翻譯自然的設(shè)計(jì)

張辰燕

世間萬(wàn)物千姿百態(tài)，都是經(jīng)過漫長(zhǎng)的、優(yōu)勝劣汰的競(jìng)爭(zhēng)和千辛萬(wàn)苦的進(jìn)化，致使在結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能三方面達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)而流傳于世。所以，大自然的精妙建筑確是人類建筑師和設(shè)計(jì)師的最好老師。我們可以發(fā)現(xiàn)，人類的創(chuàng)造不管多么精巧，幾乎都能在大自然的創(chuàng)造物中找到對(duì)應(yīng)的影子。于是，人們開始對(duì)大自然進(jìn)行有意識(shí)地模仿，從大自然汲取營(yíng)養(yǎng)，請(qǐng)大自然開拓思路，一門新興的綜合學(xué)科——仿生學(xué)便應(yīng)運(yùn)而生了。

仿生設(shè)計(jì)并不是單純地模仿照抄，它是吸收動(dòng)物、植物的生長(zhǎng)機(jī)理，以及一切自然生態(tài)的規(guī)律，結(jié)合設(shè)計(jì)的自身特點(diǎn)，而適應(yīng)新環(huán)境的一種創(chuàng)造。

蛋殼與體育館

生物為了存在和發(fā)展，最起碼的條件是：必須平衡地心引力，防御一切外力，適應(yīng)自然環(huán)境，在長(zhǎng)期的進(jìn)化進(jìn)程中自然而然地形成最合理、最穩(wěn)定、最經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形態(tài)。羽茅草和禾本科植物的長(zhǎng)葉往往卷曲成筒形或殼形，香蒲植物的葉子又構(gòu)成螺旋狀，帽狀蘑菇的輻射密肋，以及弧形的貝殼和殼面之波、空心的葦稈和稈間之節(jié)，都啟發(fā)人類去探索空間結(jié)構(gòu)的奧秘。

人們已經(jīng)發(fā)覺，傳統(tǒng)建筑的梁板支撐體系實(shí)際上是一種不經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式，而且不能滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)大跨度空間的需求。仿生空間結(jié)構(gòu)則幫助建筑師和工程師解決了難題。

蛋類的外殼雖然很薄，卻能耐受相當(dāng)大的外力。這是因?yàn)椋@類結(jié)構(gòu)具有彎曲的表面，殼體在外力作用下，內(nèi)力是沿著整個(gè)表面擴(kuò)散和分布的，因而殼體單位面積上所受的力就小了許多。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，“二戰(zhàn)”以來，各國(guó)為舉辦奧運(yùn)會(huì)而建造的體育館，有60％以上采用薄壁空間結(jié)構(gòu)。法國(guó)夏蒙尼先斯滑雪山北區(qū)體育中心由9個(gè)三角形薄殼所組成，覆蓋面積達(dá)6000平方米。1980年建成的香港太空館是一個(gè)典型的蛋殼形，23米直徑的半球形天象廳酷似雞蛋的核心部分——蛋黃。雞蛋殼厚約0.5毫米，一只普通雞蛋縱向直徑按照7厘米計(jì)算，兩者之比約為1：140，可見人類仿生工程的巨大意義。

更有趣的是，國(guó)外有人模仿雞蛋設(shè)計(jì)了一種特殊的抗震房屋，“蛋殼”是用鋼鐵制造的，“蛋白”用耐高溫玻璃、石棉等制造，人住在相當(dāng)于“蛋黃”的部分。這種房屋能抵抗強(qiáng)烈地震，即使被震翻了，也能像雞蛋一樣滾過來復(fù)原。屋內(nèi)貯有空氣、水和食物，在與外界完全隔絕的情況下，7個(gè)人可在里面生活1個(gè)星期。住在這種房屋里，即使遇到強(qiáng)烈地震，也會(huì)安然無恙。

麥稈與電視塔

中空的麥稈能承受比它重得多的麥穗而不倒伏，這是因?yàn)?，在橫斷面積相同的情況下，實(shí)心稈和空心稈的承壓能力雖然一樣，但長(zhǎng)長(zhǎng)的莖受壓后，往往不會(huì)因斷面壓力過高而發(fā)生突然斷裂的情形，而是在受壓后莖稈先彎曲，最后因彎力過大而折斷。而斷面積相同的空心稈外徑要比實(shí)心稈大，因此空心稈承壓后抵抗彎曲變形的能力要比實(shí)心稈大得多。麥稈的功能給建筑師以設(shè)計(jì)靈感，他們利用麥稈原理，把一些高大的柱子和稈件都設(shè)計(jì)成空心的。這樣可以大大提高它們的承壓能力，起到“重半功倍”的作用。

