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摘要：文章简要总结了近代自然结构的研究历史，并且分析总结了自然结构的理论发展与研究过程，以及其运用于设计的诸多可能性，因其理论着重强调对能量结构系统进行优化处理，故以其增加对设计在功能组织、形态设计问题解决的可能性。
关键词：自然结构 建筑设计
自然结构是指针对在自然界中生长的物体，其整体形成的组成部-分，用以保持物体的形态及使用功能，以抵抗外力的破坏，是物体构造的主要部分。设计中自然结构的应用，是人类主观能动性作用于自然的结果，人们通过观察与分析自然结构组织，学习并应用于日常的生产生活中，改善、提高生活品质。所以说自然结构与人们生产生活中的人造物有着非凡的关系。
在自然结构设计中，不仅是模仿大自然外部的组织结构，而且要学习与借鉴他们自身内部的组织方式与运行模式。大自然中存在世间的每一种自然形态都有自身巧妙的独特的结构，许多的动物、植物在漫长的进化与演变的过程中，会形成一种更为实用而合理的、完整的形态结构与功能，以逐渐形成了适应自然界变化的本领，这些结构的形成都与其生存的环境、生活的习惯密切相联。然而，如果你稍加留意，便会发现我们周围许多的建筑的结构形式，大多数来源于对植物、动物结构的模仿。“许多以前认为不合实际的、稀奇的、与生物关联的哪些自由形式将使建筑艺术更加丰富多彩”。
在自然结构设计中，先进的工程师们再近十几年来已取得非凡的成就，如在1947—1949年，意大利结构工程师奈尔维和建筑师巴托利（Nervi and Bartoli）设计的意大利都灵展览馆的巨型拱顶的创作灵感就是来源于叶脉肌理的组成方式而建造起来的，并且在1957年，奈尔维和维特罗西（A.Vitelozzi）建造的罗马奥运会小体育宫内部采用的钢筋混凝土网络的结构系统，就是受葵花排列结构的启友，不仅用材经济，受力合理，而且同时达到了内部装饰新颖的效果，小体育宫的外部则从人类腿骨的受力分析中得到启示，创造了一圈Y形支撑体系，使得空间结构与建筑艺术形式的虚实结合达到了完美的统一。美国结构工程师巴克明斯特，富勒是也是一位从自然中获得灵感的工程师，他从自然中的结晶体与蜂窝的菱形结构中获得启示，创造了一系列惊人的大空间结构作品，如1958年，在美国巴图鲁日（Baton Rouge，LA）建造的联合油罐车公司的巨大穹顶；1967年与塞道（Sadao）一起建造的加拿大蒙特利尔国际博览会的美国馆（图1），他可能是受到了一中深海鱼类的网状骨骼和放射虫的组织结构（图2）的影响。纽约环球航空公司航站楼不仅是外形设计源于自然，而且它的建筑设计师埃罗，萨里宁还和威廉·加德纳（William Gardner）在结构的建造上采用四瓣组合式薄壳，四瓣鲍克则是由下不得Y形柱支撑，这与人的头盖骨的拼合极为形似。
其实，在建筑师中也并不缺少在自然结构设计上应用的例子，如1931年勒·柯布西耶建造的萨伏伊别墅（Villa Savoye）中，他大量的使用的鸡腿柱和框架悬挑结构系统无疑是从动物腿骨支撑所受到的启示，就是对这种结构系统的体现，至今仍被人们所称颂。为人们所熟知的建筑大师赖特，在1950年设计建造的威斯康星州约翰逊制蜡公司实验楼（Helio Laboratory and Researeh Tower，Racine，Wisc，）就是仿树状结构特点，把主要承重结构放在建筑中心，四周楼板悬挑形成幕墙，进而产生了新颖奇妙的建筑艺术效果。
