探索建筑与自然的奥秘：从结构力学到自然界的智慧启示

建筑物的宏观性能通常由结构力学性能和材料物理性能组合的固有性能及其顺序决定。如果将具有一定功能属性的零件和由构件组成的子结构单元视为积木，然后将这些子结构单元按照一定的功能模块和空间序列进行设计，就可以得到特殊的功能。性能新建筑。事实上，建造有序结构来实现特殊功能的现象在自然界中早已存在。自古以来，大自然就是人类各种技术思想、工程原理和重大发明的源泉。例如，对于元件来说，在相同的横截面积下，将材料放置在离中性轴尽可能远的地方是有效的横截面形状。有趣的是，这个结论也反映在自然界许多动植物的组织中。例如：“风之金草”，许多能抵御强风的植物的茎部都是维管结构，其横截面是中空的。支持负重和运动的骨骼，其横截面周围分布着致密的骨骼，而柔软的骨髓则充满了内腔。建筑结构中常用的空心楼板、箱形梁、工字形截面梁、折板结构、空间薄壁结构等都是由这一结论推导出来的。蜂窝由排列整齐的六边形小蜂窝组成。每个小格子的底部由3个相同的菱形组成。这些结构与现代数学家计算出来的一模一样——菱形的钝角是109°28'，锐角是70°。 32' 完全一样。它是最节省材料的结构，容量大且极其坚固，令许多专家惊叹不已。这些优秀的功能大多是通过多层次、跨尺度（函数+原语）按照一定的顺序组合来实现的。

装配式钢结构建筑作为一种新型人造产品——装配式钢结构建筑，通过钢结构与新材料的结合与各种外力相互作用，表现出远远超出传统建筑的新功能和新现象。装配式钢结构建筑的主要特性性能取决于其各个结构构件的形状、尺寸、几何形状以及结构构件的空间顺序。

目前，大多数研究集中在建筑结构与性能之间的关系，但很少考虑（功能+基元）+有序结构对建筑性能的影响。如果使用大型模块（函数+基元）而不是按一定顺序排列和组装的单个组件或部件，这将产生不寻常（特殊）的建筑物理效果。通过设计和组装（功能+原语）模块来追求新的性能。这些（功能+基元）可以是建筑围护结构材料的人工微观结构，也可以是建筑结构本身的域（结构类型）、相等。 （构建块相互作用）、孪生（结构中的堆垛层错）或异质结构。通过总结这些工作，本文作者提出了一种基于“（功能+原始）+序列结构”（OSFUs，带有功能单元的有序结构）的装配式钢结构建筑设计研究“范式”。

（功能+基元）可以是轻质高强的围护材料、结构与功能模块的组合、钢结构构件的类型、层错法等。通过控制有序结构的空间排列和类型（功能+基元）的地震力、位移/传热系数以及建筑物之间的相互作用可以被调整，以显着改善或产生独特的光、电、磁和热。和结构力学性能。

一。结构体系方面

在装配式钢结构建筑中，结构的安全可靠是最基本的，它来源于外力对建筑结构的作用。例如，建筑物的抗震设计必须遵循“三级两阶段”最基本的抗震设计理念，形成多层设防。框架-核心筒就是满足这一思想的典型结构体系。核心管作为第三层。有一层防御，框架作为第二层防御，需要两层防御共同作用，才能达到“刚柔相济”的目的。那么，比如说，我们如何将这个系统应用到钢结构房屋的设计中呢？应该采用纯钢结构体系还是组合结构体系？换句话说，我们应该采用钢框架-钢筋混凝土核心管系统还是钢框架-密柱深梁核心管（框架管）系统呢？

我们从两个方面进行对比分析：

第一个方面是从材料使用方面来分析：

外部因素：有句话叫“抗震恒久，牛耳传永远”，意思是“地震力”是一种惯性力。组合结构或钢-混凝土结构质量较大，而钢结构质量较小。因此，在相同的地震作用下，组合结构或钢-混凝土结构所受的地震力大于钢结构。这是一个外部因素。

例如，截面为250X250的1米钢结构柱与1米钢管混凝土柱对比：

1米250X250X8方钢管柱重量为：60.79kg；

250X250钢管混凝土柱1米重量为：197.68kg。

两者重量相差3.25倍。

根据地震力计算公式：F=axm，我们不考虑地震影响系数a进行分析。可以看出，钢管混凝土柱上的地震力是钢结构柱上地震力的3.25倍！！！因此，如何让建筑“轻”是装配式钢结构建筑设计研究中需要考虑的重要因素。

