建筑用仿生保温耐冲击材料研究.doc

建筑用仿生保温耐冲击材料研发一、 意义背景自然界中的生物大多是经过亿万年的生物进化和自然选择后保存下来的，它们在结构、形态和功能等方面都得到了全面优化。人类完全有必要研究和借鉴这些生物的优点，以改善人类的生存条件和生活质量。仿生学在土木建筑、航空航天和机械等诸多领域都有良好的应用前景。建筑仿生学作为仿生学的一个重要分支，是以某些生物体的功能组织和形态构成规律为研究对象，探寻自然界中科学合理的建造规律，以丰富和完善建筑设计，促进建筑形体结构以及建筑功能布局等的高效设计和合理形成。建筑仿生不仅是建筑创新的有效手段，也是建筑与自然和谐共生的实现途径，是未来建筑发展的方向。随着人口的高速增长和城市建筑兴起，建筑的节能和安全问题是社会关注的热点。仿生技术在建筑的设计中也得到了广泛的应用。把仿生学与建筑学和结构工程学进行学科交叉，也是进一步发展建筑学和结构工程学、促进建筑学与结构工程学合作关系的一条有效途径。据统计，建筑的能耗约占全社会总能耗的30。如果不加大建筑节能技术研究开发力度，随着经济的快速发展，建筑能耗的比例将快速上升到35以上。可见我国急需发展绿色节能建筑来降低能源损耗，而就建筑而言，仿生学元素也为建筑师开展了新的思路，提供了新的节能形式。二、 生物原型与仿生原理竹子是空心的，但竹节处却有横膈相连，这些横膈与竹身构成一个整体，协调变形，共同参与抗弯作用。当竹子受倾覆力矩时，竹子一侧受拉，一侧受压，产生一个与倾覆力矩相反的力偶，从而减小了水平位移，增加了抗弯刚度；六边形的蜂窝，是蜜蜂采用最少量的蜂蜡建成的，却占有最大的空间面积，而结构稳定性为最佳；在汶川地震中,大量房屋倒塌，而许多树木却安然无恙。根据观察,树木枝干具较有好的整体性,根须发达,与土层紧密连接,具有良好的稳定性；白蚁是自然界出色的建筑师，它们巧妙地把微风从蚁丘底部引进由凉爽湿泥构成的蚁室，再把经过冷却的空气送到蚁丘顶端。靠不断地建造新通风口，关闭旧通风口，精确地调节温度。即便在白天温度超过38，夜间温度低至5以下的非洲平原，蚁丘内的温度也能始终保持在30左右；鸟骨内部有许多相互连接的细小管状结构，这些结构不仅使鸟骨具有很高的强度，而且大大地减轻了它的自重。如果建筑利用上述生物模型的原理，这将增强建筑的保温和耐冲击性能。三、 研究内容1. 基于竹子增加了耐冲击特性的原理竹子是空心的，但竹节处却有横膈相连，这些横膈与竹身构成一个整体，协调变形，共同参与抗弯作用。当竹子受倾覆力矩时，竹子一侧受拉，一侧受压，产生一个与倾覆力矩相反的力偶，从而减小了水平位移，增加了抗弯刚度。受竹子这种结构的启示，许多框架一内简体系的建筑，在设备层或避难层设置伸臂桁架。这些伸臂桁架具有很大的竖向抗弯刚度和剪切刚度，使外框架柱、伸臂桁架与内筒支撑框架三者参与整体抗弯作用，很好地增加了结构的耐冲击性。 2. 基于蜂巢结构稳定等原理蜂巢的每个窝皆是六角形的。这种形状能使蜜蜂用最少的材料建造最大的空间，而且结构非常坚固，能确保蜜蜂的住宅不会破裂。把蜂窝结构应用于墙体。这种蜂巢轻质墙体适用于居住建筑、公共建筑和工业建筑工程的非承重内隔墙。因其单位平方米重量仅相当于普通多孔砖墙体的二十五分之一，相当于混凝土空心砌块的十五分之一，相当于轻钢龙骨纸面石膏板的三分之一，所以更适用于高层建筑的内隔墙体。蜂巢轻质墙体具有良好的抗震、缓冲性能，轻质、安装快捷方便、不开缝、不变形、整体性好，占用空间小。蜂巢轻质墙体材料在隔音、保温、环保、节能、节地等多方面都优于目前国内其他墙体材料，施工简便，可回收再利用。据相关统计资料显示，我国全社会房屋年竣工面积将达到1820 亿平方米，墙体材料总产量将达到7500 亿块标准砖，总产值达7501000 亿人民币。到2010 年建材工业产值将达到1 万多亿元，成为国民经济的重要增长点。而新型墙体材料的市场份额也将以年均10% 的增长速度快速递增。蜂巢轻质墙体的投产和推广应用拥有广阔的市场前景，将产生巨大的社会效益和经济效益。3. 基于树木的耐冲击原理在汶川地震中,大量房屋倒塌,而许多树木却安然无恙。根据观察,树木枝干具有较好的整体性,根须发达,与土层紧密连接,具有良好的稳定性。根据仿生学原理,仿照树木根须系统,提出了“根系仿生建筑抗震基础”的设想,以提高在地震烈度较高的地区房屋结构的抗震能力。树木根系与建筑基础有着基本相同功能,一是承重,二是抗风,三是抗震。一般而言,两者都能满足承重和抗风的要求,从抗震方面考虑,树木的抗震能力优于建筑的抗震能力,其原因主要有2 个,一是树木上部枝干整体性好,二是树木下部根须系统与土层牢固连接的稳定性好。树木根须发达并向土壤周围扩展,根须与土壤相互连结成为整体,因而具有较强的抗震能力。从中可以得到大自然的启示。4. 基于白蚁穴冬乱夏凉的原理 白蚁是自然界出色的建筑师，它们巧妙地把微风从蚁丘底部引进由凉爽湿泥构成的蚁室，再把经过冷却的空气送到蚁丘顶端。靠不断地建造新通风口，关闭旧通风口，精确地调节温度。即便在白天温度超过38，夜间温度低至5 oC以下的非洲平原，蚁丘内的温度也能始终保持在30左右。相比之下，人类建造的大楼要达到相同的效果，则要耗费多得多的能源。建筑师米克皮尔斯(Mick Pearce)十分赞赏白蚁巢穴的这种自动调节温度的功能。他以蚁穴为蓝本设计的东门大楼，拥有很多的排气口和烟道，帮助热空气从建筑物中排出。当热空气上升，流出建筑物顶部的排气口时，较凉的空气则被从底部吸入，通过这种循环，使大楼内的温度稳定维持在23一25，而所用的能源却不到其他同样大小建筑的10Is3。5. 基于鸟骨高强度的原理鸟骨内部有许多相互连接的细小管状结构如图，这些结构不仅使鸟骨具有很高的强度，而且大大地减轻了它的自重。受鸟骨构造的启示C&P(Cervera&Pioz and Partners)公司于2000年提出了一种“仿生塔”的超高层建筑构思。它的结构采用三圈柱网，三罔柱网之间以微状结构相连结(图9)，使整个结构体系轻巧坚固，既解决了竖向荷载过大、地基不堪承受的难题，又有效地增加了建筑的使用空间。 大自然在源源不断地给人类提供资源能量的同时,自身一些亘古不变的法则和规律,也给人类社会许多有