基于微结构仿生的非线性壳体建筑结构形态生成研究

The structural morphology is the core of long-span architecture. Nonlinear shell structural morphology is the main research object, and it will be divided into four levels, as shell，grid，shell unit and microstructure, through the reductionism in the complex system. At the microstructure level, biomimetic theory is introduced to construct the theoretical framework of bionic design of long-span architecture. In the evolution of the adaptive environment, the organism has formed a highly sexual morphological character. From nature, we pull away the biological form principle from the structure performance (such as shell), physical properties (such as mimosa pudica), aesthetic performance (e.g., horsetail pine cones) and intelligent performance (such as a chameleon). And we translate the logic in parameters language to abtain the microstructure of the shell, and then the nonlinear shell structure with corresponding performance is generated by the parameterized inverse method. Finally, the four generation ways are formed. Under the background of intelligent technology, from the perspective of microstructure, we cross the nonlinear shell structure and form bionics. On the one hand, it greatly extends outward into the theory of architecture, on the other hand, it provides an opportunity for multiple disciplines fusion. Moreover, through the research, the performance-based nonlinear shell architecture will become the theory prototype of the future super shell architecture, intelligent shell architecture and virtual environmental shell architecture.

结构形态是大跨建筑设计的物质核心。本课题以非线性壳体结构形态为主要研究对象，运用复杂性科学中涌现论观点将其层级化分为壳体结构形态、壳体结构网格、壳体结构单元及微结构四个层级，并在微结构层级中引入结构仿生视角与方法，运用参数化设计与数字化建造技术为研究手段，建构多学科交叉下的非线性壳体结构形态系统理论平台。与此同时，生物体在适应环境的进化过程中形成了高度性能化的形态特质，通过选取、形态抽离、参数化转译及参数逆吊的方法，分别提出适应结构性能（如贝壳）、物理性能（如含羞草）、美学性能（如马尾松果）及智能性能（如变色龙）的四种非线性壳体建筑结构形态生成途径。在智能科技背景下，从微结构视角将非线性壳体结构系统与生物结构形态仿生学进行交叉，大大扩展建筑学外沿，也为多学科融合提供了契机，通过本课题所生成的性能化非线性壳体建筑将成为未来超级壳体建筑、智能壳体建筑与虚境壳体建筑的理论雏形。

在智能科技背景下，大跨壳体建筑工程亟需向性能化、可持续、交叉创新方向发展。针对这一发展需求，本项目运用复杂性科学方法、仿生学方法及数字生形方法，对大跨建筑壳体结构进行系统性研究：（1）运用涌现论观点提出壳体与环境、壳体结构系统、结构网格、微结构4个层级；（2）在微结构层级中引入仿生学，建构微结构仿生设计理论与方法，提出从涌现主体（微结构的几何抽象）、生成逻辑（逆吊找形的算法生成）到环境响应（壳体系统的性能调控）的微结构仿生壳体设计流程；（3）分别以结构性能、物理性能、美学性能、智能性能为目标，建立自然结构与人工结构的几何形式关联，分别选取特定自然结构为对象（如蛛网硅藻、沙元海胆、棘皮海星等），针对特定结构体系（如自然壳体、可展结构、拓扑结构等），从案例分析、数字设计、实体建造等全过程，验证壳体结构的微结构仿生设计的可行性与推广价值。.本项目首次提出从微结构层级突破壳体结构设计与研究，建构了大跨壳体结构的微结构仿生设计理论，提出了微结构仿生设计方法与流程，明确了自然结构与人工结构中“形式”与“性能”的“转译”与“转移”，并将研究结论应用于实体建造实验、数字教学实践进行验证。本项目突破了大跨壳体工程的传统认知，打开新材料、新构造与新美学与壳体结构连通的大门，促使未来壳体建筑将向高性能、可持续、环境共生的空间界面迈进，激活多学科融通（建筑学、土木工程学、生物学、计算科学、信息学、材料学、制造学等学科），促进产学研融合（推动数字化设计与智能建造在教学与实践中的深入应用）。