建筑设计与城市规划中的蜂巢结构

梁 爽，胡福良

（1.浙江大学建筑工程学院城乡规划专业1901 班，浙江 杭州 310058；2.浙江大学动物科学学院，浙江 杭州 310058）

从古至今，人们就知道从自然界中汲取各种工程原理和技术思想的灵感源泉，各个种类的生物经过大自然长期的磨砺和挑选，可以适应环境的变化，在严酷的考验中生存下来。从建筑方面来讲，人类从古代的穴居、巢居，到现在的高层住宅、公共建筑，从乡村的出现到特大城市布局的发展都或多或少通过仿生学的不断参考借鉴发展形成的。而被称为“大自然的建筑师”的蜜蜂，便自然在这其中占据了一个重要的位置。世界上许许多多的设计师对蜂巢都有十分浓厚的兴趣，赖特非常热衷于蜂巢的六边形格子图案,英国建筑师Thomas Heatherwick 设计的纽约地标式建筑Vessel，中国设计师祝晓蜂设计的上海华东师范大学附属双语幼儿园是由许多六边形格子图案组成的蜂巢形校舍……从这些例子中可以看出建筑学家们在大自然的建筑师蜜蜂筑造的精巧蜂巢中得到了许多的思路。在宏观角度，蜂巢状网路的城市规划自19 世纪末以来就受到了不少城市规划师的关注。在西方城市改良运动过程中，规划史上的著名人物如帕克、霍华德、科雄、格迪斯等人都为蜂巢式城市规划做出过贡献，由此可以看出蜂巢规划理论在西方现代城市规划发展过程中的重要地位[2]。

1 蜂巢结构

蜂巢是由巢脾构成的，每张巢脾又是由大量六边形的巢房共用边角连接而成的，这样连续的六边形叫做蜂窝结构。构筑蜂巢的材料是蜂蜡，蜂蜡是工蜂腹部下面4 对蜡腺分泌的，它的成分主要是高级脂肪酸和一元醇合成的酯。蜂巢中不同位置和规格的巢房分别有不同的功能，位于底部的王台是用来培育蜂王，工蜂房和雄蜂房也是被区分开来的。巢房底面为3 个菱形面，有效地起到互相支撑的作用，防止巢房底破裂。王台呈一种圆筒形中间略微凹陷的形状，基本上分布在巢脾的边角和底部。巢房刚好一半相互错开，两面的巢房方向都是朝上的，且共用边共用底。每个六边形都被相同的6 个六边形从每条边的方向包围住，它们共用一边来节省材料，同时从一点延伸出的3条边又能提高强度。研究表明，蜜蜂巢房的六边形结构有起源于圆形结构的可能性。因为蜂蜡具有很高的可塑性，40℃左右就可达到固液共存的状态，而蜜蜂平时的聚集和活动使蜂巢的温度保持在一个较高的水平，因此蜂蜡可以通过缓慢流动来达到边边相对的平衡状态，这也从另一个角度说明了六边形在蜂巢中达到的平衡与稳定性。表1 列举了几种几何图形的几何特性，从中可以看出六边形优越的面积周长比和弥合性[3]。

表1 圆形及其内接等边形的几何特性比较（以圆形的半径长度为1 计算）

2 蜂巢对建筑设计的参考价值

蜂巢的全等六边形组合的结构具有优越的面积材料比，组合形式，砌块组合造型。正六角形的建筑结构具有最高的密合度，最小的材料空间比，其致密的结构，各方受力大小均等，且容易将受力分散，所能承受的冲击也比其他结构大[4]。蜂巢轻质墙体结构与自承重结构体系（图1）就是利用了蜂巢的这种稳定特性，这是一种“面板—纸蜂巢—中间面板—纸蜂巢—面板”结构，形成了目前市场很广的复合型板材。

运用蜂巢的这种结构建造的建筑不仅可以节约资源，降低成本，也丰富了建筑景观的美学形态。阿恩海姆在其论著《艺术与视知学》中论述到“六角形或半六角形式样在某些风格的建筑艺术中被大量使用，在这种式样中，那倾斜的面从正面看上去展示出一种十分清晰的三度特征，这是一个立方体形式所望尘莫及的”[5]。六边形没有圆形那么柔和模糊，也不像矩形那么坚硬刚强。它融合了两者，一定程度上缓解了视觉和心理上的紧迫感，又给人一种简洁现代的感觉。更重要的是，在建筑设计中，六边形的六条边可以拥有比传统四边形建筑更加丰富多样的组合方式和造型结构。六面墙壁可以带来多样的空间感、结构感和层次感，同时120°比90°更优越，可以削弱转角处带来的转折感，使建筑更加灵活。按照物理学家高木隆司提出的正三角形1/2 边长与高之比为白金比这一说法，六边形中蕴藏着美丽的比例关系[6]。

