仿生技術(shù)在建筑創(chuàng)作中的設(shè)計應(yīng)用

邱德華，董志國

QIU De-hua, DONG Zhi-guo

（蘇州科技學(xué)院 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，蘇州 215011）

仿生技術(shù)在建筑創(chuàng)作中的設(shè)計應(yīng)用

Application and thinking of bionic technology in architectural creation

邱德華，董志國

QIU De-hua, DONG Zhi-guo

（蘇州科技學(xué)院 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，蘇州 215011）

建筑仿生是吸取自然界生物的生長機理以及一切自然生態(tài)的規(guī)律，結(jié)合建筑的自身特點而適

應(yīng)新環(huán)境的一種創(chuàng)作方法。本文從剖析仿生技術(shù)的概念入手，分析了仿生建筑的優(yōu)秀實例，論證了以仿生技術(shù)啟動的建筑創(chuàng)作的優(yōu)勢，并提出了仿生技術(shù)在建筑創(chuàng)作的意義和策略。

仿生技術(shù)；建筑創(chuàng)作

0 引言

自然界中的生物在漫長的進化過程中，為了適應(yīng)自然和生存而本能地選擇環(huán)境，完善自身的組織結(jié)構(gòu)與性能，形成了復(fù)雜而高度適應(yīng)力的器官系統(tǒng)和色彩豐富、造型優(yōu)美的形體，獲得了高效低耗、自我更新、新陳代謝、結(jié)構(gòu)完整的保障體系，從而得以頑強生存與繁衍。人類生活在自然界中，與自然界的生物相伴生存，這些生物的奇異本領(lǐng)和生存能力，吸引我們?nèi)ハ胂蠛退伎肌?/p>

誕生于上世紀70年代的仿生學(xué)以及由此形成的仿生技術(shù)，經(jīng)過短短幾十年的發(fā)展，為建筑創(chuàng)作開拓了獨特的設(shè)計思路，提供了技術(shù)發(fā)展道路，顯示了極強的生命力。

1 仿生技術(shù)

仿生學(xué)是上世紀70年代發(fā)展起來的工程技術(shù)與生物科學(xué)相結(jié)合的交叉學(xué)科。它是研究生物體的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理，并將這些原理移植于工程技術(shù)之中，發(fā)明性能優(yōu)越的儀器、裝置和機器，創(chuàng)造新技術(shù)[1]。

仿生學(xué)的思想是建立在自然進化和共同進化的基礎(chǔ)上的。人們發(fā)現(xiàn)，自然界的生物在幾百萬年的自然進化過程中不僅完全適應(yīng)自然，而且其適應(yīng)程度接近完美。仿生學(xué)試圖在技術(shù)方面模仿生物在自然中的功能，在生物學(xué)和技術(shù)之間架起了一座橋梁，并且解決工程技術(shù)難題。通過再現(xiàn)生物學(xué)的原理，人類不僅找到了技術(shù)上的解決方案，而且同時該方案也完全適應(yīng)了自然的需要。人類所從事的技術(shù)就是使得達到最優(yōu)化和互相間的協(xié)調(diào)，而模擬生物適應(yīng)環(huán)境的功能無疑是一個最佳的途徑。

建筑仿生是吸取自然界生物的生長機理以及一切自然生態(tài)的規(guī)律，結(jié)合建筑的自身特點而適應(yīng)新環(huán)境的一種創(chuàng)作方法。

2 案例分析

近年來應(yīng)用仿生技術(shù)在建筑創(chuàng)作中建造了許多造型優(yōu)美、寓意深刻、震撼力強的現(xiàn)代建筑，類型包括體育場館、劇院、會展中心、機場航站樓、住宅等。

2.1 國家體育場（鳥巢）

國家體育場位于北京奧林匹克公園中心區(qū)南部，為第29屆北京奧林匹克運動會的主體育場。工程總占地面積21公頃，建筑面積258,000m2。場內(nèi)觀眾坐席約為91000個，其中臨時坐席約11000個。國家體育場建筑頂面呈鞍形，南北長333米、東西寬294米的，最高點高度為68.5米，最低點高度為42.8米。主體結(jié)構(gòu)由24個門式鋼桁架整體編織成巨型空間馬鞍形“鳥巢”結(jié)構(gòu)。

國家體育場設(shè)計如同一個的容器，高地起伏變化的外觀緩和了建筑的體量感，并賦予了戲劇性和具有震撼力的形體，國家體育場的形象完美純凈，外觀即為建筑的結(jié)構(gòu)，立面與結(jié)構(gòu)達到了完美的統(tǒng)一。結(jié)構(gòu)的組件相互支撐，形成了網(wǎng)絡(luò)狀的構(gòu)架，它就像樹枝編織的鳥巢。體育場的空間效果既具有前所未有的獨創(chuàng)性，而又簡潔、典雅。國家體育場設(shè)計評審委員會主席、中國工程院院士關(guān)肇鄴是這樣評價“鳥巢”的：這個建筑沒有任何多余的處理，一切因其功能而產(chǎn)生形象，建筑形式與結(jié)構(gòu)細部自然統(tǒng)一[2]。

