受力，把一辆救火用的消防车停在草地 上，伸直救火梯子，消防队员从离地 2 1 米高的救火梯顶端向草地扔下 1 0 个 鸡蛋，出乎意料的是只破了 3 个。 英国皇家空军飞行员也对鸡蛋能承受多大的力产生了兴趣，他们把直升 飞机停在离草地 4 6 米高的空中，向草地扔下 1 8 个鸡蛋，结果也只破了 3 个。 英国每日快报的工作人员，干脆租了一架军用飞机，以每小时 2 4 1 公里 的速度向飞机场俯冲，在俯冲中投下 6 0 个鸡蛋，结果破了 2 4 个。 以上是用鸡蛋所做的动力冲击试验。在静力作用

17、下，鸡蛋可以承受更大 的力。 记得有一年中央电视台春节联欢会上，有一女孩表演踩蛋，女孩两手各 提一桶水，双脚踩在 4 个鸡蛋上，鸡蛋安然无恙。 1 9 8 9年，日本爱知县的春日井市先生，在汽车前轮各用 3 4个鸡蛋，后 轮各用 5 2 个鸡蛋，总共只用 1 7 2 个鸡蛋支承起了一辆大卡车。 根据国外资料介绍，当鸡蛋均匀受力时，可以承受 3 4 . 1 千克的力呢！ 鸟类的蛋具有如此大的承受力，是与它特有的蛋形曲线和科学的结构分 不开的。蛋的结构有三层，外层为表皮层，又称闪光层，中层为海绵层，内 层为乳头层，不同的鸟类具有不同的三层显微结构。 蛋壳中，主要成分是碳酸钙，约占 8 9 9 7

18、，另有少量的盐类和有机 物。 应该说，真正的蛋壳成分仍然是一个谜，还需人们进一步探索。在蛋壳 的成分中，只要加入或减少某一成分都会影响蛋壳的强度，而且各种成分的 比例更是至关重要的。根据国外资料，在美国已经发现有 2 0 多种鸟类的蛋由 于受农药的影响，而变薄变脆、降低了强度。更多好书请点击 www.uus8.org奇妙的鸡蛋为我们展现了以最少的材料造出最大的空间，并承受很大的 力的大自然的杰作。一个鸡蛋长为 4 厘米，而蛋壳厚度只有 0 . 3 8 毫米，厚度 与长度之比为 1 1 3 0 ，以其特有的蛋形曲线塑造了它的外形。 具有曲线的外形，厚度又很薄，主要承受压力的结构在建筑上叫薄壳结

19、构。在“山光物态弄春晖”的自然界中，像鸡蛋那样的薄壳结构是如此的丰 富多彩而变化万千，有禽蛋、贝壳、蚌、螺、蜗牛、蟹、鱼子、眼球、头颅、 豆荚、种子、果核等等，它们以最合理、最自然、最经济、最有效、最进步、 最优美的形式竞相媲美，争放异彩。 要造出像鸡蛋那样的建筑确实不简单呀！人类在蛋形建筑史上经历过相 当艰辛的过程。在文艺复兴时期建造的意大利佛罗伦萨主教堂，其跨度达到 4 2 . 2米，主高度接近 9 1米，当时的传记作家和建筑师瓦萨里热情地歌颂它 与四周的山峰一样高，连老天爷看了也嫉妒。但它的厚度却只在 6 1 7 8 . 6 厘米之间，厚度与跨度之比为 1 6 0 ，它并不是薄壳结构而是

20、厚壳结构，而 且它仅是由八瓣组合成的并非球形的建筑。在文艺复兴末期，意大利罗马建 成了圣彼得大教堂，圆圆的球形建筑，像竖放的鸡蛋，圆顶直径 4 1 . 9 米，内 部高 1 2 3 . 4米，但厚度竟达 1 3米，厚度与跨度之比为 1 4 0 。直到 1 9 2 4 年，德国的蔡斯工厂天文馆才建成第一个半圆球形的薄壳结构。1 9 2 5 年德国 耶拿斯切夫玻璃厂厂房采用了球形薄壳，直径为 4 0 米，壳厚只有 6 0 毫米， 采用钢筋混凝土为建筑材料，厚度与跨度之比为 1 6 6 7 。 现在，像鸡蛋那样的仿蛋建筑已经很普遍了。美国通用汽车公司技术中 心水塔，法国吐鲁士电子加速器实验站，我国新

