中华学生百科全书：建筑科学

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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，

2、并以此作为向雌鸟求 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 ，

3、是雌鸟孵化蛋的理想产房。 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

4、着这个特别的产房。 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

5、一堆积，又配置干草、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

6、纤维长，嫩枝又多而易于剥皮，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

7、苔藓、树皮伪装。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、

8、 借鉴、学习的好榜样吗？ 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

9、筑，正面临着困境，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

10、试验，为薄膜结构提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

11、研究，他 在关于两门新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

12、制造各种东西上，把某些 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。

13、 竹子的“腹中空”，增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

14、伏于地的缘故。 一个建筑，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

15、坍塌；1 9 2 5 年，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

16、急着 上阵，但总是一个个败下阵来。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