2.2 瑞典“螺旋中心”

瑞典的“螺旋中心”大廈是斯堪的納維亞半島的最高建筑物，總建筑面積1.5萬平方米，高189米，共45層，分成九個獨立的立體單元，每單元五層。九個獨立的單元以中心為軸，逐漸扭轉(zhuǎn)，每單元都旋轉(zhuǎn)少許，使整棟大廈共旋轉(zhuǎn)90o，每層樓面都有各自特色。樓層越高，大樓的主體核心越小，居住面積相應(yīng)增大，而外部不變。大廈最底下兩個但愿是辦公區(qū)，其余7個單元共有147套豪華公寓，具有33種不同形式。由于大樓從一樓到頂樓扭轉(zhuǎn)了90o，每套公寓不僅擁有充足的自然光，而且公寓的面積、室內(nèi)設(shè)計等都各具特色。

設(shè)計師卡拉特拉瓦（Santiago Calatrava）介紹，這座極具特色的建筑設(shè)計靈感來源于人體脊椎旋轉(zhuǎn)的美好圖像，整棟大樓以90o盤旋而上，象人體軀干一樣自由扭動，極富動感，也成為瑞典南部城市馬爾默的標志。這樣的設(shè)計不但使得建筑形象奇特，而且利于每個房間和廳都能充分采光，公寓內(nèi)的空間都能夠享受到充足的自然光。面向海景的住戶，還可以清楚地看見連接丹麥哥本哈根與瑞典馬爾摩的松德跨海大橋。

“旋轉(zhuǎn)中心”大廈在結(jié)構(gòu)上所表現(xiàn)出的表現(xiàn)主義張力，使得大廈從任何一個角度看上去都呈現(xiàn)出一種新的面貌和視覺效果。

2.3 未來“樹紋塔”摩天大樓

“樹紋塔”摩天大樓由美國著名的環(huán)境設(shè)計大師、建筑師威廉·麥克多諾（William Mc Donough）設(shè)計。他設(shè)計的“樹紋塔”使建筑可以像樹木一樣進行光合作用，試圖使設(shè)計的“樹紋塔”產(chǎn)生的能量多余消耗的能量，使人們居住在其中卻有一種戶外般的清新自然的感覺。

在設(shè)計中，設(shè)計師充分利用太陽能和自然光，不僅實現(xiàn)了視覺上的震撼效果，同時使得整個建筑物環(huán)境所包圍，成為名副其實的綠色建筑。

3 建筑創(chuàng)作中仿生技術(shù)策略

3.1 仿生技術(shù)為建筑形象創(chuàng)新拓展思路

在建筑創(chuàng)作中，建筑師通過運用和模仿自然生物或者物質(zhì)存在的外部形態(tài)，對其進行抽象并采用相應(yīng)的藝術(shù)處理手法，進行視覺構(gòu)圖和表達寓意，能夠取得新穎獨特的建筑形象。由德國建筑師赫爾佐格（Werner Herzog）設(shè)計的北京奧運會主場館“鳥巢”的方案，其外形設(shè)計靈感就來源于鳥巢的結(jié)構(gòu)；西班牙建筑師高迪（Antonio Gaudi）設(shè)計的神圣家族教堂外形就是從植物的形態(tài)上得到靈感；法國建筑師安德魯（Paul Andreu)設(shè)計的上海浦東國際機場，象一只展翅欲飛的海鷗，在綠地和碧水的襯托下寓意上海的騰飛；西班牙建筑師卡拉特拉瓦設(shè)計的2004年雅典奧運會主場館如鳥兒展翅般，等等。

仿生技術(shù)是建筑形象創(chuàng)新的一種有效方法。利用仿生技術(shù)，不僅可以取得新穎的建筑造型，而且也能充分發(fā)揮新結(jié)構(gòu)體系的效能，使建筑形式與功能、結(jié)構(gòu)有機結(jié)合。建筑師只要善于觀察和吸取自然界千變?nèi)f化現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律，就有取之不盡的靈感源泉。但是，也不能為追求新奇的效果而一味地簡單模仿。

3.2 仿生技術(shù)為建筑空間組織提供借鑒

英國建筑師羅杰斯說過：在構(gòu)成公共生活框架的同時，建筑物還服務(wù)于人們的特定需要。這就提出了如何根據(jù)人們的需求進行設(shè)計的問題[3]。大自然精巧絕妙的設(shè)計必定忠實于功能，人類在研究生物過程中，把握了生物的形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)特征的同時，也把握了生物的復(fù)雜功能系統(tǒng)。在建筑創(chuàng)作中，只要善于應(yīng)用類推的方法，就可以從自然界中吸取無窮的靈感，使建筑空間布局更有新意。芬蘭建筑師阿爾托（Alvar Aalto）設(shè)計的德國不萊梅高層公寓的平面布局源自蝴蝶的原型，公寓的服務(wù)功能與居室空間分別比作蝴蝶的身體和翅膀，不僅使內(nèi)部空間布局新穎，而且也使建筑造型更為豐富。

