建筑設計與城市規劃中的蜂巢結構

梁 爽，胡福良

（1.浙江大學建筑工程學院城鄉規劃專業1901 班，浙江 杭州 310058；2.浙江大學動物科學學院，浙江 杭州 310058）

從古至今，人們就知道從自然界中汲取各種工程原理和技術思想的靈感源泉，各個種類的生物經過大自然長期的磨礪和挑選，可以適應環境的變化，在嚴酷的考驗中生存下來。從建筑方面來講，人類從古代的穴居、巢居，到現在的高層住宅、公共建筑，從鄉村的出現到特大城市布局的發展都或多或少通過仿生學的不斷參考借鑒發展形成的。而被稱為“大自然的建筑師”的蜜蜂，便自然在這其中占據了一個重要的位置。世界上許許多多的設計師對蜂巢都有十分濃厚的興趣，賴特非常熱衷于蜂巢的六邊形格子圖案,英國建筑師Thomas Heatherwick 設計的紐約地標式建筑Vessel，中國設計師祝曉蜂設計的上海華東師范大學附屬雙語幼兒園是由許多六邊形格子圖案組成的蜂巢形校舍……從這些例子中可以看出建筑學家們在大自然的建筑師蜜蜂筑造的精巧蜂巢中得到了許多的思路。在宏觀角度，蜂巢狀網路的城市規劃自19 世紀末以來就受到了不少城市規劃師的關注。在西方城市改良運動過程中，規劃史上的著名人物如帕克、霍華德、科雄、格迪斯等人都為蜂巢式城市規劃做出過貢獻，由此可以看出蜂巢規劃理論在西方現代城市規劃發展過程中的重要地位[2]。

1 蜂巢結構

蜂巢是由巢脾構成的，每張巢脾又是由大量六邊形的巢房共用邊角連接而成的，這樣連續的六邊形叫做蜂窩結構。構筑蜂巢的材料是蜂蠟，蜂蠟是工蜂腹部下面4 對蠟腺分泌的，它的成分主要是高級脂肪酸和一元醇合成的酯。蜂巢中不同位置和規格的巢房分別有不同的功能，位于底部的王臺是用來培育蜂王，工蜂房和雄蜂房也是被區分開來的。巢房底面為3 個菱形面，有效地起到互相支撐的作用，防止巢房底破裂。王臺呈一種圓筒形中間略微凹陷的形狀，基本上分布在巢脾的邊角和底部。巢房剛好一半相互錯開，兩面的巢房方向都是朝上的，且共用邊共用底。每個六邊形都被相同的6 個六邊形從每條邊的方向包圍住，它們共用一邊來節省材料，同時從一點延伸出的3條邊又能提高強度。研究表明，蜜蜂巢房的六邊形結構有起源于圓形結構的可能性。因為蜂蠟具有很高的可塑性，40℃左右就可達到固液共存的狀態，而蜜蜂平時的聚集和活動使蜂巢的溫度保持在一個較高的水平，因此蜂蠟可以通過緩慢流動來達到邊邊相對的平衡狀態，這也從另一個角度說明了六邊形在蜂巢中達到的平衡與穩定性。表1 列舉了幾種幾何圖形的幾何特性，從中可以看出六邊形優越的面積周長比和彌合性[3]。

表1 圓形及其內接等邊形的幾何特性比較（以圓形的半徑長度為1 計算）

2 蜂巢對建筑設計的參考價值

蜂巢的全等六邊形組合的結構具有優越的面積材料比，組合形式，砌塊組合造型。正六角形的建筑結構具有最高的密合度，最小的材料空間比，其致密的結構，各方受力大小均等，且容易將受力分散，所能承受的沖擊也比其他結構大[4]。蜂巢輕質墻體結構與自承重結構體系（圖1）就是利用了蜂巢的這種穩定特性，這是一種“面板—紙蜂巢—中間面板—紙蜂巢—面板”結構，形成了目前市場很廣的復合型板材。

運用蜂巢的這種結構建造的建筑不僅可以節約資源，降低成本，也豐富了建筑景觀的美學形態。阿恩海姆在其論著《藝術與視知學》中論述到“六角形或半六角形式樣在某些風格的建筑藝術中被大量使用，在這種式樣中，那傾斜的面從正面看上去展示出一種十分清晰的三度特征，這是一個立方體形式所望塵莫及的”[5]。六邊形沒有圓形那么柔和模糊，也不像矩形那么堅硬剛強。它融合了兩者，一定程度上緩解了視覺和心理上的緊迫感，又給人一種簡潔現代的感覺。更重要的是，在建筑設計中，六邊形的六條邊可以擁有比傳統四邊形建筑更加豐富多樣的組合方式和造型結構。六面墻壁可以帶來多樣的空間感、結構感和層次感，同時120°比90°更優越，可以削弱轉角處帶來的轉折感，使建筑更加靈活。按照物理學家高木隆司提出的正三角形1/2 邊長與高之比為白金比這一說法，六邊形中蘊藏著美麗的比例關系[6]。