21、疆某机械厂的金工车间里像 水珠似的储罐，它们都是绝好的仿蛋建筑。绝美的黄金分割1 5 0 9 年，意大利威尼斯人卢卡帕契奥里在 上帝规定的比例一书中， 阐明了与 的比值（即），他的好友达芬奇是当时文艺复1.6181=1.618 兴的巨人，是一位物理学家、生物学家、地质学家、生理学家、力学家、工 程师、机械师、军事家、画家、雕塑家、歌唱家，被誉为集科学与艺术于一 身的人物，他对“上帝规定的比例”爱用另一个名称，即黄金分割，又称黄 金律。黄金律被认为在构图中是最和谐、最完美的表现，是“神圣的比例”。 德国杰出天文学家开普勒说：“几何学中有两件珍宝：一是勾股定理，二是 中外比。如果第一件是黄金，那第

22、二件就是宝石。” （黄金分割又称中外比。） 1 5世纪，意大利数学家帕契奥里为黄金分割列出了一大堆优点，他写 道：“黄金分割对我们的作用是：一、实质性的，二、特殊的，三、无法表 达的，四、无法解释的，五、最后，十七、是宝贵的。” 公元前年，古希腊几何学之父欧几里德在几何学上首先提出300= 1 . 6 1 8值，他在几柯原本第五卷中说：“所谓量中第一与第二之比等于 第三与第四之比，是指第一与第三的任何等倍数同第二与第四的任何等倍数 有如下关系：前者的等倍数必相同地大于、相同地等于，或相同地小于相应 所取的后者的等倍数。”这个比例法为 值的导出奠定了基础。 古希腊在公元前 4 4 7 年至前 4

23、 3 1 年， 建成了举世闻名的雅典帕提农神庙， 柱高与柱顶至屋顶距离之比也是。 =1.618更多好书请点击 www.uus8.org文艺复兴时期的“上帝的比例”，事实上是由我国经印度、阿拉伯传入 欧洲的，印度传给阿拉伯之前称为“三率法”，它在我国古算术书上均有记 载，九章算术“粟米”章一开始，就列举了各种米的出米率：“粟米之 法：粟率五十，粝米三十，稗米二十七”即 5 斗谷去皮，可得糙米 3 斗， 又可臼得稗米 2 斗 7 升等等。类似的问题在 九章算术 “衰分”、 “均输”、 “勾股”诸章及其他古算书中均有记载，这些内容就是正比例、反比例、复 比和比例分配等，由于这类问题都以“今有”二字起

24、首，在我国古算书中统 称为“今有术”。 一般认为，黄金分割来源于自然界，如鹦鹉螺的螺曲线，其构成与 1 . 6 1 8 相关。在人的身上，广泛存在着黄金分割的比例关系，成年人的腰部是人体 的黄金分割点。近代建筑大师勒柯布西埃根据对人体的分析，创立了以黄 金分割为依据的人体模度图。 根据勒柯布西埃分析，高举左手，头顶至腰的距离与手指尖至头顶的 距离之比正好是与 的比值，即，由腰至足底的距离与头顶1.6181=1.618 至腰的距离之比也是 1 . 6 1 8 ，对于人的脸来说，其高度与宽度之比以及两眼 间的间距与嘴的大小之比都是 1 . 6 1 8 ，在人体中，到处都充满着 1 . 6 1 8

25、。正如 文艺复兴时期的数学家巴奇奥里所说那样：“所有的度量和它们的名称 都来自人体，而且在人体中可以找到上帝揭示自然最深邃的奥秘的全部的比 和比例。”在古希腊，人们认为人体是最美的东西，毕达哥拉斯认为：“人 体的美由和谐的数的原则统治着一切。”当时雕塑家费地也说：“没有比人 类形体更完善的，因此我们把人的形体赋予我们的神灵”。 人体是美的数的集合体，建筑要美，当然会自然地模仿人体的各种数及 数量之间的比例关系。在建筑上有两种有名的柱子式样，古希腊人以男人的 脚掌长度是身高的 1 / 6 应用到柱的高度与直径的比值上，创立了多立克柱， 以女人的脚掌长度与身高的关系应用在柱子上，创立了爱奥尼柱。多

