從仿生學原理談倫敦國王十字車站建筑結構設計

1 引言

人類在向自然學習的過程當中，學到了很多的知識。 自然界中的許多獨特結構，如蝸牛殼、貝殼等，都為建筑提供了美學和裝飾價值的靈感。

從自然界中汲取靈感并將其融入建筑設計中， 是一種富有創意的設計方式。 在探索建筑結構的最小化過程中，我們需要根據受力邏輯和原理，充分優化建筑體量和用材，在保證建筑結構穩定及安全的前提下，讓其更為美觀、環保、經濟，為人們營造出更加宜居的空間。

20 世紀，有多位建筑研究者積極探索和研究材料、結構和形式與自然力之間的關系。 他們將所有的平面規劃和建筑主體都充分考慮仿生學原理和大自然的美學， 采用符合生物生長的自然法則。 這種設計方法不僅可以提高建筑的性能和美觀程度，也可以保證其與當地環境充分融合，形成一個具有親生物美學的建筑。

倫敦國王十字車站的建筑結構設計中就采用了多種仿生學原理，將這些原理與建筑結構的穩定性和美學關聯起來。

2 半圓形的平面布局（Symmet r y）

倫敦國王十字車站的新設計部分采用完全對稱的半圓形平面布局。 這種布局的優點在于其對稱性使得結構更加穩定，且能夠提高建筑的空間利用率。 同時，半圓形的布局也符合自然界中一些形態的特征，如殼牌或樹木截面等。 這種布局方式還可以有效地降低建筑的風阻力、減少噪聲和震動傳遞。

3 斐波那契數列的運用（Pr opor t i on）

通過對向日葵或雛菊等植物的輻射狀圖案進行研究，我們可以發現著名的斐波那契數列。 斐波那契數列是一種在自然界中廣泛存在的數學規律，它的前兩項為1 和1，從第三項開始，每一項都是前兩項之和，即1、1、2、3、5、8、13、21、34、55、89……[1]。 在倫敦國王十字車站的建筑結構設計中，設計師采用了斐波那契數列的幾組數字， 如5、8、13、21、34、55、89 等，來規劃建筑的外形和支撐桿件體系。 例如，屋頂框架的支撐點數量為89 個， 這與斐波那契數列中的數字相同。 由這些數字組成的整個結構構件體系， 增加了建筑結構的合理性與穩定性。

在植物生長的過程中，為何會出現斐波那契數列，我們通過對可產生輻射狀圖案（見圖1）的生物進行深入了解與分析得知，植物為了得到最大化地獲取陽光和空間，會采用137.5°的黃金角度螺旋發展。 黃金角度大概是在數學上和斐波那契數列關系最密切的因素， 也是植物生長出斐波那契數列的原因， 這為我們揭開大自然的內在規律提供了一個非常有用的思路。

圖1 植物放射性排列圖案

在植物生長的過程中，它會不斷地擴展其外殼邊緣，一旦形成發育圖形，新的圖形就會在原有的圖形基礎上不斷擴張。黃金角度可以使原始基體更緊密地排列在一起， 從而通過最優化的組織達到光合作用效率的最大化， 并最有效地利用植物自身材料，使其在與其他植物的競爭中獲得優勢。

黃金角度的大小實際上是由太陽光和植物自身生長發育共同影響而產生的，旨在最大化生長空間。 科學家通過用計算機模擬原基生長的動態過程， 證實了黃金角度的重要性以及其與斐波那契數列之間的關系。 最簡單的描述方法是，將斐波那契數列中相鄰的兩個數字相除，構成3/5、5/8、8/13 等數，用這些數表示圓弧度數，最后會趨近于222.5°。 而黃金角137.5°的補角，正是222.5°。 這就解釋了為什么黃金角度與斐波那契數列密切相關。 在植物的生長過程中，需要用葉子進行光合作用。 葉子、花瓣、花萼等，在植物莖稈上生長出來的地方，就是原基。而這些原基生長的角度，恰恰就是黃金角——137.5°。也就是說，在植物的生長過程中，會不斷有新的原基產生。 如果新的原基需要擠占舊原基的位置， 那么這兩個原基就會按照137.5°的夾角進行生長。 原基的幾何結構與斐波那契數列有關，這也是為什么很多花的花瓣數受斐波那契數列的支配。 在斐波那契數列原理作用下的黃金角， 保證了每個原基上長出的葉片、花和蕊都能夠獲得最大的生長空間，葉片會獲得充足的陽光，花瓣和花蕊能夠有充分的空間來吸引昆蟲傳粉，使得植物獲得最大化的生長空間。