另外，所有稈莖支承植物幾乎都是下粗上細(xì)的，既減輕了自重，又加強(qiáng)了穩(wěn)定性。因此，不管任何方向吹來的風(fēng)，很容易沿著稈莖圓面的切線方向掠過，從而減小對(duì)植物的影響。反之，如果稈莖是平面的，毫無疑問，平面比圓面上的一點(diǎn)受風(fēng)力都大大增加。這樣，植物就有可能被風(fēng)刮歪，甚至倒斃。

加拿大多倫多電視塔高533米，用400號(hào)混凝土澆筑成下粗上細(xì)的形狀，底翼寬約30.5米，可謂龐然大物。但它的平均細(xì)長(zhǎng)比(平均直徑和高度之比)約1／10，而稈莖植物(麥稈、甘蔗、竹等)的細(xì)長(zhǎng)比可達(dá)l／100～1／200。兩相比較，人類的建筑遠(yuǎn)未達(dá)到大自然的神功。

王蓮葉與展覽廳

薄薄的王蓮葉最多能夠承重70千克。這是因?yàn)?，王蓮葉背面有許多粗大的葉脈，其問連以鐮刀形的橫筋，構(gòu)成了一種網(wǎng)狀骨架，縱橫交錯(cuò)，又粗又壯，可以承受很大的負(fù)荷。

于是，有位花匠模仿王蓮葉脈的構(gòu)造，用鋼材和玻璃成功地建造了一座漂浮在水面上的美麗“水晶宮”。

后來，意大利設(shè)計(jì)師建造了一座跨度為95米的都靈展覽大廳，其屋頂采用了王蓮的網(wǎng)狀葉脈結(jié)構(gòu)，在拱形的縱肋之間連以波浪形的橫隔，不僅保證了大跨度屋頂有足夠的強(qiáng)度和剛度，而且美觀大方，輕巧堅(jiān)固。

“春筍建筑法”

應(yīng)該指出，人類在結(jié)構(gòu)仿生方面還停留在靜態(tài)階段，仔細(xì)觀察一下生物的生長(zhǎng)過程，恐怕對(duì)人類工程會(huì)有更大的借鑒意義。例如，十丈青松，挺拔矗立；勁細(xì)翠竹，輕巧剛直，都是從地面寸寸長(zhǎng)起，自己“建造”自己。

那么，人類的建筑可否如青松生長(zhǎng)、雨后春筍一般，把自己一節(jié)節(jié)“長(zhǎng)”上去呢?

有人曾提出一種不用腳手架、不用大型起重機(jī)，而是由建筑自身的屋面開始從地面一節(jié)節(jié)“長(zhǎng)”上去的“春筍建筑法”，1星期可建成1幢4層高的住宅樓。

這種方法把每一層墻板從高度上分成三四段預(yù)制好，然后用液壓頂以1米的行程，反復(fù)頂升，可以很快“長(zhǎng)”成設(shè)計(jì)的建筑。

車前子與向陽(yáng)屋

車前子原本是一種無足輕重的野草，近年來，卻受到了建筑師們的青睞，成為他們的珍寶。

建筑師們仔細(xì)觀察了車前子葉子的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)它們是按螺旋狀排列的，每?jī)善~子之間豹夾角都是137°30′，不僅結(jié)構(gòu)合理，而且每片葉子都能得到充足的陽(yáng)光。

建筑師仿照車前子的奇特結(jié)構(gòu)，建造了螺旋狀排列的樓房。這種新型住宅改變了“向南背北”的傳統(tǒng)建筑朝向，一年四季，每間房子都陽(yáng)光燦爛，空氣清爽，舒適宜人。

海貍與攔河壩

海貍是一種水陸兩棲獸類，它們的“家”修筑在湖岸或水流緩慢的河岸邊。這些屋頂圓圓的“小房”修得非常堅(jiān)固，墻壁有2尺多厚，用黏泥修飾。每座“小房”分為二至三層，上層比較干燥，作為“臥室”；下層在水下，作為倉(cāng)庫(kù)，堆積食物、樹皮和木柴。“小房”有兩個(gè)出口，一個(gè)通陸地，一個(gè)通水下。

令人驚奇的是，為了控制需要的水位，海貍還在靠河處筑起了堅(jiān)固的堤壩。建壩時(shí)，它們總是選擇河流狹窄、可以就地取材(木料、石子)的地方為壩址。

海貍所建造的堤壩，正是人類建造的巨大攔河壩的雛形，它給水利建筑提供了有益的啟示。

菌膜與防水材料

建筑物的防水是一個(gè)“老大難”問題。不過，另一方面，在自然界中，動(dòng)物和人的皮膚具有良好的防水性能，外面的水滲透不進(jìn)去，里面的汗液卻能滲出來，保溫性能也很好，堪為建筑物防水所借鑒。