从室内采光采景角度来看，蜂房状的3 个向量使建筑的立面多了一个有别于非明即暗的正交立面之外的灰度面，更多的面使每个房间都能均匀地沐浴到阳光，对于一些朝向大海或湖面的建筑，六边形可以增加优美风景的视觉面数量，且体块之间可以围合成更多的较为封闭的户外空间。

在过去，技术限制了蜂巢建筑的发展，但在这个参数化设计在建筑领域逐渐流行的阶段，蜂巢因为拥有连续性差异变化特征而在建筑领域变得流行，各种算法的优化让复杂形体的设计变得容易。如今大体量建筑中建筑外在表现形式和建筑之间的复杂关系组成都逐渐得到了新的解决办法。

3 蜂巢结构在建筑中的实际案例分析

优良的结构形式是现代建筑工程追求的目标，世界上有许多以蜂巢为原型的优秀建筑作品。下面笔者挑选了2 个经典的以蜂巢为元素的建筑设计进行分析。

3.1 汉娜住宅——蜂巢空间

图1 汉娜住宅的室外照片和室内渲染

位于斯坦福大学边上的汉娜住宅（图1）人们被称为“蜂巢住宅”（Honeycomb house），因为它的平面是以六边形为基本的母体，也就是说房子中的转角都是60°或120°，为了能够与特殊的墙角角度相适应，汉娜住宅的家具采用的是定制的嵌入式家具，包括房间内部的地砖、室外庭院的铺砌和景观的设计也都是以六边形为母体。汉娜住宅有很多扇可以任意开启的六边形折叠式玻璃窗，朝向室内车库和外面的院子，连接着卧室、起居室、书房，既让室内空间在闭合与开放之间容易转换，又使室内和外界的自然环境可以很自然地连接。墙面角度的变化形成了空间及功能区域的明确划分，使各个房间既保持了私密，又不会对整体空间的流畅性形成障碍。此外，建筑中部的屋顶还因为有局部高起的侧窗而使住宅拥有了充足的采光，而高低变化的“蜂巢”天花板则使得室内空间更有节奏感和层次感。人先要从幽深低矮的车棚下穿过，再经过狭窄的入口，方能看到一个高高凸起、带天窗的六边形前厅，这种强烈对比的心理感受给人带来了与众不同的体验。

3.2 新加坡Von Shenton 大厦——“蜂巢”幕墙

Von Shenton 大厦（图2）的双塔分别有23 层和53 层楼高，分别承担了办公和居住的用途。办公楼与住宅楼除了形态相同，外立面的图案也是从同一组图样，即蜂巢衍生出来的，整齐有序的蜂巢图案使2 座大楼更加统一，增加了建筑的节奏感和整体性。大楼墙体大面积采用六边形玻璃。大厦在边侧设有通风槽，这些通风槽由外立面玻璃幕墙覆盖，带有开口使空气流通，在住宅大楼上形成连续、不间断的六边形立面图案形成蜂巢状，底部、中部和顶部分别设有洞口大小不一的“蜂巢”，营造出不规则感，模拟蜂巢中巢脾、王台、蜜脾、工蜂房和雄蜂房之间不同的尺寸和形状。设计师利用其角度、遮亮度应对新加坡的热带气候，使玻璃幕墙功能发挥到最好。同时因为蜂巢结构的稳定性，“蜂巢”幕墙结构既是建筑的外装饰面，也是建筑结构的受力部分，这样室内的支撑柱就可以得到一部分的削减，使室内空间获得更大的灵活性。暗示了现代人们居住的形态终究会回归到大自然的生物运作。

图2 Von Shenton 大厦外立面

以上2 个例子是蜂巢在建筑上典型的应用类型，汉娜住宅主要利用了蜂巢的空间构型优势，类似的例子还有法国的Abeilles、丹麦的Roskide 穹顶等。新加坡Von Shenton 大厦则主要是在外立面幕墙方面利用了蜂巢的结构与力学优势，类似的应用还出现在墨西哥城的曲线蜂巢建筑Soumaya 博物馆以及冰岛的Harpa 音乐厅等。在这2 块主要发展方向上，蜂巢建筑都有一个共同特点就是兼顾美观和实用。