内部因素：钢结构所用钢材强度高，能耗高。它是一种延性材料，具有屈服阶跃，能量消耗是通过包络线实现的，而混凝土材料是脆性材料。钢结构使用的钢材大部分是Q355。钢结构阻尼比一般在0.01-0.02之间，钢-混凝土组合结构阻尼比一般在0.025-0.035之间，钢-混凝土结构阻尼比在0.03-0.08之间。钢结构的阻尼比较小，在地震作用下变形较大。因此，钢结构韧性好，通过变形消耗地震能量，且易于恢复。钢结构相对柔性，主要通过弹塑性变形吸收地震能量。脆性断裂的可能性比钢混凝土结构低得多。一般来说，钢结构建筑只要设计和使用正确，是不会发生倒塌事故的。

第二个方面是从结构设计计算方法分析；

钢结构采用弹性理论进行设计。由于其良好的塑性和韧性，该材料能很好地承受地震动载荷。钢具有良好的均匀性和各向同性，是理想的弹性体。其构件在地震作用下发生小变形后可恢复。 ，这最符合一般工程力学的基本假设。

钢-混凝土结构或钢-混凝土组合结构（钢-混凝土组合结构采用统一理论或转换理论（准钢理论、拟混凝土理论、强度叠加理论））采用刚性理论设计，用于抗震设计。非线性分析方法一般将所有结构部件设置为非线性材料参数。与理想的弹性分析结果不同。在实际地震作用过程中，如果核心筒受到明显破坏，整体刚度下降，则总地震力如果外框架柱所承受的实际地震力减少，则外框架柱所承受的实际地震力可能会增加或减少。因此，如果采用理想弹性分析，则无法保证利用弹性计算得到的内力结果进行外框架柱设计的安全性。相反，如果采用完全弹塑性法进行分析，如果外框柱损伤到一定程度，则得到的外框柱内力就会过小。也就是说，如果采用完全弹塑性方法分析的内力来设计构件，并不能从概念上保证结构不会被破坏。因此，无论是线弹性分析还是完全弹塑性法分析得到的结果都不能作为外框架柱设计的依据。

即使目前结构抗震设计中出现这样的现象：一是很多结构设计经过振动台试验或塑性方法分析，在罕见地震（大地震）下基本保持弹性。由此可以判断该结构的抗震性能良好。认为达到抗双重侧向力的设计目标是不科学的；其次，对于一些钢-混凝土组合结构（混合结构），试验或分析结果表明，在罕见地震（大地震）下，核心筒受到严重破坏。虽然外框柱受到损坏和破坏，但外框柱几乎没有损坏，柱子仍然处于弹性范围内。但在以往的小地震作用下，外框架柱所分担的剪力比例很低（刚好满足最小剪力系数限制）。在这种情况下，单纯认为外框设计太弱或者太强，也是片面的。要实现理想的双重抗震防线，应满足第一道防线发生严重破坏后，第二道防线能够有效发挥作用，第二道防线不能严重破坏，否则严重破坏这两条线路都会导致结构损坏。倒塌风险增加。

因此，结构抗震能力的协调非常重要。因此，钢结构的抗震性能优于钢混凝土结构。

正是基于上述分析，作者在研究中通过“基于（功能+图元）+序列结构”的方法提出了“（钢框架+板墙支撑）+密柱深梁核心管”钢结构钢结构住宅的开发设计。结构 住宅结构体系。本系统利用住宅交通核心内的多个框架构成密柱深梁核心筒（功能+基元）的第一道抗震防线（序列结构）。同时，由于住宅建筑宽度较大，宽阔区域内门窗较多，容易造成结构扭曲。窗户之间的墙的位置（顺序结构）用于设置墙支撑（函数+基元）。两者共同构成了抗震的第一道防线。

受该系统开发的启发，研究表明，通过专门设计 OSFU 可以实现具有独特抗震性能的钢结构系统。采用“顺序结构”组合方法，用不同的“（函数+图元）”来描述“函数+图元”与结构参数的关系，对于装配式钢结构建筑结构技术的发展具有重要的指导意义。

二。高性能建筑围护结构新材料

装配式钢结构建筑要实现突破性发展，特别是国家“十四五”规划纲要中提到的钢结构住宅的发展，最关键的核心问题之一就是具有轻质、高强、高强度的特点。 - 性能建筑。围护系统材料必须与钢结构建筑系统的性能相匹配。目前市场上单一的建筑材料很难满足钢结构建筑体系的要求。因此，研究先进的建筑用高性能材料刻不容缓，而传统的材料研究范式：从成分-结构-性能的思路很难实现大量变革性、颠覆性的高性能材料。因此，材料研究需要新思路、新思维。是解决装配式钢结构建筑新技术快速发展与现有材料无法满足需求之间矛盾的新方法。 “函数+本元+序列”新范式的材料研究方法是重大突破。有望实现一大批变革性、颠覆性的新型轻质、高强、高性能新型建筑复合材料。