科學(xué)家們正在探索一種能夠

形成菌膜的菌類(如紅茶菌)物質(zhì)，把它們制成像人的皮膚一樣的膜狀防水材料。人們?cè)O(shè)想，把這種材料覆蓋在建筑物上以后，它能緩慢生長(zhǎng)，出現(xiàn)破損時(shí)，又能自行修復(fù)；外部的雨水滲不進(jìn)去，內(nèi)部的潮氣卻能散發(fā)出來。

這對(duì)于改善建筑物的防水、保溫、隔熱性能以及節(jié)約能源，將會(huì)有重大意義。

蟻穴與恒溫辦公樓

在澳大利亞西部有一種白蟻巢穴，盡管穴外溫度一年四季變化很大(氣溫在3～42℃)，但巢穴內(nèi)不論是白天還是夜晚，也不論是夏季還是冬季，溫度始終保持在30～32℃。這種白蟻巢穴調(diào)節(jié)溫度的能力簡(jiǎn)直可以和現(xiàn)代化的空調(diào)系統(tǒng)媲美。

為了弄清白蟻為什么有如此高的本領(lǐng)，科學(xué)家仔細(xì)研究了白蟻巢穴的構(gòu)造。他們發(fā)現(xiàn)，這種白蟻巢穴分為地上、地下兩部分。地下部分是白蟻的生活區(qū)，巢穴的地上部分則有個(gè)約3米高的泥塔，泥塔內(nèi)有一些空氣通道通到白蟻的地下生活區(qū)。泥塔斷面呈楔形，總是像羅盤一樣準(zhǔn)確地指向北方。因此，科學(xué)家把這種白蟻稱為“羅盤白蟻”。

泥塔的側(cè)壁皺巴巴的，表面積很大，在早晨和午后陽(yáng)光斜射時(shí)能最大限度地吸收陽(yáng)光的熱量，泥塔頂部呈尖錐形，表面積較小。這樣一來，在正午熾熱的陽(yáng)光下，泥塔吸收的熱量就減少了。

“羅盤白蟻”建造這種特殊的泥塔，就是為巢穴創(chuàng)造恒溫條件。泥塔在陽(yáng)光下受熱后，塔內(nèi)空氣通道之中的氣溫也隨之上升，空氣體積膨脹而向上升騰，這就產(chǎn)生了像煙囪一樣的抽氣作用，把新鮮空氣通過白蟻進(jìn)出的通道抽吸到塔頂，形成一股風(fēng)，吹過白蟻巢穴的生活區(qū)。

白蟻中的工蟻在巢穴內(nèi)“監(jiān)測(cè)”(感受)各處的溫度，并根據(jù)溫度的變化，阻斷或擴(kuò)大巢穴內(nèi)的通道，以調(diào)節(jié)氣流。這就像人類用開、閉窗戶來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度一樣。

因此，無論外界氣溫如何變化，白蟻巢穴地下生活區(qū)的溫度，都保持在30～32℃。

建筑學(xué)家從白蟻巢穴的構(gòu)造得到極大啟示，認(rèn)為人類也可以模仿白蟻，建造有自然通風(fēng)系統(tǒng)的辦公樓。雖然安裝了空調(diào)系統(tǒng)的大廈可以做到溫度恒定，但因門窗封閉，空氣不流通，長(zhǎng)時(shí)間呆在里面的人很容易患上空調(diào)綜合征。

1994年，英國(guó)建筑師在諾丁漢興建了7幢仿白蟻巢穴的辦公樓，排成一個(gè)弧形面向北面，每幢大樓的角上都有一個(gè)17米高的圓柱形玻璃塔，其作用相當(dāng)于白蟻巢穴上的泥塔，當(dāng)陽(yáng)光照射時(shí)，玻璃塔內(nèi)的空氣溫度升高，膨脹上升，起煙囪的抽氣作用，形成一個(gè)自然通風(fēng)系統(tǒng)。玻璃塔頂部還可用液壓方式升降，用來調(diào)節(jié)上升的空氣流量，由于塔中的空氣通道和辦公樓的各房間相通，上升氣流可以帶走多余的熱量并吸入新鮮空氣。在大樓內(nèi)有一個(gè)計(jì)算機(jī)能量管理系統(tǒng)，它的作用相當(dāng)于白蟻巢穴中的工蟻，負(fù)責(zé)管理室內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制玻璃塔頂?shù)纳?，以調(diào)節(jié)空氣流量，在寒冬還可啟動(dòng)熱風(fēng)機(jī)，在夏夜可啟動(dòng)風(fēng)扇，將清新的空氣引入室內(nèi)。

