結(jié)構(gòu)仿生在大跨度建筑設(shè)計中的應(yīng)用分析

魏曉華 田長河

（洛陽市規(guī)劃建筑設(shè)計研究院有限公司 河南洛陽 471000）

現(xiàn)階段，仿生設(shè)計學(xué)是以仿生學(xué)與設(shè)計學(xué)作為基礎(chǔ)，不斷發(fā)展的一門邊緣學(xué)科。而仿生建筑指的是把生物界一些生物體的形象構(gòu)造和功能組織的規(guī)律當(dāng)成研究對象，對于自然界中的建造規(guī)律進行有關(guān)的探索，并且通過研究成果，使用豐富并且完善的建筑處理手段，在建筑形體結(jié)構(gòu)以及功能布局中進行實際的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)仿生在建筑仿生學(xué)中屬于主要的研究內(nèi)容。如何讓大跨度的建筑變得更加美觀實用，并且高效節(jié)能，是結(jié)構(gòu)仿生研究的目的，結(jié)構(gòu)仿生引進了自然界內(nèi)簡單高效、美觀多樣、系統(tǒng)整合等特征，為大跨度的建筑設(shè)計提供了新的視角，增添了創(chuàng)新性。所以，對于大跨度建筑中結(jié)構(gòu)仿生的應(yīng)用進行相關(guān)的分析，從中探尋應(yīng)用的方法和原則，在建筑領(lǐng)域是十分有必要的。

1 結(jié)構(gòu)仿生方法的應(yīng)用

現(xiàn)階段，結(jié)構(gòu)仿生應(yīng)用主要體現(xiàn)在三個方面，包含了仿生材料的研究、仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及仿生系統(tǒng)的開發(fā)。

1.1 仿生材料的研究

仿生材料的研究在結(jié)構(gòu)仿生中屬于一個重要的分支，指的是從微觀的角度上對于生物材料自身的結(jié)構(gòu)特點、構(gòu)造存在的關(guān)系進行研究，從而研發(fā)相似的或者優(yōu)于生物材料的辦法。仿生材料的研究可以給人們提供具有生物材料自身優(yōu)秀性質(zhì)的材料。因為在建筑領(lǐng)域，對于材料的強度、密度、剛度等方面有著比較高的要求，而仿生材料滿足了這種要求，因此，仿生材料的研究成果在建筑領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)今，加氣混凝土、泡沫塑料、泡沫混凝土、泡沫玻璃、泡沫橡膠等內(nèi)部有氣泡的呈現(xiàn)蜂窩狀的建筑材料已經(jīng)在建筑領(lǐng)域大量使用，不到使建筑結(jié)構(gòu)變得更加簡單美觀，還能夠起到很好的保溫隔熱的效果，并且成本比較低，有利于推廣應(yīng)用。

1.2 仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計

仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計指的是將生物和其棲居物作為研究原型，通過對于結(jié)構(gòu)體系進行有效的分析，給設(shè)計結(jié)構(gòu)提供一個合理的外形參照。通過分析具體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，把其應(yīng)用在建筑施工設(shè)計中，可以提出合理并且多樣的建筑結(jié)構(gòu)形式。建筑對于結(jié)構(gòu)有著各種不同的要求，例如建筑跨度、建筑強度、建筑形態(tài)等。仿生結(jié)構(gòu)自身具有結(jié)構(gòu)受力性能較好、形態(tài)多樣并且美觀等特點，因此，在建筑領(lǐng)域得到了比較廣泛的應(yīng)用。在大跨度的建筑中，使用的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、拱結(jié)構(gòu)、充氣結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)等，都屬于仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計的良好示范。

1.3 仿生系統(tǒng)開發(fā)

仿生系統(tǒng)的開發(fā)是把生物系統(tǒng)作為原型，對于原型系統(tǒng)內(nèi)部不同因素的組合規(guī)律進行研究，在理論的幫助下，開發(fā)各種不同的人造系統(tǒng)。仿生系統(tǒng)開發(fā)重點在如何處理好各個子系統(tǒng)與各個因素間的關(guān)系，使其可以并行，并且能夠相互促進。建筑屬于高度集成的一個系統(tǒng)。伴隨建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，生態(tài)建筑將會不斷興起，在建筑中涵蓋的子系統(tǒng)也會越來越多，例如能耗控制系統(tǒng)等，系統(tǒng)的集成度也會越來越高。仿生系統(tǒng)有效良好的整合優(yōu)勢，因此，其在建筑領(lǐng)域的使用的前景十分廣闊。

2 在大跨度的建筑設(shè)計中結(jié)構(gòu)仿生的表征

2.1 形態(tài)設(shè)計

結(jié)構(gòu)仿生有著多樣性、高效性、創(chuàng)新性等特點，能夠滿足建筑形態(tài)對于設(shè)計的要求，是形態(tài)進行設(shè)計的一個選擇。例如在里昂的機場和火車站就屬于一個例子。各種建筑構(gòu)件和生物原型有著一定的并且相似性，并且通過材料與形態(tài)的變化，起到引導(dǎo)人群的作用，把旅行變成了一種令人難忘的體驗。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