4 樹狀鋼柱的設計（Br anchi ng）

倫敦國王十字車站是英國最繁忙的火車站之一， 每天有數以萬計的乘客在這里出入。 對這座歷史建筑進行改造后，完全保留了其歷史風貌， 被認為是近年來最成功的大型歷史建筑改造工程之一。 設計師采用了斐波那契數列中的幾組數字，使新設計部分的平面布局呈現完全對稱的半圓形。 車站廣場頂部為拱形，最高約20 m，長度達150 m（見圖2）。 車站入口從西廣場的最南端貫通到最北端， 是歐洲最大的單跨式結構體，面積達到了4 500 m2。 16 條樹狀鋼柱向四周發散，西廣場與舊車站的墻面相接， 仍然可以看到舊車站所有的磚體和砌體結構。 該站的結構設計由奧雅納公司（ARUP）完成，建筑設計由約翰·麥卡蘭建筑事務所（John McAslan+Partners）完成。如此大規模的交通樞紐建筑， 需要巧妙設計才能滿足車站建筑的功能需求和安全要求。

圖2 倫敦國王十字車站廣場頂部

倫敦國王十字車站的主屋頂是由鋼桁架梁支撐而成，這種結構與植物的藤蔓系統類似（見圖3）。仿生學的啟示告訴我們，藤蔓系統的形態是基于機械穩定性和負載均衡原則的。 同樣，鋼桁架梁支撐的屋頂也是遵循了這些原則，保證了建筑結構的穩定性[2]。

圖3 國王十字車站大廳結構骨架

整個建筑的設計從結構開始， 呈現出一種打開的樹狀大傘形態（見圖4），在地面上生長并向上延伸到空中。 所以整個新建建筑看上去非常輕盈飄逸， 通過大小不同的三角塊的組合，精確地構建了空間，既具有優雅自然的形式美感，又具有模塊化和重復性的結構，方便制造和安裝。

圖4 國王十字車站大廳結構骨架

支撐結構覆蓋了需要設計的半圓形空間。 空間被一張網包裹，整個斜肋構架結構看起來像一個可欣賞的雕塑構件，它把力的傳遞過程一步步展現給了大眾。 這種結構的受力過程成了美學符號，或者說是美學的過程。 運用大自然中最小作用量的原則，將受力通過計算形成一個整體。 它與歷史保護建筑形成了對比， 剛硬挺拔雄偉的保護建筑和鋼結構玻璃所組成的輕盈的擴建部分相得益彰，形成了一個很美的整體。

最上層的圍護結構是由玻璃幕墻和鋁板幕墻構成的整體，它被架在支撐結構之上，與支撐結構相分離。 支撐結構逐步分解重力，最終傳遞到地面。 這個傳遞過程實際上是將重力分解并可視覺化，把大自然中不可見的力進行傳遞和流動，單獨抽列出來而形成了建筑結構，就像植物經脈一樣的組織，并把它展現出來。 所以，這里所呈現的美是建筑自然生成過程中的合理、 必然的結果——合理性是第一位的， 美學是第二位的。 設計師只是把這兩者完美地結合在一起了。

此外，倫敦國王十字車站還采用了多層次的空間設計，這也是仿生學原理的體現。 仿生學認為，生物體內部的結構很少是單一的，而是多層次的。 在建筑設計中，多層次設計可以提供更多的功能、更大的靈活性和更高的效率。 倫敦國王十字車站利用多層次結構來容納不同的功能區域，如售票廳、候車室和商店，以及連接這些區域的連廊和樓梯。 這種設計使得乘客能夠更方便地進行換乘，并且有助于管理人流量。 二層新建連廊采用曲線形狀，將周邊的商業與火車站空間連接起來，制冷制暖設備等功能性設施也被放置于此， 解決了大空間設備的隱藏問題。

建筑師們對自然形態和數學關系進行研究發現， 許多設計可以把自然作為形式和邏輯的來源。 在這個過程中，可以通過數學規律或者方程式來尋找合理的構造學、 類型學和建造方法，從而產生創新思路。 這種設計方法不僅能夠提高建筑的性能與美觀程度，也能夠保證其與自然環境充分融合，實現最佳的可持續發展效果。

5 結語

倫敦國王十字車站的設計是一個舊站改造項目， 新與舊的對話、融合，讓這座著名的車站煥發新生。 新的改造設計既保留了車站原有的古典元素，又蘊含了當代的建筑技術，呈現出時尚與律動的美感。 歸根結底，它體現了數與形結合之后的“力的流動之美”。