高性能围护材料“功能+本元+序列”的新研究范式，以现有材料的功能+本元为基本单元，通过不同材料空间序列的组合，具有突破性和颠覆性的宏观属性。高性能建筑围护材料，“功能+基元”是指在特定材料层次和宏观属性之间引入具有特定功能的中间结构层次，“序贯结构”是指人工设计制造的特定结构单元的堆放和堆叠。有序加工、梯度结构等排列方法。采用“功能+基元+序列”的新材料研究范式，突破材料类型的限制，为探索颠覆性、变革性的高性能提供更大的空间建筑围护结构材料（超材料）。

以笔者基于“功能+原始+序列”的新材料开发方法开发的泡沫陶瓷复合墙板材料为例，阐述了该项目的研究目标、关键核心科学技术问题和重点研究方向以下。简单介绍：

一、研究目标

本研究瞄准高性能建筑围护材料的科技前沿，通过不同中间材料的功能基元采用有序结构和梯度结构开发新型高性能建筑围护材料，以满足建筑结构和建筑节能的需求保护。以及复杂的使用条件和对建筑围护材料的需求，通过“功能+原始+序列”的材料研究，解决高性能建筑围护材料的关键核心科学技术问题，揭示高性能建筑围护材料体系的发展开发新材料新范式所蕴含的规则，建立一套适合高性能建筑围护材料开发的建筑围护材料系统设计理论，发展建筑围护材料设计新原理和先进层压制备技术，逐步实现目标是按需设计变革性、颠覆性的新材料，提高建筑围护材料领域的持续创新能力。

2、高性能建筑围护材料关键核心科学技术问题

高性能建筑围护材料需要满足多种使用条件的复杂性能要求，如保温性能、保温性能、耐久性能、防火性能、防水性能、抗震性能、抗风性能、装饰性能等性能要求其中，最关键的核心科学技术问题主要包括以下四个方面亟待研究解决：

1）围护材料功能基元的内在特征对围护系统宏观性能的影响及其调节机制，明确围护材料功能基元与围护系统宏观性能的关系，发现并构建影响建筑围护系统宏观物理性能的建筑围护材料的关键功能基元；

2）建筑围护材料功能基元的序列结构对优化和增强建筑围护系统宏观性能的作用，序列结构引起的功能基元之间的耦合增强效应，明确序列结构对建筑宏观性能的影响信封系统。物理机制；

3）揭示建筑围护结构材料“功能+序列”的协同关联效应，揭示材料本身功能基元之外的高性能甚至新性能，明确“功能基元+序列”与建筑宏观性能的关系建立围护结构体系关联，按需建立基于“功能基元+序列结构”的高性能建筑围护材料设计方法；

4）“功能基元+有序结构”高性能建筑围护复合材料的制备技术和表征技术，开发新型多层层合制备“功能基元+有序结构”高性能建筑围护材料（超材料）的方法和新技术，发展人工序列材料的结构与性能表征技术，探索其中涉及的科学技术问题。

3.当前重点研究方向

当前制约装配式钢结构建筑特别是钢结构住宅在“十四五”期间快速发展的问题是与装配式钢结构建筑相匹配的高性能建筑围护材料的发展。必须开展以下两项主要任务： 研究工作：

1）突破现有建筑围护材料的性能，重点解决传统建筑围护材料强度与韧性的矛盾问题，实现综合性能优良的轻质高强新材料；

2）保温节能保温材料方面，开发“无机-有机”复合“功能基元+序列”新型集成高性能保温材料，满足低能耗、超低能耗的建筑节能要求，实现建筑行业的“碳中和”。

泡沫陶瓷是一种新型烧结墙体材料，具有轻质（400kg/m3）、高强度、闭孔、抗渗等优良特性。它是一种很少与钢结构建筑体系配套的材料，但同时又具有较高的脆性，在笔者的研究中，为了克服其脆性，A2矿物防火板利用双界面的结构梯度来推出A2矿物防火板，应用OSFUs方法制造致密“超材料”。这种泡沫陶瓷复合板“超材料”的强度和韧性显着提高，不仅因为A2矿物防火板纤维作为功能原语排列更加整齐，还因为在加工过程中，功能+原语引入了许多化学物质键，从而有效促进函数+基元的有序化和致密化。我们观察到有序间隙复合物的形成，这有助于泡沫陶瓷复合材料板的强度和延展性。这种情况下，功能+基元可以调节位错类型，调节位错运动与扩散的平衡，从而提高泡沫陶瓷复合材料板的力学性能。这个例子清楚地表明了 OSFU 策略可以帮助开发高性能机械材料。

