浅谈建筑工程领域中的蜂巢结构

浅谈建筑工程领域中的蜂巢结构

肖代全

绵阳师范学院

摘要:蜜蜂在自然界中一直被称为“天才建筑师”，蜂巢的结构激发了无数建筑师的设计灵感，从汉娜的住所到纽约的地标建筑The  Vessel。在建筑工程领域，蜂窝独特的力学结构和特性也大放异彩，为现代建筑工程做出了突出贡献。

关键词：建筑工；蜂巢结构；优化

1 蜂巢与蜂巢结构

蜂巢是蜜蜂用其蜡腺分泌的蜂蜡生活和繁衍的地方。它是由鸟巢和脾脏组成的。

蜂巢由工蜂巢、雄蜂巢和储蜜区组成，均由大小不一的六棱柱巢组合而成。较小的工蜂蜂巢占据了巢脾的大部分，而较大的雄蜂蜂巢只占据了巢脾的一小部分。贮蜜区位于巢脾的最上部，其深度超过其他蜂巢。蜜蜂“天才建筑师”的美誉主要来自其神奇的蜂巢结构。每一个蜂巢都是一个严格的六棱柱，一端是可见的六边形开口，另一端是普通的菱形表面。

平面上能满足密集布局要求的只有正三角形、正方形、六边形。对于正多边形，它的边越多，越接近圆，单位面积越大。所以在几何上，六边形的建筑结构紧凑度最高，可用空间最大。在蜂窝中，每个单元底部的两侧与其他单元共享底部，用最少的材料形成最大的空间。巢底的三个菱形面也有效地相互支撑，防止巢底开裂。

2 蜂巢结构对建筑的参考价值

由于六棱柱的几何特性，蜂窝具有坚固、重量轻、抗变形能力强等力学性能优势。现代研究表明，蜂窝结构具有质量轻、比强度高、比刚度高、隔热隔音效果好、吸能性强、形状多样、可设计性强等许多优良的力学性能，甚至可以通过设计不同构型来满足零泊松比或负泊松比蜂窝结构等特殊需求。

由于多壁的排列和连续的蜂窝状网状结构，蜂窝可以分散地承受来自四面八方的外力，使得蜂窝结构抵抗挤压力的能力远高于其他几何形状。

蜂巢底部是由三个三角形拼接而成的圆锥体，在结构上可以缓冲侧向力，减弱外力的传递作用。应力点附近的几个单元可以消除大部分变形，而其他大部分单元可以保持相对较小的应力和变形水平。

3 蜂巢结构在建筑工程中的应用实例

3.1 蜂巢型混凝

蜂巢与蜂巢结构随着经济的发展，体育馆等大跨度空间往往要求在主要使用空间内无立柱落下，这就要求其建筑结构采用网壳等特殊结构。然而，多层和大跨度建筑仍然需要预应力混凝土框架梁楼盖结构。

结构的传统框架仍采用十字形，导致在一些空间三维受力结构中，梁跨度过长，导致梁高大大增加，不仅降低了实际使用层高，还浪费了大量钢材。六边形蜂窝结构可以改善这种情况。因为可以密铺，所以可以适应各种空间结构。每个单元形状相同，作为梁边长的跨度相同，保证了梁高结构在空间上的统一性，并且可以通过调整设计单元的大小来线性调整层高。

3.2 仿蜂巢结构钢节点优化

蜂窝混凝土楼盖和正交楼盖具有相同的力学原理，都需要抵抗剪切荷载。蜂窝楼盖结构柱密集，柱数量多，所以每根柱支撑的荷载较小，柱截面比一般正交楼盖小，节省材料。蜂巢结构对建筑的参考价值钢结构的节点连接一直是结构安全的重中之重。目前工程中常用的是多边形或圆形的十字接头。但由于工程实践中的不确定因素，此类节点往往存在自重过大、应力集中等问题。钢结构节点中蜂窝结构的优化也为仿生优化提供了启示。蜂窝的六边形结构为关节结构的形状划分和数量设置提供了基础，可以快速获得机械拓扑构型。蜂窝状接头在十字接头优秀后可以形成明显的薄壁空心特征，形成类似实心杆件的桁架结构，材料分布更加合理。蜂窝结构优化后，接头的最大位移、最大等效应力和自重显著降低，优化效果理想。