從室內采光采景角度來看，蜂房狀的3 個向量使建筑的立面多了一個有別于非明即暗的正交立面之外的灰度面，更多的面使每個房間都能均勻地沐浴到陽光，對于一些朝向大海或湖面的建筑，六邊形可以增加優美風景的視覺面數量，且體塊之間可以圍合成更多的較為封閉的戶外空間。

在過去，技術限制了蜂巢建筑的發展，但在這個參數化設計在建筑領域逐漸流行的階段，蜂巢因為擁有連續性差異變化特征而在建筑領域變得流行，各種算法的優化讓復雜形體的設計變得容易。如今大體量建筑中建筑外在表現形式和建筑之間的復雜關系組成都逐漸得到了新的解決辦法。

3 蜂巢結構在建筑中的實際案例分析

優良的結構形式是現代建筑工程追求的目標，世界上有許多以蜂巢為原型的優秀建筑作品。下面筆者挑選了2 個經典的以蜂巢為元素的建筑設計進行分析。

3.1 漢娜住宅——蜂巢空間

圖1 漢娜住宅的室外照片和室內渲染

位于斯坦福大學邊上的漢娜住宅（圖1）人們被稱為“蜂巢住宅”（Honeycomb house），因為它的平面是以六邊形為基本的母體，也就是說房子中的轉角都是60°或120°，為了能夠與特殊的墻角角度相適應，漢娜住宅的家具采用的是定制的嵌入式家具，包括房間內部的地磚、室外庭院的鋪砌和景觀的設計也都是以六邊形為母體。漢娜住宅有很多扇可以任意開啟的六邊形折疊式玻璃窗，朝向室內車庫和外面的院子，連接著臥室、起居室、書房，既讓室內空間在閉合與開放之間容易轉換，又使室內和外界的自然環境可以很自然地連接。墻面角度的變化形成了空間及功能區域的明確劃分，使各個房間既保持了私密，又不會對整體空間的流暢性形成障礙。此外，建筑中部的屋頂還因為有局部高起的側窗而使住宅擁有了充足的采光，而高低變化的“蜂巢”天花板則使得室內空間更有節奏感和層次感。人先要從幽深低矮的車棚下穿過，再經過狹窄的入口，方能看到一個高高凸起、帶天窗的六邊形前廳，這種強烈對比的心理感受給人帶來了與眾不同的體驗。

3.2 新加坡Von Shenton 大廈——“蜂巢”幕墻

Von Shenton 大廈（圖2）的雙塔分別有23 層和53 層樓高，分別承擔了辦公和居住的用途。辦公樓與住宅樓除了形態相同，外立面的圖案也是從同一組圖樣，即蜂巢衍生出來的，整齊有序的蜂巢圖案使2 座大樓更加統一，增加了建筑的節奏感和整體性。大樓墻體大面積采用六邊形玻璃。大廈在邊側設有通風槽，這些通風槽由外立面玻璃幕墻覆蓋，帶有開口使空氣流通，在住宅大樓上形成連續、不間斷的六邊形立面圖案形成蜂巢狀，底部、中部和頂部分別設有洞口大小不一的“蜂巢”，營造出不規則感，模擬蜂巢中巢脾、王臺、蜜脾、工蜂房和雄蜂房之間不同的尺寸和形狀。設計師利用其角度、遮亮度應對新加坡的熱帶氣候，使玻璃幕墻功能發揮到最好。同時因為蜂巢結構的穩定性，“蜂巢”幕墻結構既是建筑的外裝飾面，也是建筑結構的受力部分，這樣室內的支撐柱就可以得到一部分的削減，使室內空間獲得更大的靈活性。暗示了現代人們居住的形態終究會回歸到大自然的生物運作。

圖2 Von Shenton 大廈外立面

以上2 個例子是蜂巢在建筑上典型的應用類型，漢娜住宅主要利用了蜂巢的空間構型優勢，類似的例子還有法國的Abeilles、丹麥的Roskide 穹頂等。新加坡Von Shenton 大廈則主要是在外立面幕墻方面利用了蜂巢的結構與力學優勢，類似的應用還出現在墨西哥城的曲線蜂巢建筑Soumaya 博物館以及冰島的Harpa 音樂廳等。在這2 塊主要發展方向上，蜂巢建筑都有一個共同特點就是兼顧美觀和實用。