現(xiàn)代建筑的功能是錯綜復(fù)雜的，自然界的生物為建筑師提供了交織組合的范例和借鑒。建筑師運用自然界生物體和物質(zhì)存在的功能原理，改進或構(gòu)建新的功能組織體系，促進建筑的合理布局和建筑新技術(shù)的開發(fā)。

3.3 仿生技術(shù)為建筑技術(shù)發(fā)展開闊視野

意大利結(jié)構(gòu)工程師奈爾維和建筑師巴托利仿葉脈機理設(shè)計了意大利都靈展覽館的巨形拱頂；美國結(jié)構(gòu)工程師富勒從自然界中的結(jié)晶體結(jié)構(gòu)獲取靈感設(shè)計了聯(lián)合油罐車公司的巨大穹頂；德國結(jié)構(gòu)工程師奧托利用網(wǎng)索結(jié)構(gòu)仿蜘蛛網(wǎng)形的支撐體系設(shè)計了加拿大蒙特利爾國際博覽會德國館，等等。這些優(yōu)秀的設(shè)計實例充分展示了建筑技術(shù)也建筑藝術(shù)的完美的統(tǒng)一，為建筑技術(shù)發(fā)展開闊視野。

形態(tài)萬千的自然界生物根據(jù)自己不同的構(gòu)造和存在方式，有著不同的特征，存在不同的體現(xiàn)自身特點的尺度，只要認真研究客觀生物實體構(gòu)造和空間結(jié)構(gòu)形式之間的相似性，認清生物體的優(yōu)化程度和結(jié)構(gòu)限定性，探尋空間結(jié)構(gòu)形式與生物體和構(gòu)造之間的內(nèi)在關(guān)系，有利于人們對仿生技術(shù)的認識，找到一條發(fā)展建筑技術(shù)的新途徑。

3.4 仿生技術(shù)為建筑環(huán)境設(shè)計擴大領(lǐng)域

早在1853年的巴黎建設(shè)計劃中，為了在城市結(jié)構(gòu)功能上進行改善，使城市交通、環(huán)境綠化、居住水平都達到一個新的境界，巴黎改建規(guī)劃在某種程度上就是模擬了人的生態(tài)系統(tǒng)而進行規(guī)劃設(shè)計的。例如當時在巴黎東郊維星斯公園和西郊布倫公園的巨大綠化面積，就象征著人的兩肺，環(huán)形綠化帶與塞納河就象是人的呼吸管道，這樣就使新鮮空氣可以輸入城市的各個區(qū)域。市區(qū)內(nèi)環(huán)形和放射的各種主干與次要道路網(wǎng)就象是人的血管系統(tǒng)，使血流能夠循環(huán)暢通。這種城市環(huán)境仿生思想，在當時已起到了積極的作用，解決了困擾巴黎的城市交通與環(huán)境美化問題，使巴黎在世界上成為城市改建的成功范例。

在安徽宏村的堪稱“中華一絕”的牛形村落和人工水系，統(tǒng)看全村，洗頭雷崗巍巍而立，宛如“牛頭”，村口兩棵參天大樹恰似“牛角”，前后四座橫跨吉陽水的橋梁象“牛腿”，村中鱗次櫛比的明清古建筑如臥牛盤踞，千米長的清澈水渠似“牛腸”環(huán)繞全村，盤曲流經(jīng)各家各戶，村中一半月形池塘月沼和村南南湖分別是“牛胃”和“牛肚”，整座村落象一只昂首奮蹄的水牛，成為建筑史上一大奇觀。

在當今以低碳為價值觀的建筑環(huán)境設(shè)計中，建筑師在建筑創(chuàng)作中不僅要遵循和尊重自然規(guī)律，從自然界中吸取靈感進行環(huán)境意識創(chuàng)新，注重環(huán)境生態(tài)、經(jīng)濟效益與建筑形式的有機統(tǒng)一。

4 結(jié)束語

仿生技術(shù)是21世紀建筑創(chuàng)作領(lǐng)域的一項新運動，建筑師應(yīng)該重視自然并依靠自然去解決許多人居環(huán)境問題，應(yīng)善于運用仿生學(xué)技術(shù)，從自然界生物中吸取一切有用的因素作為建筑創(chuàng)作的靈感，并結(jié)合現(xiàn)代建筑技術(shù)和工藝的發(fā)展，拓展生態(tài)設(shè)計環(huán)境觀，為建筑創(chuàng)新服務(wù)，創(chuàng)造出富有特色的建筑形象。

[1] 戴志中,楊震,熊偉.建筑創(chuàng)作構(gòu)思解析——生態(tài)·仿生[M].北京:中國計劃出版社,2006.

[2] http://news.sohu.com/41/55/news209225541.shtml.

[3] 理查德·羅杰斯,菲利普·古姆齊德簡著,仲德昆譯.小小地球上的城市[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

TH166

A

1009-0134(2010)11(下)-0194-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).65

2010-09-19

邱德華（1972 -），男，江蘇海門人，講師，研究方向為建筑設(shè)計及其理論。