为了建造更好的圆顶，可以借鉴蜻蜓的翅膀

新的研究表明，一些最古老、最可靠的建筑设计可以因昆虫的启发而变得更好。据一个国际团队称，一些最坚固、最可靠的圆顶天花板可以通过更紧密地模仿蜻蜓翅膀上的半不规则几何图案来建造。

圆顶和拱顶早在古罗马时期就成为建筑的主要元素，原因很简单：它们是加固建筑最经济、最有效的方式之一，同时还能释放大量的地板空间。然而，几个世纪以来，加固中使用的加强筋的布局基本保持不变。通常，它们分为两类 - 带格子天花板的筒形拱顶（长拱，内部有方形网状加强筋）或十字拱顶（肋骨以直角相交）。然而，最近，来自西班牙格林纳达大学和俄罗斯斯科尔科沃科技学院 (Skoltech) 的研究人员开始寻找可能更好的替代方案。他们的研究结果详细介绍在《薄壁结构》杂志上发表的一项研究中。

在 2023 年之前的工作基础上，该团队首先构建了五种拱顶肋条设计：传统的格子和十字形天花板、经过数学改进的迭代，以及基于蜻蜓翅膀和龟壳中最常见的几何细胞的仿生设计。在数学中，这种优化版本就是所谓的 Voronoi 图。

然后，他们使用物理实验和数值模拟测试了每个选项。在承受中心载荷方面，拓扑优化设计名列第一。然而，当面对不对称应力时，交叉拱顶上升到顶部，其次是优化选项。不过，最引人注目的是，格子迭代和 Voronoi 迭代都能最好地处理集中载荷和不对称载荷之间的切换。

这项研究的主要作者、斯科尔科沃科技学院数学与力学项目博士生阿纳斯塔西娅·莫斯卡列娃 (Anastasiia Moskaleva) 在 10 月 10 日的附带声明中表示：“这促使我们将 Voronoi 模式与垂直载荷实验中优化出的最佳布局结合起来，希望能够取得两全其美的效果。”莫斯卡列娃和她的同事随后分析了蜻蜓翅膀的结构，发现它们的加强筋可以分为两类。

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“有一种更坚固的翼肋可以抵消扭曲，还有一种更薄的翼肋可以确保机翼的整体结构完整性。我们认为我们可以在穹顶中重现这种结构，”她说。

在此基础上，研究人员构建了第六种模式，将拓扑优化与材料消耗的更多限制相结合。在这个设计中，70% 的材料专用于主肋，而团队则使用剩余的材料填充与 Voronoi 模式相对应的较薄的次级肋。在这种情况下，混合的蜻蜓式拱顶在每一个指标上都优于之前的所有例子。

虽然这种优化形式出现在汽车和飞机部件等机械工程项目中，但“它很少用于土木工程，”莫斯卡列娃说。她认为，这对许多结构设计来说是一个错失的机会。

莫斯卡列娃承认，这些混合结构“非常复杂，因此在制造过程中具有挑战性”，但长期利益大于初期的复杂性。她以停车场为例，说明现实世界中常见的结构可以使用蜻蜓式加固技术。

莫斯卡列娃说，一旦标准化，这些组件“就可以按需复制，从长远来看，这将因节省材料而带来回报”。不仅如此，采用这些非常规替代品还可以为建筑师和设计师提供“更大的创作自由”。