仿生學(xué)在建筑空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

[摘要]首先闡釋建筑空間結(jié)構(gòu)的概念，然后從形態(tài)仿生、力學(xué)仿生、材料仿生和功能仿生的角度論述仿生學(xué)理論在建筑空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]仿生建筑學(xué) 空間結(jié)構(gòu) 分類

中圖分類號：TU3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0320108－01

力學(xué)仿生，是研究并模仿生物體大體結(jié)構(gòu)與精細(xì)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性質(zhì)，以及生物體各組成部分在體內(nèi)相對運(yùn)動和生物體在環(huán)境中運(yùn)動的動力學(xué)性質(zhì)。分子仿生，是研究與模擬生物體中酶的催化作用、生物膜的選擇性、通透性、生物大分子或其類似物的分析和合成等。能量仿生，是研究與模仿生物電器官生物發(fā)光、肌肉直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能等生物體中的能量轉(zhuǎn)換過程。信息與控制仿生，是研究與模擬感覺器官、神經(jīng)元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以及高級中樞的智能活動等方面生物體中的信息處理過程。

一、空間結(jié)構(gòu)

空間結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)的形態(tài)呈三維狀態(tài)、在荷載作用下具有三維受力特性并呈空間工作的結(jié)構(gòu)。他的結(jié)構(gòu)體系一般分為框架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、拱結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、懸挑結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、充氣式結(jié)構(gòu)等。它們因各自的特點(diǎn)，適用范圍而有所不同。20世紀(jì)人類的活動更加走向開放，人們已不再閉關(guān)自守，而是不斷擴(kuò)大國與國、洲與洲以至全世界范圍的交流。這種需求必然會影響人類建設(shè)的格局。在各種交流活動中，體育比賽無疑是一種最激動人心的方式。因此，奧林匹克體育競賽館、世界杯足球比賽場就在世界各地崛起。學(xué)術(shù)、文化、藝術(shù)與商業(yè)上的交流促使一些大城市建成了規(guī)模龐大的會議展覽中心，此外，各種臨時(shí)性與永久性的博覽會，也要求提供上萬平方米的面積。為了進(jìn)行交流，人們要更多地乘坐飛機(jī)旅行，20世紀(jì)是噴氣式客機(jī)的世紀(jì)，因而大規(guī)模的候機(jī)大廳與飛機(jī)庫就在本世紀(jì)誕生。

二、基于仿生學(xué)的建筑空間結(jié)構(gòu)研究

（一）形態(tài)仿生。建筑形態(tài)仿生是創(chuàng)新的一種有效方法，它是通過研究生物千姿百態(tài)的規(guī)律后而探討在建筑上應(yīng)用的可能性，這不僅需要使功能、結(jié)構(gòu)與新形式有機(jī)融合，而且還應(yīng)該是超越模仿而升華為創(chuàng)造的一種過程。這方面的例子舉不勝數(shù)。大自然有無窮多個(gè)優(yōu)美的形態(tài)可供人類模仿，而我們也應(yīng)該用心觀察生活，創(chuàng)造出打動人心的美好建筑。比如說，1973年10月揭幕的悉尼歌劇院，它的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)做法并不一致，外觀看起來是殼體結(jié)構(gòu)，實(shí)際上是鋼筋混凝土拱肋結(jié)構(gòu)，是一件“昂貴”的形態(tài)仿生作品。再比如說，天津博物館在也是這樣一座出色的仿生建筑，這就是山磯琦新、川口衛(wèi)等外國設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的天津博物館。他不僅是師法大自然中的雞蛋和貝殼的薄殼結(jié)構(gòu)，而且其神似天鵝的獨(dú)特造型也是這座建筑仿生原理的重要體現(xiàn)。

（二）力學(xué)仿生。在力學(xué)仿生方面，先進(jìn)的工程師們在近幾年來已取得了非凡的成就，他們比建筑師更善于觀察自然界的一切生態(tài)規(guī)律，已應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)創(chuàng)造了一系列嶄新的仿生結(jié)構(gòu)體系。從一滴水珠和一個(gè)蛋殼看到了其自山拋物線型曲面的張力與薄壁高強(qiáng)的性能，從一片樹葉的葉脈發(fā)現(xiàn)了其交叉網(wǎng)狀的支撐組織機(jī)理，這些對建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)都是十分有益的啟示。事實(shí)己經(jīng)證明：凡是正確的模仿生物體構(gòu)造的建筑，一定是用料省、強(qiáng)度高、剛度大、穩(wěn)定性好而又具有藝術(shù)美的建筑結(jié)構(gòu)。許許多多省料、耐力而又美觀的空間結(jié)構(gòu)形式都是有意識的或潛意識的模仿生物體的部分、或主體結(jié)構(gòu)、或其生存巢穴、或其生存的周圍環(huán)境的某些特征，構(gòu)想設(shè)計(jì)出來的。例如沙利寧的環(huán)球航空公司航空站，在結(jié)構(gòu)上建造四瓣組合式薄殼，中間有縫隙采光，四瓣薄殼則山下部的Y形柱支撐，這與人的頭蓋骨的拼合極為相似。其設(shè)計(jì)完全依據(jù)薄殼結(jié)構(gòu)的本質(zhì)：其造型沒有一處受到幾何形體的束縛，根本看不到圓、直角或拋物線。但每一條曲線、每一個(gè)細(xì)部都表現(xiàn)了力所遵循的秩序。屋頂是山雙向曲率的大曲面所組成，屋頂邊緣肋條斷面隨所負(fù)荷的增加而向支撐方向增大，同時(shí)使薄殼得以加強(qiáng)而不會變形。支柱形式也是依據(jù)其受力的合力情形而設(shè)計(jì)完成的。