除此之外，年轻的西班牙建筑史圣地亚哥，卡拉特拉瓦（Santiago Calatrava）也在自然结构设计中占有不可忽视的地位，他以自然结构为灵感来源进行设计并创造出许许多多让人感叹的建筑作品和家具产品，一直被人们所喜爱。他曾在西班牙的巴伦西亚的建筑学专业学习，后入瑞士苏黎世大学土木系学习结构工程，并且在1981年获得该校建筑系技术科学博士学位。他的博士论文题目是《论空间结构的可折叠性》，他通过这个研究来回答怎样才能设计出复杂的结构，确切的说是框架结构，这种结构能够移动，从而能够变形，也就是从一种形状变成另一种形状而不是改变各部分连接在一起的方式。他以“空间结构的可折叠性”为设计的理论基础，并结合自然生物的奇妙结构展开了折叠结构于仿生结构的实践，他观察狗的骨架和腿的活动支撑，在1983年建造了瑞士卢塞恩市邮局前的大雨棚。在1986—1987年，他在巴塞尔市改建一座中世纪古建筑的改建中，将咖啡厅上的天花钢梁架做成仿动物骨架的自由曲线，即有着强烈的视觉冲击力的同时，同时又是一种大胆的尝试。从此以后，他在1987年为加拿大多伦多建造的BCE商业街（图3、图4），创造性地模仿了树干分叉的生长机理，设计了两遍支柱与頂的弧形肋架，取得了超凡的艺术效果。他在1992年西班牙塞利维亚国际博览会设计的科威特展览馆，其屋顶是可自由开始、关闭的结构，模拟着动物关节的自由运动。在夜间，屋顶肋架会敞开，在下面平台上便可举行各种露天活动，它在结构与功能有机结合的同时，还带给人们无限的遐想。1989—1993年他为法国里昂塞托拉斯机场（Satolas Airport）附近的铁路车站设计建造中，完全应用了动物骨架结构原理，造型新颖的同时，叉能节省材料的使用，令人刮目相看。此外，他在2001年设计的密尔沃基美术馆，在仿生静态动物的同时，融入了“动”的元素，它具有洁白色的外观和别致的造型，犹如一只洁白的鸟，自由的飞翔在密执安湖畔。
同时人类探索自然结构的过程中，也产生了许多新的理论概念，而这一切的起因，是因查理·罗伯特·达尔文（Charles Robert Datwin）开启了这一路线：这位英国的生物学家在《物种起源》中提出自然进化的理论，认为偶然性是生物构造的关键——同一物种的个体形态可能会偶然产生一些差异，通过长时间的发展，那些能适应环境的个体被自然选择留下来，而其他的则无法获得繁殖后代的机会而被淘汰。1917年，达西·汤普森（D’Arcy wentworth）在其著作《生长与形态》中，对大量自然生物进行了对比，还对物理现象与工程师地作品进行了对比，他用几何学的眼光观察世界，在他看来，自然结构的形成就是受到物理力学的作用限制的结果。 因此，我们可以得出这样的结论——自然生物结构形态的秘密可能就隐藏在它们生长过程之中。它们的优异结构形态特征也许只是为了适应大自环境，从而进行不断的调整自身机制的结果。结构不是通过分裂形成的，而是通过建构和优化形成的。任何自然系统的整体结构都不是被预先设计好的，而是通过结构内部由小到大的环节之间逐步发生大量的局部相互作用而逐渐形成的。所以在自然结构设计中，不仅要学习与模仿大自然外部的结构，更要深入研究他们自身内部的组织方式与变化机制。人类的智慧来源于自然，并且一直将自然界当作示范，努力塑造环境以适合自身的需要。如埃罗·沙里宁，它们极具自身的建筑创作能力和空间想象力构思结构形态设计，并将结构形态的特征与建筑整体的特征贯穿和统一。它们知识结构的共同特点就是对结构概念的深入理解和灵活运用，作为建筑师，他们主导着设计与创新的全过程，决定了结构的形态。纽约肯尼迪机场候机楼就是这类建筑师的创作杰作之一，如同大鸟一般充满想象力的结构形态，给人以强烈的雕塑感和有机感，其两翼壳体结构的悬挑使形态的整体更富张力。同时还有一类人，他们通过对结构体系的严密思考，针对结构形态进行创新研究、实验和计算，同时他们乐于主动在结构体系上、结构的形态上和结构概念的理解上寻找突破点，敢于深入结构领域的前沿，探寻结构形态创新的途径。如巴克明斯特·富勒的富勒球体模型与张力结构、盖勒的穹顶体系、奥托的树形結构与悬挂结构、奈尔维的V行支座结构以及贝尔蒙德的Informal结构思想等等。