三。预制外墙保温系统

“开裂、空鼓、脱落；保温但不阻燃；阻燃又无法满足节能建筑的保温要求，这已成为问题

外墙保温行业三大“痛点”。 ”

回顾外墙保温系统采用何种技术的争议，可归纳如下：

(1)选择内绝缘系统或外绝缘系统

在我国重点推行50%建筑节能标准的初期，国内企业的技术水平大多集中在内保温上。然而，内保温技术不断受到冷桥、凝露、霉变等现象的困扰。同时，随着节能标准提高65%~75%，甚至超低能耗标准，外墙保温技术逐渐成为建筑节能技术的主体。

（2）是用保温层保护结构，还是用结构保护保温层？

问题的实质是钢筋混凝土剪力墙结构住宅采用外墙保温系统还是外墙夹芯保温系统的争论。这其实可以从外墙温度梯度结构和建筑整个生命周期的非定常理论来研究。可以清楚地了解到，外墙保温系统延长了建筑结构的使用寿命。外墙夹芯保温系统使建筑结构在整个寿命期内都不稳定，大大缩短了结构寿命。而且，关键是“热桥”较多，保温隔热系统的热效率大大降低。

（3）外墙保温是否选择材料防火或结构防火路线，以满足日益提高的保温节能标准的要求

外墙保温防火技术的选择，经历了材料和结构两条防火技术路线的激烈争论。大家都知道PIR（聚氨酯）等有机材料节能性能好但阻燃性能较差，而岩棉等无机材料具有阻燃性。性能不错，但节能性能比PIR差。这就是保温但不阻燃、阻燃但不能满足建筑节能保温要求的现象。对生产企业影响很大。一时间，大家都不知道该用什么方法。最终产生了多种不同材料结构的防火技术措施，但保温节能标准越提高，外墙保温结构的防火就越需要改进。

（4）现场作业分层施工方式的复杂性和预制集成板的简单性

外保温轻质、粘结应力灵活的特点决定了它是一种可以在结构上现场施工的技术。外保温的预制构件必须有利于方便或增强粘结应力，否则就会依靠锚固力而成为幕墙应力。强制模式。

(5)一种在各种保温材料上涂抹薄灰泥的方法

聚苯板薄抹灰是国外技术。最初用于别墅外墙。现在我国已经形成了各种材料的行业标准，并将该技术应用到高层建筑中。发生了很多工程事故，从而形成了很多技术纠纷。

目前的外墙保温系统存在大量缺陷和界面引起的强散射。为了降低隔热材料的导热系数，人们设计了各种有序结构，如链取向的改进、单分子薄膜的自组装等。在研究中，作者发现外部应力可以调整有序结构。微观结构，从而调节热导率。 A2矿物防火板具有核壳结构，芯由大量纤维构成。更具体地说，纤维由两种交替排列的矿物组成，通过弹簧状螺旋结构连接。 A2矿物防火板本身由高度定向排列的片状纤维组成，嵌入矿物链和适度定向的螺旋结构，使外墙外保温装饰一体板保温材料与面板形成“刚柔相济”的相容性。从我们的拉拔试验中可以看出，断裂层位于绝缘层内。在预制外墙外保温系统中，绝缘连接件的使用在受力作用下表现出很强的有序性。这些发现很好地证明了 OSFU 与热性能之间的密切相关性。

四。总结与展望

本文总结了笔者近年来在装配式钢结构建筑研究设计中运用“功能+基元+序列”设计的几个应用实例。为了进一步扩大这一概念的应用和影响，仍然存在一些挑战，需要建筑师、结构工程师、材料工程师和其他工程师的共同努力。

1．与功能基元和顺序结构相关的宏观属性。重点应放在功能基元的内在属性和临界尺寸，以及多层次和跨尺度的耦合效应上。需要针对具体系统建立理论框架，并在此基础上进行仿真或设计，以避免繁琐的实验和试错工作。

2．材料准备和加工。这种策略实际上增加了合成和制造过程的复杂性。传统的化学或物理方法需要进一步探索，以满足跨尺度结构的研究；智能制造技术和增材制造等工程加工方法与化学/物理方法相结合可能具有巨大潜力。

3.材料表征。各个功能单元和总体顺序的表征，例如形态、微观结构和化学成分，以及物理性能的测量。这对于理解跨尺度的耦合效应非常重要。

4.功能驱动的建筑系统集成。 “函数+原语+序列”的研究也可以从某个系统的功能或性能需求出发。它将基础研究直接与整个建筑系统联系起来，是研发过程的最后一步。随着“功能+图元+序列”性能的显着提升，我们相信它们在装配式钢结构建筑中的应用将会更加高效。