披甲猪里的仿生艺术

丁毅峰 靳铭宇

在生命漫长的发展长河中，人类通過借鉴动植物身体上的特殊构造，创造出许多奇妙的结构。比如人们从自然界的蜘蛛网中获取灵感，创造了可以实现大跨度的悬索结构;根据植物细胞的泡状结构原理，将薄膜材料进行张拉，进而实现了跨越较大空间的膜结构建筑。建筑师也从犰狳骨质甲镶嵌排列中获得了灵感，将犰狳仿生应用到了建筑中，创造出了令人惊奇壳体空间。接下来就让我们深入到犰狳的世界，开启犰狳仿生之旅。

“我”虽然内心柔软，但外表坚硬

犰狳是一种身上覆有甲片的小型哺乳动物，又称铠鼠，广泛分布在阿根廷南部到美国南部的草原和森林中。最大的巨型犰狳可以达到一头小猪的大小，而最小的只有13厘米。不同于大多数哺乳动物的全身被毛，它们引人注目的是身上的骨质甲。大多数犰狳上体两侧和四肢外侧常覆盖着骨板和麟板，构成保护躯体的盔甲，遇到危险时，它们会缩成圆球，将骨质甲朝外以保护全身。

犰狳遇到危险时，会缩成圆球，用骨质甲保护全身

犰狳的盘状外壳结构

它们的壳分三部分，前后两部分有整块不能伸缩的骨质鳞甲覆盖，中段的鳞甲成带状，这些重叠的“盾牌”覆盖着坚硬的皮肤，骨质甲深入皮肤中，通过皮肤上的褶皱与肌肉连接在一起。骨质甲可以自由伸缩，但又被柔软的皮肤隔开。尾巴和腿上也有鳞片，鳞片之间还长着毛，腹部无鳞片只有毛。

这种刚性和柔性材料交替的构造可以很大程度提高其刚度，并且像手风琴一样弯曲自如，不会像笨重的盔甲一样影响犰狳的自由活动。犰狳天然的外壳在哺乳动物中是独一无二的，被称作为盘状外壳。由于其十分坚固，犰狳又被西班牙人冠以“披甲猪”之名。

犰狳拱顶侧视图

具有美妙弧线的犰狳拱顶俯视图

犰狳有二十多种，以身上鳞片环带数目进行分类。根据盘状外壳数量的不同，它们被分类为三带犰狳、七带犰狳、九带犰狳等。常见那种最接近球形的，就是三带犰狳。犰狳对领地的要求较广，善于挖洞居住，白天呆在洞内，晚上才出来觅食。如今它们最大的天敌是汽车。由于犰狳胆子小，十分容易受到惊吓，遇到危险时会下意识地跳跃成团，因此常被汽车碾压，使得美洲的公路上常能看到犰狳的尸体。

令人惊奇的壳体空间

——犰狳拱顶

瑞士苏黎世理工学院的设计师从犰狳的盘状外壳中获得了灵感，在充分研究犰狳外壳结构后，他们使用399块楔形的石灰石构建了一个重达23吨的犰狳拱顶，完成了犰狳拱顶这件绝妙的作品。值得一提的是，整个建造过程没有用到任何胶结材料。

如何达到力的分布与实际物体的“最佳拟合”

由于展览地点是一座历史悠久的教堂，不能对教堂的任何地方造成破坏，也就意味着拱顶不能固定在地板、柱子或墙壁上。因此其边界设置有三个线性支座，另外，中间有一个支座用来承接拱顶落地的边缘。犰狳拱顶平面大致呈三角形，避开了教堂中的柱子。设计师基于功能和美学考虑，对拱顶进行调整使其符合受力特点。之后再根据受力分析拱顶水平推力的方向，使其与实际的三维拱顶相接近，即达到力的分布与实际物体的“最佳拟合”。由此得到了拱顶的初始形态与其推力分析。

如何才能让犰狳拱顶立而不倒

拱顶有了初始的形态后，需要对其分割。拱顶的分割从对石块推力面的轨迹开始。首先选择一条拱顶与地面接触的一条曲线，以此为基准来生成其他切割曲线，使每一行的重量不超过每行平均楔块允许的重量，由此便得到了一系列分割曲线。然后每条曲线生成一组与力的方向相垂直的线，便形成了分割拱顶的网格。最终将分割出的面向上凸出一定的厚度，从而生成楔形石块。

推力网格分析示意图

楔形石块的生成

构成拱顶的楔形石块在重力的作用下会对相邻的石块产生推力。为了防止石块之间出现滑动、错位导致拱顶坍塌，楔形石块之间的推力方向应与推力网络分析中的力的分布相一致，这样就可以通过楔形石块之间的挤压抵消其受到的垂直方向的力。

为了在没有任何辅助支撑的情况下保持拱顶稳定性，且能够承受压力。最终确定拱顶组成单元的石灰石最小厚度为5厘米，小于这个厚度则会因偏心力分布而使石灰石相互接触的表面破碎。出于结构稳定和美学的考虑，石灰石的厚度并不是均匀的，而是边缘较薄（约8厘米），中心线较厚（约12厘米）。

犰狳拱顶以其美妙的弧线完美展现了仿生学应用与高效结构的美感。未来，建筑学家们将通过使用基于计算机建模和计算的结构设计与形态设计，可以更加精确、更具有创造性且运用更少的资源将仿生应用到建筑中，以精巧的形式与方法建造出更加奇妙的建筑。

（责任编辑 / 陈天昊  美术编辑 / 刘伊娜）