自然结构不仅仅把自然界的信息传递给人类，更启蒙了人类的智慧，引导人类迈出创造性的第一步。设计融合自然结构是通过对生物体的特殊结构的分析与研究，如纤维、植物的茎秆、动物的骨骼组织，进而运用到设计中，是结构创新的重要途径。从_滴水珠看到了其抛物线性的曲面的张力；通过蛋壳发现了薄壁高强的性能；从一片树叶的叶脉发现了其交叉网状的支撑组织肌理以及将蜘蛛网的结构体系运用到索膜结构中，将蜂巢开发成蜂窝结构运用到飞机制造上等等，这些对建筑结构的创新设计都是十分有益的启示。尤其是动物的巢穴更是建筑仿生学主要的研究对象之一。对于动物来说，它们的巢穴也就是动物界地建筑物，担负着避风挡雨、储存食物、繁衍后代的功能，这些巢穴都有着有两的物理性能，对建筑材料的利用也是十分到位和节省，所以它们利用天然的材料造出的“房子”是真正意义上的可持续发展建筑。蜘蛛网就是利用纤维体的受拉特征而建造“房屋”，蜘蛛把网用辐分成若干等分扇形，每对相邻的辐所交成的角度都是相等的，蜘蛛通过它独特的织网方式将纤维结构的受拉特征充分发挥，使整个网呈现巨大的张力。人们将蜘蛛网的建造原理运用到建筑结构设计中，产生了索膜结构，值得一提的是德国建筑师奥托是该领域的佼佼者，但与富勒、奈尔维所不同的是，奥托开展他的研究注重从自然中，而不是从纯技术中寻求灵感。在他眼中，技术只是—种工具，建筑艺术的目的不是为了炫耀技术，而是更好的表现自然。
自然结构设计同时也是多方面、综合性的，同时也暗示着人们必须遵循和注意大自然的规律，它告诉我们设计更加要注意环境生态、经济效益与形式新颖的有机结合，这就要求人们在学习和发挥新科技的同时，更要注意观察、理解自然，从自然中汲取一切有用的因素作为创作灵感来源，把自然因素与现代科技相融合为现代建筑创新服务。在设计建造过程中，要充分学习发挥自然生物体节约、美观的优秀品质和内部存在的动力机制，使得建筑在拥有形式上创新的同时更能节约材料应用，并与自然环境相协调、统一。
关键词：自然结构 建筑设计
自然结构是指针对在自然界中生长的物体，其整体形成的组成部-分，用以保持物体的形态及使用功能，以抵抗外力的破坏，是物体构造的主要部分。设计中自然结构的应用，是人类主观能动性作用于自然的结果，人们通过观察与分析自然结构组织，学习并应用于日常的生产生活中，改善、提高生活品质。所以说自然结构与人们生产生活中的人造物有着非凡的关系。
在自然结构设计中，不仅是模仿大自然外部的组织结构，而且要学习与借鉴他们自身内部的组织方式与运行模式。大自然中存在世间的每一种自然形态都有自身巧妙的独特的结构，许多的动物、植物在漫长的进化与演变的过程中，会形成一种更为实用而合理的、完整的形态结构与功能，以逐渐形成了适应自然界变化的本领，这些结构的形成都与其生存的环境、生活的习惯密切相联。然而，如果你稍加留意，便会发现我们周围许多的建筑的结构形式，大多数来源于对植物、动物结构的模仿。“许多以前认为不合实际的、稀奇的、与生物关联的哪些自由形式将使建筑艺术更加丰富多彩”。
在自然结构设计中，先进的工程师们再近十几年来已取得非凡的成就，如在1947—1949年，意大利结构工程师奈尔维和建筑师巴托利（Nervi and Bartoli）设计的意大利都灵展览馆的巨型拱顶的创作灵感就是来源于叶脉肌理的组成方式而建造起来的，并且在1957年，奈尔维和维特罗西（A.Vitelozzi）建造的罗马奥运会小体育宫内部采用的钢筋混凝土网络的结构系统，就是受葵花排列结构的启友，不仅用材经济，受力合理，而且同时达到了内部装饰新颖的效果，小体育宫的外部则从人类腿骨的受力分析中得到启示，创造了一圈Y形支撑体系，使得空间结构与建筑艺术形式的虚实结合达到了完美的统一。