（三）材料仿生。材料科學(xué)是當(dāng)前最重要的高科技之一，已取得了長足的發(fā)展。目前，人們已經(jīng)根據(jù)需要，設(shè)計(jì)和制造出多種多樣的材料來。迄今為止，一些與人類生活密切相關(guān)的材料，如天然哥、珍珠、蠶絲、貝殼等天然生物材料，人類還無法仿制出來。每年數(shù)以百萬計(jì)的哥病患者，還只能依靠金屬、陶瓷、復(fù)合材料等制成的人上哥來進(jìn)行治療?，F(xiàn)在，對天然生物材料的結(jié)構(gòu)、性能和生長機(jī)理的分析，以及進(jìn)行復(fù)制，是當(dāng)今材料科學(xué)研究的重大前沿課題。一門新的學(xué)科仿生材料學(xué)正在興起。如加氣混凝土砌塊就是按仿生學(xué)原理模仿蜂巢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以水泥、砂、碎石和煤渣等為原材料，利用加氣劑的發(fā)泡作用，在混凝土初凝前形成許許多多微氣泡，采用離心脫水工藝，將細(xì)石混凝土放入鋼模內(nèi)置于離心生產(chǎn)線上加速旋轉(zhuǎn)而成。經(jīng)檢測，強(qiáng)度高于粘土磚，與同體積粘土磚相比質(zhì)量減輕1/3，成本價(jià)比粘土磚便宜20％，并具有保溫、隔熱、防潮和替代模板的功能，是理想的替代粘土磚的產(chǎn)品。

（四）功能仿生。大自然精巧絕妙的設(shè)計(jì)必定忠實(shí)于功能，即生物的每一部分都能為功能服務(wù)。通過追隨自然，我們就能找到一個(gè)接近完全功能化的理想途徑。建筑的功能往往是錯(cuò)綜復(fù)雜的，如何有機(jī)組織各種功能成為一種綜合的整體在自然界中生物也為我們提供了交織組合的范例，它不僅僅是單一功能元素的相加，而是多功能發(fā)展過程的綜合，因此產(chǎn)生了一個(gè)較高發(fā)展階段的新特性。當(dāng)代集中式的建筑傾向已使巨型高層建筑與多功能建筑隨處可見，這就要求我們在有限的空間內(nèi)要高效低耗地組織好各部分的關(guān)系，使得這些空間可以適應(yīng)多種功能。位于英國的滑鐵盧國際火車站，偉大的維多利亞風(fēng)格鐵路建筑，400m長的屋頂結(jié)構(gòu)山36根鍛壓而成的三相弓弦式拱組成，它們的跨度在35m到50m之間不等。在西側(cè)，上部結(jié)構(gòu)突出在建筑表皮之外，支撐著重疊搭接的玻璃板，透過玻璃板人們可以看到泰晤士河和國會大廈：在東面，包有不銹鋼外皮的結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)到內(nèi)部。其中每一塊玻璃板的一邊都通過可調(diào)節(jié)的支架懸掛在鋼制結(jié)構(gòu)上，而另一邊可以自由山移動，下邊緣被一可折疊的熱圈垂自的封住，而附加的風(fēng)擋刮水器形成了一個(gè)滑動的水平封條。這樣組合的結(jié)果在視覺和上作原理上都像極了穿山甲或披甲蜥蜴等動物的鱗片結(jié)構(gòu)。

三、結(jié)論

仿生建筑學(xué)的研究意義既是為了建筑應(yīng)用類比的方法從自然界中吸取靈感進(jìn)行創(chuàng)新，同時(shí)也是為了與自然生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)，保持生態(tài)平衡?？v觀建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史，三維的空間結(jié)構(gòu)是最能滿足以上要求的，往往成為眾多結(jié)構(gòu)方案中的首選。這就使得這種大型公共空間建筑的節(jié)能成為房屋建筑節(jié)能中的重要分支。

參考文獻(xiàn)：

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[3]陳志華、李陽，鋼結(jié)構(gòu)板鉸支座[J].工業(yè)建筑，2004.

作者簡介：

馬永芬，女，浙江省海鹽縣人，本科，浙江省海鹽時(shí)代建筑設(shè)計(jì)有限公司，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。