既然蜂巢建筑拥有上述提及的种种优势，为什么在我们生活中却很少看到以蜂巢为原型设计的建筑呢？笔者将其归结为3 个方面，第一是施工难度，相比传统的矩形建筑，蜂巢建筑的设计与施工更具难度，在施工中，建造120°角的难度高于直角，有时候垂直关系在建筑学之中相比六边形更好安排，因为六边形的构造如果不精心安排可能适得其反，给人一种视觉上的凌乱感。第二是后期发展方面，从宏观角度来看，蜂巢建筑与周围建筑的融合与协调可能更难。从城市规划的角度，世界各地城市的发展与规划基本上都离不开网格，街道和方形街区的垂直排布与人流的集散方式决定了建筑体块之间的排布趋势是向横竖方向延伸的。另外方形的街区更能给人一种视觉上的整齐，也方便街区与街区之间的合并和交通的设计。

第三点是于第二点的延伸，对于建筑林立的商业区和住宅区，在一个都是矩形体块与空间趋势的环境中插入一个蜂巢式不规则体块会打乱城市的协调性，从而很难使建筑和周围的环境有序地协调融合。而对于相对开放的广场空间，具有地标性的蜂巢建筑一般不做办公或居住用途，其观赏性大于实用性，如美国纽约广场的地标性建筑the Vessel（图3），建筑全部由楼梯上下交错组成，作为商业综合体的观赏部分。

图3 纽约广场的地标性建筑the Vessel

从上文的分析可以看出对于蜂巢的利用，外立面的剖向设计似乎比整体空间的纵向利用更加可行。这也是实际应用中外立面采用蜂巢结构的建筑比顶视图为蜂巢结构的建筑多得多的原因。

从总结出的3 点来看，随着现代技术的发展，蜂巢这种具有高度重复性的图案变得越来越容易被复制。在以蜂巢为原型的建筑不断产生不断获得好评的背景下，会有更多与蜂巢结合的优秀建筑方案涌现，打破传统建筑框架，为建筑带来更多的现代感和设计感，发挥蜂巢作为一种建筑结构的优势，使城市形态得到优化，提升我们城市的形象。

4 蜂巢结构对城市规划的参考价值

除了建筑上的应用，实际上，作为一个更为宏观的概念，城市规划中对蜂巢的应用还要早得多。

蜂巢结构的城市布局是对网格结构布局的发展与改良，它将社会结构和现代技术合二为一，利用对角线作为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维也纳工程师米勒提出了蜂巢形城市改造方案，他用六边形单元扩建了现有的城市，连接2 个不同的城区。同时，蜂巢城市结构对城市水道系统来说也是最经济的形式，他能在同样条件下实现“最少的消防栓数量和最短的供水干管长度”[8]。在交通方面，因为街道的数量与交汇点的增多，街道无需太宽即可解决通勤，从安全与便利角度分析，120°的交角可以给驾驶员带来更好的视野，蜂巢城市改造方案是以六边形单元扩建现有城市或连接2 部分城区。此外，六边形城市道路的每个路口因不存在直行方向车辆的干扰，所以右转可以不必减速，使日常生活的通勤效率更高。图4 表明了六边形路网的三岔路口与格网形路网十字路口交通流线中可能碰撞的交点数目比较[9]。

图4 蜂巢结构运用于街道

另外，六边形造成的斜角和连续弯曲可以创造更加美观生动的街景，在必要的时候可以划分出三角形的开放区域作为人员集散的场所。这样的布置还可以避免建筑面对面的布置，提高视野的开阔程度。

蜂巢的内聚效应对城市规划也有许多的参考价值，蜂巢的内聚效应就是指每一个蜂室都是相对独立的，并且对于蜂室里面的幼虫它又是一个完整的生存单元。同时和建筑一样，六边形的形态最大化地利用了城市内部围合空间以及与外部衔接的空间。在现在生态城市的建设中，以复层植被风景林带围合的边界，通过自身的小气候效应、绿化渗透效应对中心城市生活区域形成稳定的内压渗透作用，效仿蜂巢营造出若干环环相扣的生态圈体系，最终形成市域范围内的大型生态城市体系[10]。

5 结语

不论是在建筑设计尺度还是城市规划尺度，蜂巢的形态特点都有我们值得借鉴的地方，蜂巢的结构强度和材料体积比，以及它高度的复制性和无限延伸性等为建筑师和规划师们提供了无限的灵感和想象。虽然蜂巢的相关衍生理论有很多，但是目前真正的实践却仍然没有得到普及，认真研究蜂巢结构，对帮助我们更好地了解这一结构，为建筑设计和城市规划提供一个新的思路无疑有很大的意义。