美国结构工程师巴克明斯特，富勒是也是一位从自然中获得灵感的工程师，他从自然中的结晶体与蜂窝的菱形结构中获得启示，创造了一系列惊人的大空间结构作品，如1958年，在美国巴图鲁日（Baton Rouge，LA）建造的联合油罐车公司的巨大穹顶；1967年与塞道（Sadao）一起建造的加拿大蒙特利尔国际博览会的美国馆（图1），他可能是受到了一中深海鱼类的网状骨骼和放射虫的组织结构（图2）的影响。纽约环球航空公司航站楼不仅是外形设计源于自然，而且它的建筑设计师埃罗，萨里宁还和威廉·加德纳（William Gardner）在结构的建造上采用四瓣组合式薄壳，四瓣鲍克则是由下不得Y形柱支撑，这与人的头盖骨的拼合极为形似。
其实，在建筑师中也并不缺少在自然结构设计上应用的例子，如1931年勒·柯布西耶建造的萨伏伊别墅（Villa Savoye）中，他大量的使用的鸡腿柱和框架悬挑结构系统无疑是从动物腿骨支撑所受到的启示，就是对这种结构系统的体现，至今仍被人们所称颂。为人们所熟知的建筑大师赖特，在1950年设计建造的威斯康星州约翰逊制蜡公司实验楼（Helio Laboratory and Researeh Tower，Racine，Wisc，）就是仿树状结构特点，把主要承重结构放在建筑中心，四周楼板悬挑形成幕墙，进而产生了新颖奇妙的建筑艺术效果。
除此之外，年轻的西班牙建筑史圣地亚哥，卡拉特拉瓦（Santiago Calatrava）也在自然结构设计中占有不可忽视的地位，他以自然结构为灵感来源进行设计并创造出许许多多让人感叹的建筑作品和家具产品，一直被人们所喜爱。他曾在西班牙的巴伦西亚的建筑学专业学习，后入瑞士苏黎世大学土木系学习结构工程，并且在1981年获得该校建筑系技术科学博士学位。他的博士论文题目是《论空间结构的可折叠性》，他通过这个研究来回答怎样才能设计出复杂的结构，确切的说是框架结构，这种结构能够移动，从而能够变形，也就是从一种形状变成另一种形状而不是改变各部分连接在一起的方式。他以“空间结构的可折叠性”为设计的理论基础，并结合自然生物的奇妙结构展开了折叠结构于仿生结构的实践，他观察狗的骨架和腿的活动支撑，在1983年建造了瑞士卢塞恩市邮局前的大雨棚。在1986—1987年，他在巴塞尔市改建一座中世纪古建筑的改建中，将咖啡厅上的天花钢梁架做成仿动物骨架的自由曲线，即有着强烈的视觉冲击力的同时，同时又是一种大胆的尝试。从此以后，他在1987年为加拿大多伦多建造的BCE商业街（图3、图4），创造性地模仿了树干分叉的生长机理，设计了两遍支柱与頂的弧形肋架，取得了超凡的艺术效果。他在1992年西班牙塞利维亚国际博览会设计的科威特展览馆，其屋顶是可自由开始、关闭的结构，模拟着动物关节的自由运动。在夜间，屋顶肋架会敞开，在下面平台上便可举行各种露天活动，它在结构与功能有机结合的同时，还带给人们无限的遐想。1989—1993年他为法国里昂塞托拉斯机场（Satolas Airport）附近的铁路车站设计建造中，完全应用了动物骨架结构原理，造型新颖的同时，叉能节省材料的使用，令人刮目相看。此外，他在2001年设计的密尔沃基美术馆，在仿生静态动物的同时，融入了“动”的元素，它具有洁白色的外观和别致的造型，犹如一只洁白的鸟，自由的飞翔在密执安湖畔。
