現(xiàn)代仿生學(xué)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討

李文強(qiáng)

摘要：在現(xiàn)代的橋梁設(shè)計(jì)與建造中，仿生學(xué)的理念已經(jīng)深入解決了很多建筑學(xué)中的難題，仿生學(xué)設(shè)計(jì)就是要將工程建筑與生物工程完美地融合在一起。在闡述了橋梁設(shè)計(jì)和建造中的仿生學(xué)理念后，分別從建筑材料、功能、形態(tài)、力學(xué)結(jié)構(gòu)和生態(tài)角度對橋梁建筑設(shè)計(jì)建造中的仿生學(xué)應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：仿生學(xué) 橋梁設(shè)計(jì) 現(xiàn)代設(shè)計(jì) 建筑設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：Q811文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

現(xiàn)代仿生學(xué)已經(jīng)不再是單純模仿自然界生物建造技術(shù)和裝置，而是吸收生物的自然建造機(jī)理，廣泛應(yīng)用于各種學(xué)科，包括醫(yī)學(xué)、建筑學(xué)、遺傳學(xué)、機(jī)電一體化等。仿生建筑學(xué)也逐漸地興起并迅速地成長起來，不僅可以通過模仿生物組織形態(tài)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來不斷創(chuàng)造、設(shè)計(jì)出新型的橋梁結(jié)構(gòu)、形體，同時(shí)也可以借鑒生物特性來改善建造材料的功能、形式及結(jié)構(gòu)，進(jìn)而完善橋梁的功能，增強(qiáng)橋梁的壽命。可以說，在現(xiàn)代橋梁的設(shè)計(jì)和建造中，仿生學(xué)的研究和應(yīng)用都顯示了強(qiáng)大的生命力和創(chuàng)造力，對這個(gè)課題的研究也稱為當(dāng)前建筑學(xué)的熱點(diǎn)。

1. 橋梁設(shè)計(jì)和建設(shè)中的仿生學(xué)理念

橋梁的設(shè)計(jì)和建造本身就是基于對大自然的感悟而得來的靈感，橋梁設(shè)計(jì)者在不知不覺中已經(jīng)開始應(yīng)用仿生學(xué)的設(shè)計(jì)理念。吊橋、梁橋、拱橋等橋梁形式都能在生物學(xué)中找到他們的靈感出處。在現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)和建筑過程中，橋梁結(jié)構(gòu)都包括細(xì)部與整體，宏觀與微觀兩方面。

2.1仿生學(xué)的宏觀設(shè)計(jì)與微觀設(shè)計(jì)

根據(jù)仿生學(xué)微觀與宏觀的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)師仿生思維在設(shè)計(jì)過程中也分成了微觀橋梁設(shè)計(jì)以及宏觀橋梁設(shè)計(jì)。無論是哪一種形式的仿生設(shè)計(jì)，目的都是為了現(xiàn)代橋梁的設(shè)計(jì)，因此，我們更需要一種統(tǒng)一的、綜合仿生學(xué)設(shè)計(jì)，為建筑設(shè)計(jì)的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能等方面的創(chuàng)新和完善提供靈感。通過不斷地模仿和研究自然界中生命體的特征和表現(xiàn)，能夠幫助設(shè)計(jì)者們激發(fā)創(chuàng)作的思路，創(chuàng)造出更加新穎和完美的橋梁造型方案。

2.2仿生學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化自然結(jié)構(gòu)

不論是從整體結(jié)構(gòu)上講，還是局部構(gòu)造方面的選擇和運(yùn)用，在自然界中的經(jīng)過優(yōu)勝劣汰的優(yōu)化結(jié)構(gòu)能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)師和建筑師們提供相應(yīng)更廣闊的思路。在微觀仿生設(shè)計(jì)過程中所設(shè)計(jì)的橋梁建筑一定要能夠適應(yīng)和自我調(diào)控，能夠承擔(dān)地震、狂風(fēng)以及可能發(fā)生的自然環(huán)境的惡劣變化。無論是站在微觀仿生或是宏觀仿生角度上分析，設(shè)計(jì)師所設(shè)計(jì)的橋梁都是通過生命體向非生命體的重要轉(zhuǎn)變。