3.3 蜂窝轻质墙体

轻质蜂窝墙体是由植物纤维制成的蜂窝芯材和以植物纤维水泥压力板为表层材料制成的结构板。其内芯模仿蜂巢的六边形结构，蜂巢结构内填充改性聚氨酯环保材料。壁通过限位槽相互连接。轻质蜂窝墙体充分发挥了蜂窝六棱柱结构的力学特性，抗震性能优越，有利于实际工程中设计方案本身的力学优化。尤其对于高烈度地震区的高层建筑，将更有利于结构优化设计。它的墙体比传统混凝土砖轻80%，比加气混凝土轻60%。安装调整更加方便，可以大大降低施工人员的劳动强度。地震力对钢-混凝土结构的配筋有很大影响。由于地震作用是惯性力，减轻蜂窝结构的质量会降低结构的地震作用，节省用钢量。蜂窝墙体的施工速度比传统材料快7 ~ 20倍，不仅缩短了工期，而且降低了结构投资和整体工程造价。

3.4 蜂窝铝板蜂窝铝板

蜂窝铝板是近年来广泛应用于高层建筑幕墙系统的一种装饰材料。它具有低密度、高强度和高刚度的优点。基材的内芯选用合金铝板或高锰合金铝板制成的六边形蜂窝，表面材料采用氟碳辊涂板。

蜂窝铝板的中空结构大大降低了材料的自重荷载，重量也比常见的加大龙骨、分割玻璃幕墙的做法大大减轻。而其他板材装饰中常见的中段材料刚性不足导致的变形问题，由于蜂窝结构的刚性特点，也可以得到很好的解决。同时，该材料具有良好的抗震性能。蜂窝铝板由于其中空的性质，具有良好的隔音效果，覆盖一层薄膜也可以完成防水防潮的功能。

蜂窝铝板的中空结构中填充不同的耐火材料或聚合物基复合材料后，还可用作隔墙结构的泡沫夹芯板。可布置在卫生间、厨房等内外墙。

3.5 蜂巢帘蜂

蜂窝帘又称风琴帘，使用时类似手风琴，但横截面类似蜂窝。中空结构有利于储存一定量的空气，利用空气本身的保温特性，可以环保地保持室内温度恒定。据研究，蜂窝帘的节能效果优于固定式遮阳篷。对于单层透明窗，在总能耗最低的建筑内放置蜂窝窗帘布[10]。在夏热冬冷地区，蜂窝帘是住宅建筑的最佳遮阳方式。六边形截面还可以充分发挥其刚度特性，避免上截面因自身重力而持续拉伸后的变形，从而达到视觉上的统一。

3.6 快速装配式

在灾后重建过程中，往往需要快速为受灾地区的灾民搭建临时避难场所。这些避难所不仅需要满足重量轻、便于运输的特点，还需要较高的结构强度，以保证灾民不受次生灾害的影响。

结语

建筑师也做了很多尝试，比如板茂的纸筒建筑，联合国的可变塑料天篷。蜂窝板问世后，蜂窝结构利用其独特的力学性能，在灾害前线发挥了自己的优势。

目前有很多临时建筑复合夹层结构采用PLA材料3D打印，可以更好地提高灾后临时建筑的生产效率和抗震性能。3D打印的蜂窝结构可以作为一种快速可用的材料来制作大空间的难民住宅。不同蜂窝结构的3D打印试验证明，蜂窝结构比所用材料具有更高的结构强度.

参考文献：

[1]倪富生，胡泰祥.蜂窝梁的应力分布及设计计算探讨[J].工业建筑，1984.

[2]中国新闻网.北京青年报.2010-05-07.

[3]习克俭.高明的建筑大师[J].语文新圃，2006（11）.