同时人类探索自然结构的过程中，也产生了许多新的理论概念，而这一切的起因，是因查理·罗伯特·达尔文（Charles Robert Datwin）开启了这一路线：这位英国的生物学家在《物种起源》中提出自然进化的理论，认为偶然性是生物构造的关键——同一物种的个体形态可能会偶然产生一些差异，通过长时间的发展，那些能适应环境的个体被自然选择留下来，而其他的则无法获得繁殖后代的机会而被淘汰。1917年，达西·汤普森（D’Arcy wentworth）在其著作《生长与形态》中，对大量自然生物进行了对比，还对物理现象与工程师地作品进行了对比，他用几何学的眼光观察世界，在他看来，自然结构的形成就是受到物理力学的作用限制的结果。 因此，我们可以得出这样的结论——自然生物结构形态的秘密可能就隐藏在它们生长过程之中。它们的优异结构形态特征也许只是为了适应大自环境，从而进行不断的调整自身机制的结果。结构不是通过分裂形成的，而是通过建构和优化形成的。任何自然系统的整体结构都不是被预先设计好的，而是通过结构内部由小到大的环节之间逐步发生大量的局部相互作用而逐渐形成的。所以在自然结构设计中，不仅要学习与模仿大自然外部的结构，更要深入研究他们自身内部的组织方式与变化机制。人类的智慧来源于自然，并且一直将自然界当作示范，努力塑造环境以适合自身的需要。如埃罗·沙里宁，它们极具自身的建筑创作能力和空间想象力构思结构形态设计，并将结构形态的特征与建筑整体的特征贯穿和统一。它们知识结构的共同特点就是对结构概念的深入理解和灵活运用，作为建筑师，他们主导着设计与创新的全过程，决定了结构的形态。纽约肯尼迪机场候机楼就是这类建筑师的创作杰作之一，如同大鸟一般充满想象力的结构形态，给人以强烈的雕塑感和有机感，其两翼壳体结构的悬挑使形态的整体更富张力。同时还有一类人，他们通过对结构体系的严密思考，针对结构形态进行创新研究、实验和计算，同时他们乐于主动在结构体系上、结构的形态上和结构概念的理解上寻找突破点，敢于深入结构领域的前沿，探寻结构形态创新的途径。如巴克明斯特·富勒的富勒球体模型与张力结构、盖勒的穹顶体系、奥托的树形結构与悬挂结构、奈尔维的V行支座结构以及贝尔蒙德的Informal结构思想等等。
自然结构不仅仅把自然界的信息传递给人类，更启蒙了人类的智慧，引导人类迈出创造性的第一步。设计融合自然结构是通过对生物体的特殊结构的分析与研究，如纤维、植物的茎秆、动物的骨骼组织，进而运用到设计中，是结构创新的重要途径。从_滴水珠看到了其抛物线性的曲面的张力；通过蛋壳发现了薄壁高强的性能；从一片树叶的叶脉发现了其交叉网状的支撑组织肌理以及将蜘蛛网的结构体系运用到索膜结构中，将蜂巢开发成蜂窝结构运用到飞机制造上等等，这些对建筑结构的创新设计都是十分有益的启示。尤其是动物的巢穴更是建筑仿生学主要的研究对象之一。对于动物来说，它们的巢穴也就是动物界地建筑物，担负着避风挡雨、储存食物、繁衍后代的功能，这些巢穴都有着有两的物理性能，对建筑材料的利用也是十分到位和节省，所以它们利用天然的材料造出的“房子”是真正意义上的可持续发展建筑。蜘蛛网就是利用纤维体的受拉特征而建造“房屋”，蜘蛛把网用辐分成若干等分扇形，每对相邻的辐所交成的角度都是相等的，蜘蛛通过它独特的织网方式将纤维结构的受拉特征充分发挥，使整个网呈现巨大的张力。人们将蜘蛛网的建造原理运用到建筑结构设计中，产生了索膜结构，值得一提的是德国建筑师奥托是该领域的佼佼者，但与富勒、奈尔维所不同的是，奥托开展他的研究注重从自然中，而不是从纯技术中寻求灵感。在他眼中，技术只是—种工具，建筑艺术的目的不是为了炫耀技术，而是更好的表现自然。
自然结构设计同时也是多方面、综合性的，同时也暗示着人们必须遵循和注意大自然的规律，它告诉我们设计更加要注意环境生态、经济效益与形式新颖的有机结合，这就要求人们在学习和发挥新科技的同时，更要注意观察、理解自然，从自然中汲取一切有用的因素作为创作灵感来源，把自然因素与现代科技相融合为现代建筑创新服务。在设计建造过程中，要充分学习发挥自然生物体节约、美观的优秀品质和内部存在的动力机制，使得建筑在拥有形式上创新的同时更能节约材料应用，并与自然环境相协调、统一。