26、立克柱 比例粗壮，刚劲有力，恰如“塞外秋风骏马”，显出阳刚之气；爱奥尼柱比 例轻快，秀美华丽，恰如“杏花春雨江南”，亭亭玉立如少女临风。柱式的 创立，大大地推动了建筑艺术的发展。 古罗马建筑权威维特鲁威说：“建筑物必须按照人体各部分的式样制定 严格的比例。”只有这样，建筑才会越来越美。 从古希腊人崇尚五角星，创立雅典帕提农神庙及柱式，到费地的雕塑品 及伊特拉斯坎人的陶器，黄金分割一直为人们广为应用。达芬奇应用黄金 分割画出了世界名画最后的晚餐。意大利著名小提琴制造专家斯特拉迪 瓦里精通黄金分割，制作了近千把音质优美的小提琴。数学家华罗庚将黄金 分割应用于优选法，可以合理地安排实验和试验，以较少

27、的试验次数找到合 理的配方和合适的工艺条件。建筑师勒柯布西埃以人体模度图，在长短、 面积、体积等方面设计出一种比格，推动了建筑的标准化、工业化。 黄金分割在人脑中是怎样形成的呢？ 根据国外资料，人脑具有精神意识、思维活动等功能，人脑中形成许多 中子网格互相联系起来的结构，中子依靠电信号相互作用，中子的网格、网 络的外形就是振荡电路；人脑在活动中不仅有固定的电振荡频带，而且人脑 电振荡的摆幅和频率也不断地变化。 在人脑中、 、（希腊字母）等脑电波中，波占主要地位，波 的低频带频率（在电磁波中低波长范围内每秒振动的次数）为 8 . 1 3 赫兹（频更多好书请点击 www.uus8.org率的单位）

28、，高频带的频率为 1 2 . 8 7 赫兹，高、低频率带频率之和为 2 1 赫兹， 而高、低频率带频率之和与高频带频率之比正好为，高频带频率与低频带频率之比也正好为。=1.618=1.618 人脑中形成黄金分割的奥秘终于揭开，可见黄金分割并非简单模仿自然 界中呈现出来的现象，而包含着更深的哲理。自然界中有许多形形色色的 “谜”，而这许多“谜”，正是大自然送给人类的绝妙的产品。蜘蛛织网与建筑工程蜘蛛织网，一般利用三点，如墙角、挑出的树梢、石头尖处等，先由三 点连成三角形组成网的边，并由一根特殊的丝通过未来的网中心，然后由边 向网中心拉辐线，到网中心后在相邻的地点向边拉辐线，这样来回拉了几条 辐线

29、后，却跑到相对的那一边去拉辐线，很明显，它正利用静力学以维持网 的平衡。 拉好了所有的辐线，蜘蛛由网中心以螺旋线向外盘旋拉丝线。蜘蛛到了 最外圈后，沿着原路返回，返回时不时地抓起原有的网线聚成小球，固结在 与辐线相交的点上形成很多的小点，在沿着原路返回过程中拉的丝线才是真 正的蜘蛛网线。由外向里盘旋的螺旋线越来越密，形成数学上的对数螺旋线， 这样，曲线由外向里虽然密度增加，但在理论上永远到不了中心点。 建造一所房子，一般有四个步骤：打基础，安置骨架，搭脚手架，拆脚 手架。这与蜘蛛结网真是有异曲同工之妙。蜘蛛以三个固定的点形成三边的 三角形，这与造房子打基础对应。蜘蛛在三角形的三边拉辐线如造房子

30、的安 置骨架。蜘蛛由里向外拉螺旋丝线只是为结真正的蜘蛛网做准备，正如造房 子搭脚手架，只是为了施工时临时之用。蜘蛛由外向里拉螺旋丝线，并随时 把原有丝线去掉固结在网点形成小点，正如造房子时，房子建成后拆去脚手 架那样。蜘蛛真是一个聪明的动物，蜘蛛结网与人类建筑施工是何等的相似 啊！ 所有的柔性材料如藤、绳、索都具有极强的抗拉特性，由柔性材料组成 的建筑结构称为悬索结构，它具有跨越大跨度的能力，而且特别节省材料。 蜘蛛网就是自然界中的悬索结构。蜘蛛网能承受很大的力，有的蜘蛛网 上放上一个啤酒瓶也不会掉下地，古代还有人用它捕鱼、捉鸟呢！ 我国是最早应用悬索结构的国家，我国利用竹索造的桥在前汉书中

