新的研究表明，一些 最古老、最可靠的建筑设计 可以通过昆虫的启发做得更好。根据一个国际团队的说法，一些最坚固、最可靠的穹顶天花板可以通过更密切地模仿 蜻蜓翅膀 中看到的半不规则几何图案来建造。
自 古罗马 以来，穹顶和拱顶一直是建筑的支柱，这并非没有道理：它们是加固建筑最经济有效的方式之一，同时还能腾出大量地面空间。然而，几个世纪以来，用于加固的加强筋的布局基本保持不变。通常，它们属于两种类型之一——带藻井天花板的筒形拱顶（一个带有内部方形网格加强筋的长拱）或交叉拱顶（肋骨成直角相交）。然而，最近，西班牙格拉纳达大学和俄罗斯斯科尔科沃科学技术研究所（Skoltech）的研究人员开始寻找可能更好的替代方案。他们的研究结果在发表于期刊 Thin-Walled Structures.. 的一项研究中得到了详细介绍。
基于他们 2023 年的 先前工作，该团队首先构建了五种拱顶肋骨设计：传统的藻井和交叉天花板，它们的数学优化版本，以及一种仿生设计，该设计基于蜻蜓翅膀和龟壳中最具辨识度的几何单元。在数学上，这种优化的版本被称为 维诺图（Voronoi diagram）。
然后，他们通过物理实验和数值模拟测试了每种方案。在承受中心载荷方面，拓扑优化设计位居第一。然而，在面对不对称应力时，交叉拱顶表现最佳，其次是优化设计。但最引人注目的是，藻井和维诺图的迭代设计在处理集中载荷和不对称载荷之间的切换时表现最佳。
“这促使我们将维诺图与垂直载荷实验中表现最佳的优化布局相结合，希望能得到两全其美，”该研究的首席作者、Skoltech 数学与力学项目博士候选人 Anastasiia Moskaleva 在 10 月 10 日发布的 配套公告 中表示。Moskaleva 和她的同事随后分析了蜻蜓的翅膀结构，并发现它们的加强筋可以分为两类。
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“有一种更坚固的类型可以抵抗扭曲，然后有更薄的肋骨，它们确保了翅膀的整体结构完整性。我们认为我们可以在拱顶中重现这一点，”她说。
然后，研究人员构建了第六种模式，该模式将拓扑优化与对材料消耗的更多限制相结合。在这种设计中，70% 的材料用于主要肋骨，而团队使用剩余的材料填充更薄的次要肋骨，这些次要肋骨对应于维诺图。在这种情况下，混合的、类似蜻蜓的拱顶在所有指标上都优于所有先前的例子。
Moskaleva 表示，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，“但在土木工程中很少使用。”她认为，这对许多结构设计来说是一个错失的机会。
Moskaleva 承认，这些混合结构“可能相当复杂，因此在制造上具有挑战性”，但长期效益 outweighs 最初的复杂性。她以停车场为例，认为这是一个可以借鉴蜻蜓启发式加固的常见实际结构。
Moskaleva 表示，一旦标准化，这些组件“可以按需生产（这将由于节省的材料而在长远来看具有回报）”。不仅如此，采用这些非传统的替代方案还可以为建筑师和设计师提供“更大的创造自由”。