2橋梁建筑設(shè)計(jì)建造中的仿生學(xué)應(yīng)用

橋梁建筑是建筑系統(tǒng)的重要分支，隨著人們對建筑功能和審美的需求越來越高，現(xiàn)代橋梁建筑的發(fā)展也需要不斷注入新的靈感和創(chuàng)意，仿生學(xué)與建筑學(xué)的完美結(jié)合必然給橋梁的設(shè)計(jì)和建造帶來無窮的活力。

2.1 仿生學(xué)在橋梁建筑材料的應(yīng)用

建筑材料在橋梁的發(fā)展歷史中都一直占據(jù)著重要的地位，利用仿生學(xué)的理念來開發(fā)新材料也成為建筑學(xué)上一直研究的重點(diǎn)。實(shí)踐證明，自然界中的生物經(jīng)過無數(shù)次進(jìn)化，其很多功能和結(jié)構(gòu)都可以給設(shè)計(jì)者們帶來靈感，提供無限的參考價(jià)值。仿生建材是通過模仿生物機(jī)體結(jié)構(gòu)組成體的化學(xué)成分，來實(shí)現(xiàn)與其功能相似的建筑材料。這些建筑材料往往具有特殊韌性、強(qiáng)度或是具備其它生物特性?，F(xiàn)代的橋梁建筑中，仿生學(xué)材料可以說無處不在，并引導(dǎo)著建筑學(xué)材料的發(fā)展趨勢。現(xiàn)代的橋梁建造中，鋼筋混凝土已成為建筑施工中不可或缺的結(jié)構(gòu)，扮演著重要的角色。鋼筋混凝土的誕生就是仿生學(xué)在建筑材料應(yīng)用的典范。法國設(shè)計(jì)師通過研究植物的根系，利用鐵絲網(wǎng)仿造植物的根系組織，再把水泥、砂石澆筑在一起，形成了堅(jiān)固的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。日本科學(xué)家在木質(zhì)材料的啟發(fā)下，在一般混凝土中摻加約1%的長纖維狀分子添加劑，開發(fā)出了新的建筑纖維材料，與木質(zhì)材料的彈性韌性強(qiáng)，能抵抗相當(dāng)?shù)恼駝?dòng)和沖擊效果類似。與此類似的是，在混凝土中加入網(wǎng)狀的纖維，增強(qiáng)了混凝土在水中的凝結(jié)能力，有助于橋梁的水下作業(yè)。

2.2 仿生學(xué)在橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)的應(yīng)用

橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)方面的仿生，是研究自然界生物結(jié)構(gòu)及其組成部分的運(yùn)動(dòng)機(jī)能，通過模仿生物形體或其運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)，來構(gòu)建各式各樣的橋梁結(jié)構(gòu)形體。橋梁結(jié)構(gòu)方面上的仿生實(shí)質(zhì)也是力學(xué)方面上的仿生，其研究的方向主要是生物體的大體結(jié)構(gòu)和精細(xì)結(jié)構(gòu)具備的良好力學(xué)性能，進(jìn)而設(shè)計(jì)出強(qiáng)度大、用料節(jié)省等橋梁結(jié)構(gòu)。掏空梁的設(shè)計(jì)就是基于動(dòng)物機(jī)體的研究，在充分利用材料的基礎(chǔ)上，采用空心板和箱梁等結(jié)構(gòu)形式來提高材料的利用率，結(jié)構(gòu)件仿生也是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中仿生的重要表現(xiàn)形式。