31、已有记载。北宋时期，四川灌县安澜竹索桥横跨岷江之上，长达 3 4 4 米，共 分 8 跨，最大一跨为 6 5 . 6 米，用 1 0 根 1 6 . 5 厘米直径的竹索组成。我国云南 景东附近兰津桥，建于公元 5 8 7 5 年，用铁链造成，横跨澜沧江，跨度达到 8 2 米，而西方最早出现的悬索桥是公元 1 5 1 5 年，比我国落后 1 0 0 0 多年哩！ 悬索结构广泛应用于体育建筑。美国的阿拉美达体育馆，就是一张像蜘 蛛网那样的圆形的钢索网， 直径为 1 2 8 米， 外环设置了 3 2 根钢筋混凝土支柱， 内环直径为 1 3 . 8 米， 内、 外环设置了9 6 根钢绞线的辐线， 体育

32、馆可容纳1 5 0 0 0 多人观看体育表演。北京工人体育馆的双层辐射式悬索结构，外形似平放的 自行车的车轮，有上、下两张网，两张网之间有杆件相联，人类创造的“网” 到底比蜘蛛网要高明，由蜘蛛的一张网变成两张网，承载能力也比一张网要 大得多。 悬索结构，目前有单层的、双层的，有圆形平面的、椭圆形平面的、长更多好书请点击 www.uus8.org方形的、六边形的，有马鞍形的、双曲面形的、抛物线形的，真是五花八门， 千姿百态。 人们在建筑时，总是自觉地追求美，按照美的规律来建造，随着社会生 产力的发展和人类智能水平的提高，对美的追求和创造更丰富、更凝炼、更 富有哲理、更强调美的综合效果，在认识自然

33、、改善自然中，科学、技术和 艺术的综合的趋势已经形成，正如加拿大学者米克教授指出：“现在，有了 一种新的创造精神，开始重建一个包括艺术、科学和技术都在内的完整而统 一的世界。”在这一方面，美籍华人林同炎成功地设计了一座曲线斜拉桥， 它如众多的“蜘蛛丝”拉着一片细长的树叶一样，构思之独特、工程之巧妙、 造型之优美受到全世界工程技术人员的好评， 获得了全国第 2 6 届优秀建筑比 赛一等奖，被誉为“结构工程与美的理想相结合”的典范。 林同炎设计的曲线斜拉桥位于美国加利福尼亚州的一条狭谷河流上，两 岸山高陡峭，谷深流急，若是采用一般直线形桥，则两岸引桥要挖去大量山 崖，假如采用抬高桥面的方案，虽然避

34、免开挖山崖，但引桥很长，两者都会 使工程造价昂贵。而林同炎先生设计的曲线形桥，很自然地与两岸线路联接， 达到桥与路的有机结合，正如长虹卧波，复道行空，天堑变通途。这桥另一 个特点是采用很多斜拉的索，直接固结于两岸山崖上，一根根斜拉索交叉网 胜似蜘蛛网，奏出一曲美妙的“蜘蛛网”畅想曲。奇异的螺旋形建筑你知道江河湖海里有多少螺吗？它们有滇螺、骆驼螺、天狗螺、万宝螺、 马蹄螺、笔螺、凤凰螺真是数不胜数。 你知道哪里有螺旋线吗？自然界中到处都有螺旋线：所有有回旋形贝壳 的软体运动螺，都有螺旋线；蜘蛛以螺旋形结网；牛角按螺旋形生长； 向日葵的花子按螺旋形排列；人的内耳耳轮也是螺旋形的。 螺旋形往往是建筑

35、造型的母体，而螺的外形也是建筑师构思的素材。海 滩上各种各样的海螺、贝壳，在波涛汹涌的大海中为生存而搏击，自然的优 化形成了它们优美的螺旋线。当前，“回归自然，崇尚自然”已成热门话题， 所以，一批直接模仿螺的外形的建筑也应运而生了。 我国北国海滨旅游胜地北戴河，有一座可以登高观海的“碧螺塔”，塔 的上部三层模仿海螺壳的十二瓣螺旋，形成层层起翘的挑檐，在海滩的“碧 螺塔”上观看碧螺的家，不是更具有诗情画意吗？我国东南大学齐康教授设 计的福建省长乐度假村小岛上的海蚌塔和大厅，虽然并非直接模仿海蚌，但 却体现出艺术的“神似”，内涵之中蕴藏着海蚌、海螺的螺旋美。印度尼西 亚雅加达泰曼公园有一座金蜗牛电