蘑菇與傘屋

所有的植物都呈啞鈴形，這是一種很好的建筑結(jié)構(gòu)，它使植物利用最小的占地面積，就獲得了適度體積的地上部分，得到了大面積的陽(yáng)光，而向下生長(zhǎng)出的根系，能夠牢牢抓住土壤。利用這種結(jié)構(gòu)，植物還能夠立體享受陽(yáng)光：森林群落中喬木層以下有灌木層，灌木層以下還有草本層。模擬植物的仿生建筑可以更好地利用太陽(yáng)能。

以蘑菇為例。蘑菇由3部分構(gòu)成：菌蓋、菌柄、菌絲。菌蓋離地有一定高度，菌絲呈放射狀向地下擴(kuò)散，菌柄把兩者連接起來。這也是一個(gè)啞鈴結(jié)構(gòu)。

依照蘑菇的外形，人類可以設(shè)計(jì)、建造仿生建筑，其“菌絲”部分(仿生建筑的根基)可以采用植物根的形態(tài)，將幾根長(zhǎng)度與直徑都適宜的鋼管呈放射狀地打入地下，與巖石緊緊咬合，以產(chǎn)生的摩擦力來支持地上部分。這樣，可以大大減少地基部分的工程量。仿生建筑的“菌柄”部分(支柱)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，它的底部膨大。以便和根基連接為一體。仿生建筑的“菌蓋”部分(居住體)則采用鋼架結(jié)構(gòu)，從支柱向四周輻射出許多鋼梁，屋頂做成拱形的鋼網(wǎng)架，并與鋼梁相銜接，共同形成一個(gè)籠狀的整體結(jié)構(gòu)。

由于采用啞鈴結(jié)構(gòu)，這種仿生建筑所占地面只有傳統(tǒng)建筑的10％，而屋頂可以貼上大面積的太陽(yáng)能電池。從遠(yuǎn)處看，整個(gè)建筑就像一把大雨傘，因此取名叫“傘屋”。

小腿骨與埃菲爾鐵塔

人體骨架形態(tài)、結(jié)構(gòu)之精巧、合理和美妙，往往使建筑師們贊嘆不已。堂堂七尺之軀全靠骨骼支撐，這與高聳入云的摩天大樓憑借鋼架支撐幾乎一模一樣。

人坐著的時(shí)候，體重是依靠從骨盆側(cè)面延伸出來的骨頭來支撐的。這種簡(jiǎn)單而有效的結(jié)構(gòu)啟發(fā)了建筑師。建筑師由此設(shè)計(jì)了一種空間支架模型，建筑物的重量由斜柱支撐著，再傳到幾個(gè)支持點(diǎn)，所有與重量負(fù)擔(dān)無關(guān)的材料，一概省去。這就為建筑物提供了一種既強(qiáng)有力又經(jīng)濟(jì)合理的支撐結(jié)構(gòu)。

人體的大腿骨要支撐全身的重量，又要前后左右擺動(dòng)，因此，它“選用”了一種最合理的結(jié)構(gòu)形式——既輕又堅(jiān)固。一般成年人的大腿骨能夠承受260～400千克的壓力，小腿骨吃力更大，比相同斷面的花崗巖還要堅(jiān)固10多倍，它的剛度可以和熟鐵相比，但比重只有熟鐵的1/5。

巴黎埃菲爾鐵塔高327.7米，猶如巨人般聳入云天。一些建筑師研究之后得出結(jié)論：這座鐵塔的結(jié)構(gòu)并不新穎，只是一座重復(fù)著人體小腿骨的建筑；甚至兩者的表面角度都相符。

建筑仿生是一門妙趣橫生的新興科學(xué)，是科學(xué)與美學(xué)的有機(jī)結(jié)合。生物是人類工程設(shè)計(jì)的最好老師。正如著名仿生設(shè)計(jì)師L·科拉尼所說：“仿生設(shè)計(jì)是一個(gè)揭示自然界生命體的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，也可以稱為一項(xiàng)‘翻譯自然的事業(yè)?！?/p>

可以預(yù)見，在不遠(yuǎn)的將來，人類必將從表面的靜態(tài)仿生走向內(nèi)部的、動(dòng)態(tài)的仿生，從而大大豐富人類的創(chuàng)造。

[責(zé)任編輯]趙菲