2.3 仿生學(xué)在橋梁建筑形態(tài)方面的應(yīng)用

形態(tài)仿生是最直觀和最容易理解的仿生學(xué)應(yīng)用，通過對自然界中生命現(xiàn)象和生物特征的描繪和衍生，利用建筑美學(xué)的藝術(shù)表達(dá)來創(chuàng)設(shè)建筑形態(tài)，從而表現(xiàn)出具有生物形態(tài)象征的仿生學(xué)建筑構(gòu)造。仿生學(xué)應(yīng)用于橋梁建筑中不僅是基于生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)作原理的模仿，而是旨在總結(jié)生物形態(tài)的自然規(guī)律，進(jìn)而在橋梁形態(tài)仿生設(shè)計(jì)中尋找科學(xué)原理和藝術(shù)美感。從自然界中的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)現(xiàn)象來激發(fā)靈感，創(chuàng)造出富有新穎造型、特色外表的橋梁構(gòu)造，是仿生學(xué)在橋梁設(shè)計(jì)中最普遍的應(yīng)用，發(fā)展到今天，已經(jīng)從單純的模仿上升為藝術(shù)再創(chuàng)造的形態(tài)仿生應(yīng)用。

2.4 仿生學(xué)在橋梁建筑功能上的應(yīng)用

橋梁建筑的核心應(yīng)用在其功能設(shè)計(jì)和完善，仿生學(xué)在建筑中最有升值價(jià)值的應(yīng)用也在于此。然而，仿生學(xué)在橋梁功能的運(yùn)用一直以來都是比較薄弱的環(huán)節(jié)，仍存在著巨大的潛力等待挖掘。自然界的生物通過機(jī)體來完成其生命特征，橋梁建筑的仿生設(shè)計(jì)理念也是基于生物體，但橋梁本身是無法具備生命體征的。因此，橋梁建筑的功能仿生是利用類推等方法來實(shí)現(xiàn)橋梁的耐久、節(jié)能等功能效果，并最終完成類生命建筑橋梁的設(shè)計(jì)和建造。建筑橋梁功能上的仿生要依靠生物學(xué)的規(guī)律，包括生物的新陳代謝及對自然界環(huán)境的適應(yīng)特征等，從生命體的周期思維入手，建立起全壽命的橋梁建筑思想，從而設(shè)計(jì)出擁有類似生物體結(jié)構(gòu)體系的橋梁建筑，并能夠使橋梁具備可修性、可控性、可檢性和可持續(xù)性等。

2.5橋梁建筑生態(tài)觀與仿生學(xué)

橋梁的設(shè)計(jì)與建造同時(shí)要關(guān)注其生態(tài)學(xué)地位與功能，成功的橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)該對周圍的環(huán)境保護(hù)與區(qū)域規(guī)劃起到良性的保護(hù)、促進(jìn)作用，反之將對環(huán)境起到嚴(yán)重的負(fù)面影響。橋梁仿生雖然無法實(shí)現(xiàn)與動(dòng)植物生命體一樣自身完成生物特征，但橋梁在生態(tài)中的地位是不容小視的。作為橋梁的設(shè)計(jì)者和建造者，應(yīng)將資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的生態(tài)理念深入到每一環(huán)節(jié)中，在橋梁建筑的用料上多采用地方性材料和可再生材料，減少運(yùn)輸成本和資源；對施工中剩余的可利用材料優(yōu)先使用，避免拆建建筑；此外，橋梁建筑設(shè)計(jì)可以充分發(fā)揮自然能源的利用，比如將太陽能與風(fēng)能運(yùn)用到橋梁建筑的排水、通風(fēng)和照明方面，能夠更大程度上減少自然資源的損耗。

3 結(jié)語

仿生學(xué)的應(yīng)用潛力在于自然界各種生物體和自然現(xiàn)象的不斷變化和適應(yīng)，每一特征都可能給予建筑設(shè)計(jì)者們靈感，從而帶來新穎和特殊功能的橋梁建筑。當(dāng)前研究仿生學(xué)并通過各種科學(xué)的類比、類推等設(shè)計(jì)手段，來設(shè)計(jì)建造出和諧生態(tài)環(huán)境并有效服務(wù)人類的優(yōu)秀橋梁。自然界中的生物生長和其它自然現(xiàn)象的變化都會(huì)遵循一定的規(guī)律，其發(fā)生和發(fā)展都在不斷地適應(yīng)環(huán)境和更好地生存，未來仿生學(xué)的應(yīng)用也會(huì)沿著這個(gè)方向發(fā)展。

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