36、影院，其外形像一只蜗牛，在“蜗牛壳” 中看电影情趣盎然。 世界建筑大师赖特设计的美国古根海姆博物馆，它是倒置的圆锥螺旋线 的外形，参观的人流由中央电梯直送至顶层，然后让他们由螺旋形的楼梯到 各层参观，博物馆由上至下层层缩进，造成既连续又有变化的空间；参观过 程中，博物馆建筑的本身就使参观者产生动态的韵律感。新加坡圣淘沙海上 旅馆高 1 5 层，采用涡旋螺线的海螺形，整个旅馆像一个雕塑品，而且具有动 态感，真是美极了。 1 9 2 0 年，前苏联建筑师塔特林曾设计了“第三国际纪念塔”，采用螺旋更多好书请点击 www.uus8.org形，曾轰动一时。8 0 年代，美国建筑师海蒙特设计了“太平洋之塔

37、”，高达 5 4 8 . 6米。高塔由螺旋形结构和中央桅杆组成，像一棵大树爬满了螺旋形上 升的藤，象征着太平洋沿岸国家欣欣向荣、蒸蒸日上的气象。 “太平洋之塔” 是作为卫星通讯的地面接收站，意味着太平洋沿岸各国信息的交流、文化的 交流。 随着高层建筑的崛起，在高层建筑中采用螺旋形也日益增多。在 1 9 6 8 1 9 7 2 年，意大利建筑师尼柯莱特和马斯曼塞设计了由三个涡旋螺丝组成的涡 形螺旋摩天大楼，高达 5 4 0 米，其核心是由三个桅杆组成的筒状体，具有力 度感和时代感，美学造型精美绝伦。 螺旋线，奇妙的曲线，优美的曲线，“生命的曲线”。它像对数螺旋线 那样，盘旋扩大而上升至远方、更远

38、方，以至无穷，向下盘旋而缩小，又无 法找出其出发点。自然界的一切，都像螺旋线那样的美；自然界的一切，都 像螺旋线那样呈现出无限宽广的图景。“泡泡大楼”气泡，在自然界里是很多的。蓝蜻蜒的翅膀由很细的薄膜肋构成，肋之 间就是一张极薄而柔软的薄膜，那是不封闭的“气泡”，叫做不封闭的充气 结构，类似的还有蝙蝠的翅膀。像青蛙的囊袋的“气泡”，叫做封闭的充气 结构，其他还有，如鱼肚中的“气泡”，动物身上贮存尿的囊袋等。现在， 封闭的充气结构在建筑上已广为应用。 充气的封闭薄膜有一个很好的受力性能，那就是各处的表面张力都相 同，由于用材少、重量轻，因而是一种很好的建筑结构。 最早设想把充气结构用来建造房屋的

39、是英国工程师兰切斯特，他在 1 9 1 8 年取得了关于此事的一项专利，并设计了直径为 6 5 0 米的充气结构，但遗憾 的是他过早地离开了人世，没有使理想成为现实。 1 9 7 0 年日本大阪世界博览会上，博览会的游乐场采用在一根立柱上的充 气结构，在立柱顶端有向四周布置的缆索挂着四周布置的一个个充气结构， 充气结构的另一端支承在离顶端不远的立柱环上，当缆索收紧时，蘑茹状的 充气结构就收拢，撑开时就像一个大圆盘，其最大直径可达 3 5 米，博览会上 这种红黄相间、向不同角度撑开的一个个“蘑菇”，为游乐场增添了节日的 欢乐。 充气结构还可以用来作水坝。由英伯逊设计的水坝在 1 9 5 7 年建