既然蜂巢建筑擁有上述提及的種種優勢，為什么在我們生活中卻很少看到以蜂巢為原型設計的建筑呢？筆者將其歸結為3 個方面，第一是施工難度，相比傳統的矩形建筑，蜂巢建筑的設計與施工更具難度，在施工中，建造120°角的難度高于直角，有時候垂直關系在建筑學之中相比六邊形更好安排，因為六邊形的構造如果不精心安排可能適得其反，給人一種視覺上的凌亂感。第二是后期發展方面，從宏觀角度來看，蜂巢建筑與周圍建筑的融合與協調可能更難。從城市規劃的角度，世界各地城市的發展與規劃基本上都離不開網格，街道和方形街區的垂直排布與人流的集散方式決定了建筑體塊之間的排布趨勢是向橫豎方向延伸的。另外方形的街區更能給人一種視覺上的整齊，也方便街區與街區之間的合并和交通的設計。

第三點是于第二點的延伸，對于建筑林立的商業區和住宅區，在一個都是矩形體塊與空間趨勢的環境中插入一個蜂巢式不規則體塊會打亂城市的協調性，從而很難使建筑和周圍的環境有序地協調融合。而對于相對開放的廣場空間，具有地標性的蜂巢建筑一般不做辦公或居住用途，其觀賞性大于實用性，如美國紐約廣場的地標性建筑the Vessel（圖3），建筑全部由樓梯上下交錯組成，作為商業綜合體的觀賞部分。

圖3 紐約廣場的地標性建筑the Vessel

從上文的分析可以看出對于蜂巢的利用，外立面的剖向設計似乎比整體空間的縱向利用更加可行。這也是實際應用中外立面采用蜂巢結構的建筑比頂視圖為蜂巢結構的建筑多得多的原因。

從總結出的3 點來看，隨著現代技術的發展，蜂巢這種具有高度重復性的圖案變得越來越容易被復制。在以蜂巢為原型的建筑不斷產生不斷獲得好評的背景下，會有更多與蜂巢結合的優秀建筑方案涌現，打破傳統建筑框架，為建筑帶來更多的現代感和設計感，發揮蜂巢作為一種建筑結構的優勢，使城市形態得到優化，提升我們城市的形象。

4 蜂巢結構對城市規劃的參考價值

除了建筑上的應用，實際上，作為一個更為宏觀的概念，城市規劃中對蜂巢的應用還要早得多。

蜂巢結構的城市布局是對網格結構布局的發展與改良，它將社會結構和現代技術合二為一，利用對角線作為主干道路可以大大提高城市效 率。在1920 年代，城市功能化思想流行的背景下維也納工程師米勒提出了蜂巢形城市改造方案，他用六邊形單元擴建了現有的城市，連接2 個不同的城區。同時，蜂巢城市結構對城市水道系統來說也是最經濟的形式，他能在同樣條件下實現“最少的消防栓數量和最短的供水干管長度”[8]。在交通方面，因為街道的數量與交匯點的增多，街道無需太寬即可解決通勤，從安全與便利角度分析，120°的交角可以給駕駛員帶來更好的視野，蜂巢城市改造方案是以六邊形單元擴建現有城市或連接2 部分城區。此外，六邊形城市道路的每個路口因不存在直行方向車輛的干擾，所以右轉可以不必減速，使日常生活的通勤效率更高。圖4 表明了六邊形路網的三岔路口與格網形路網十字路口交通流線中可能碰撞的交點數目比較[9]。

圖4 蜂巢結構運用于街道

另外，六邊形造成的斜角和連續彎曲可以創造更加美觀生動的街景，在必要的時候可以劃分出三角形的開放區域作為人員集散的場所。這樣的布置還可以避免建筑面對面的布置，提高視野的開闊程度。

蜂巢的內聚效應對城市規劃也有許多的參考價值，蜂巢的內聚效應就是指每一個蜂室都是相對獨立的，并且對于蜂室里面的幼蟲它又是一個完整的生存單元。同時和建筑一樣，六邊形的形態最大化地利用了城市內部圍合空間以及與外部銜接的空間。在現在生態城市的建設中，以復層植被風景林帶圍合的邊界，通過自身的小氣候效應、綠化滲透效應對中心城市生活區域形成穩定的內壓滲透作用，效仿蜂巢營造出若干環環相扣的生態圈體系，最終形成市域范圍內的大型生態城市體系[10]。

5 結語

不論是在建筑設計尺度還是城市規劃尺度，蜂巢的形態特點都有我們值得借鑒的地方，蜂巢的結構強度和材料體積比，以及它高度的復制性和無限延伸性等為建筑師和規劃師們提供了無限的靈感和想象。雖然蜂巢的相關衍生理論有很多，但是目前真正的實踐卻仍然沒有得到普及，認真研究蜂巢結構，對幫助我們更好地了解這一結構，為建筑設計和城市規劃提供一個新的思路無疑有很大的意義。