40、成，水坝 高 1 . 5 米， 长 4 0 米， 充气薄膜用螺栓固定在水下的混凝土基础上， 可以充气、 放气以调整水坝的高度。目前，充气水坝已经发展到高可 4米，长可达 6 0 0 米。假如给充气水坝定期地涂以海普隆（高级涂料），寿命可达 2 0 年以上。 充气水坝造价便宜，比一般水坝可节省 7 5 的造价，而且施工简单。 充气的帐篷千姿百态，由英国 M . L . 航空公司设计制造的一系列充气夹心 板可以构成大小不同、形状各异的任何多边形的帐篷。 英国的军事工程试验处， 1 9 6 5 年设计制造了军用充气桥， 桥跨度 5 . 5 米， 桥本身很轻，只有 3 5 0 千克重，打仗时，遇到小河

41、可随时充气让卡车通行， 用完则放气缩小成一小团让卡车运走。 充气结构打破了传统的建筑结构形式，在有压气体压力的调整下，只要 塑造出封闭的外形，任何形状都可以实现。它不存在梁、柱等构件，当充气更多好书请点击 www.uus8.org结构受力时，结构内受压气体把力传给整个结构，充气表面薄膜各处受力相 同。 1 9 7 0 年日本大阪世界博览馆中，日本的富士馆因其体量宏大、造型新颖 而大出风头。它由 1 6 根直径为 4 米、长度为 7 8 米的充气管柱组成，把它们 两头分别安置接地，于是中间拱起形成一个个拱门，由于圆形平面，两头接 地的一个个拱门随着跨度的不同（最大的跨度为圆形平面的直径）拱起的高

42、 度也不同，造成马鞍形的外形，充气管由聚乙醇薄膜制成，外涂海普隆，内 涂聚氯乙烯。 美国在 1 9 5 9 年建造了波士顿艺术中心剧场，有 2 0 0 0 多个座位，建筑平 面为圆形，直径 4 4 米，采用气垫屋顶，层顶的中央高 7 米，飞垫式屋顶铆固 在钢制多边形体的各个柱上。 气泡泡能盖成大楼，能盖成很大很大的“大楼”，甚至使你不敢想象。 德国充气结构专家奥托曾设计了充气薄膜与网壳相结合的巨大的罩，其 直径为 2 0 0 0 米，高为 2 4 0 米，可以覆盖拥有 1 5 0 0 0 4 5 0 0 0 居民的城市。在 寒冷的北极，有了这样一个“罩”，就可以调节气候，就可以开发北极了。 所

43、以，奥托的设计又叫做“北极城设想”。 美国建筑师富勒，也是一位充满想象力的工程师，在 1 9 6 2 年，他也设计 了用充气薄膜与网壳结合的圆穹，直径为 3 2 0 0 米，想把纽约的整个曼哈顿地 区罩起来，这就是建筑中最著名的“乌托邦”充气结构。树木参天高楼立腹中空的竹子、麦杆，把材料尽可能分布在横截面的四周以增大抗弯、 抗断的能力。 树，肉眼所见是实心的，但在显微镜下却到处布满着细孔，它同样地把 有限的实体尽可能向四周扩展，也具有很大的抗弯、抗断的能力。 你去过泰山吗？你是否留意过泰山峡谷通风口的树长得怎么样？泰山峡 谷通风口的树与众不同，它的树干横截面不是圆的，而是椭圆的。由于通风 口风

44、相当大，要生存必须提高迎风的抗弯能力，这种椭圆形树干是树木长期 适应自然优化的结果，这种椭圆形树干的树不是很美吗？！不是很科学吗？！ 建筑师吉奥庆蒂设计的意大利米兰的皮尔利大楼，其构思是 4 棵并排 的“树”。树与高楼之间，在具备抗弯、抗断能力方面是一致的，越是接近 地面，其受力越大。从树的外形可知，树干由树梢向树根越来越粗，从树的 外形联想高楼受力的核心部分，也必须从上到下越来越粗。把树干切片置于 显微镜下，研究树的水分、养料的输送，会发现它与城市道路立交网系统又 是何等的相似呀！ 近几年来，出现了一批高技术建筑，这是一种表现技术美的建筑，正如 芬里德所说：“探求、研究并且为建筑带来诗意般充

45、满信心的愿望。 在这种建筑中，科学我们时代的上帝和技术也已富于人性。这 种建筑物能够塑造和表现。” 高技术建筑一方面从新技术的产物如高速赛车、航天飞机等形式中寻求 启示，一方面从自然界中寻求灵感。 伦佐比阿诺在设计休斯顿曼尼尔博物馆时，集中精力研究屋面的形式 和构造，他从采光调节、阳光辐射的控制、结构、细部四个方面来构思，以更多好书请点击 www.uus8.org树叶为原型设计屋面档板，既轻柔又完美。 进入树林，成排的树干构成了“竖向线条”，显示出高洁、希望，给人 以紧张感、上升感。保罗克利给线赋予了诗意，他说：“一条线就是一个 点在散步。”那末，像树林那样的竖向线条，则是众多点在向青天进军了

46、。 日本建筑特色之一，就是有很多的竖向线条，如日本的法隆寺，它显示出像 树林那样日新月异，天天向上。 城市用地的紧张，促使城市的规划向空中发展，日本建筑师矶崎新在 1 9 6 2 年设计了空中城市，设想把建筑集中在一棵棵人工大树上，好像一个个 果实，树干与树枝都是有效的交通系统，树与树之间也有交通之便。城市建 在空中，充分享受了阳光和空气，而且还土地于绿化，人类的生活再次上了 树，成了新的“有巢氏”，过着鸟儿般的生活了。 树，作为探索科学哲理的素材，具有着更宽更广的研究领域。树长得高， 枝叶繁茂而“招风”。但仍然屹立于大地之上，关键是扎根于地下，见缝插 针地深入、深入、再深入。再看看人类创造的

47、房子地基，其中之一叫桩基， 是一根根桩打入地下，房子建在桩的顶部。与树根相比，弯弯曲曲的树根要 比直直的桩不知高明多少倍呢！美的构想对称建筑在“天河夜转漂回星，银浦流云学水声”的茫茫宇宙有着奇妙的对称， 在微观世界里的细胞、分子、原子也有着奇妙的对称，凯库勒的苯环结 构式，华森、克里克提出的 D N A 的螺旋结构，都显示出一种对称的科学美。 在自然界中，飞禽走兽、草木花卉都显示对称的美。 对称被视为“和谐与美”的定义。一般对称的物体具有对称轴，在对称 轴的两边等距离处具有大小、方向相同的物件，如常见互相垂直的十字轴线 的对称形式：正方形，正圆形，正六边形，正八边形等；另外如“十”字， “田”

48、字，“井”字，“亚”字等。这一类称为具有两个对称轴的对承称物 体。更普遍的是具有一个对称轴的对称物体，如人、虎、蝴蝶、鸽子 在科学上，科学理论也有美与不美的问题，它决定于和谐、对称、简洁、 新奇。和谐，即逻辑的正确性和构造的严密性。对称，即反映出自然形态和 运动的广泛对称性。简洁，即丰富的多样统一。新奇，即科学思想的独创性 和科学方法的新颖性。对称，作为决定科学理论美与不美的四大要素之一， 含义是很广泛的，科学家维尔写了一本专著对称，书中说：“对称，无 论广义或狭义，我们都不理解这个词。对称是一种思想。多少世纪来，人们 希望借助它来解释和创造秩序、美和完善。” 对称，表现出一个整体的各部分和成

49、分的配置的匀称和协调，给人带来 优美和精确的感觉。对称的理论帮助了德国化学家凯库勒发现了芳香化合物 分子结构，分子中的原子以对称形式组成闭合的环形联接的链，分子模型完 美、漂亮。自然现象的对称原则启迪了狄拉克，使他预见了粒子的电性能能 够转变。1 9 7 9 年美籍华人物理学家杨振宁谈道：爱因斯坦开辟的“对称性支 配着相互作用”的原理，有力地促进了“规范场的对称性”、“超对称性” 新理论的出现；对称性可以说是理论物理学的一个重要观点。 自然界的对称现象是如此强烈地影响着建筑，以致于所有的建筑和建筑 群都包含着对称的原则。更多好书请点击 www.uus8.org1 4 0 3 年，我国明朝永乐皇帝下令迁都北京，在元朝大都的基础上建立了 北京城。1 5 5 7 年，明朝嘉靖皇帝在城南外加筑外城，形成了今天的“凸”字 形平面的北京城，从南端的永定门向北经皇宫、景山到钟鼓楼，直到北城墙 结束，形成了一条 7 . 5 公里长的中轴线，这就是北京城的对称轴，它可谓世 界上最长的对称轴了，宫殿建筑就在这轴线左、右对称的位置上。皇宫层层 殿宇，错落有致，以太和殿、中和殿、保和殿为核