因為大跨度的建筑設(shè)計，其跨度比較大，空間的形態(tài)較為多變，通常需要使用到許多的結(jié)構(gòu)形式，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計在大型的公共建筑設(shè)計中屬于重要的部分，其在很大程度上決定了建筑設(shè)計的效果。對于大自然的結(jié)構(gòu)形態(tài)進行研究，是滿足建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效途徑。將微生物、動植物、人類自身作為原型，能夠?qū)τ谙到y(tǒng)結(jié)構(gòu)性質(zhì)進行分析，借鑒多種不同的材料組合以及截面的變化，使用結(jié)構(gòu)仿生的原理，對于建筑工程結(jié)構(gòu)支撐件做仿生方面的設(shè)計，能夠?qū)τ诠δ?、結(jié)構(gòu)、材料進行優(yōu)化配置，可以有效的提高建筑施工結(jié)構(gòu)的效率，降低工程施工的成本，對于大跨度建筑有著十分重要的作用。

2.3 節(jié)能設(shè)計

結(jié)構(gòu)仿生方法指的是通過模擬不同生物體控制能量輸出輸入的手段，對于建筑能量狀況進行有效的控制。和生物類似，建筑可以有效適應(yīng)環(huán)境，順應(yīng)環(huán)境自身的生態(tài)系統(tǒng)，起到節(jié)能減耗的效果。充分地開發(fā)并且利用自身環(huán)境中的自然資源，例如風(fēng)能、地?zé)?、太陽能、生物能等，形成有效的自然系統(tǒng)，獲得通風(fēng)、供熱、制冷、照明，在最大程度上減少人工的設(shè)施。使其具備自我調(diào)節(jié)、自我診斷、自我保護或維護、自我修復(fù)、形狀確定、自動開關(guān)等功能。和這個類似，建筑也能夠有著生命體的調(diào)整、感知、控制的功能，精確適應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)外界環(huán)境與內(nèi)部狀態(tài)的變化。建筑應(yīng)該有反饋功能、信息積累功能、信息識別功能、響應(yīng)性、預(yù)見性、自我維修功能、自我診斷功能、自動適應(yīng)以及自動動態(tài)平衡功能等，有效進行自我調(diào)節(jié)，主動順應(yīng)環(huán)境的變化，起到節(jié)能減耗的效果。

3 結(jié)構(gòu)仿生在大跨度建筑設(shè)計中的設(shè)計手段

3.1 圖紙表達

3.1.1 構(gòu)思草圖

建筑師進行建筑設(shè)計創(chuàng)作的時候，大多是從草圖構(gòu)思開始，構(gòu)思草圖指的是建筑師受到創(chuàng)作意念的驅(qū)動作用，將平日知識和經(jīng)驗積累進行相互的結(jié)合，把復(fù)雜關(guān)系不斷抽象化，簡約成為有關(guān)的建筑知識，草圖構(gòu)思指的是建筑師需要腦眼手相互協(xié)作，是建筑師集中體現(xiàn)創(chuàng)新的形式，因為仿生建筑的形體比較靈活，在開始構(gòu)思草圖中起著十分重要的作用。

3.1.2 設(shè)計圖紙

設(shè)計圖紙指的是建筑師用來表達設(shè)計效果的一個常規(guī)工具，但在其中，也存在著一些比較有創(chuàng)意的手法，用來表現(xiàn)有效的設(shè)計思想，和以往的表達方法不一樣，現(xiàn)代表現(xiàn)方法中使用到的透視圖或者軸測圖一般是和實體聯(lián)結(jié)方式、大量的空間以及構(gòu)造、結(jié)構(gòu)、設(shè)備的分析圖一起使用的。

3.2 模型研究

模型設(shè)計在方案構(gòu)思階段屬于不可缺少的一項工具，它自身的直觀性、真實性和可體驗性能夠有效彌補在三維表達上圖示語言存在的不足，模型研究對于建筑結(jié)構(gòu)的形態(tài)以及各個細部處理有著十分重要的作用，模型能夠給人們帶來十分直觀的體驗，從各個視角去感受到設(shè)計的空間、設(shè)計的體量和設(shè)計的形態(tài)，能夠幫助人們比較全面地進行設(shè)計評估，避免設(shè)計存在的不確定性，與此同時，模型有著到位的細節(jié)設(shè)計和準確的形態(tài)比例關(guān)系，能夠方便和客戶進行交流溝通工作。

3.3 計算機模擬

現(xiàn)今，以計算機作為核心的信息技術(shù)在很大程度上增加了建筑師的創(chuàng)造能力，并且推動了計算機的圖形學(xué)技術(shù)發(fā)展，人們能夠在計算機模擬的虛擬環(huán)境內(nèi)有效地落實頭腦中所呈現(xiàn)的建造活動，這屬于虛擬建造，動態(tài)的、逼真的模擬真實的情境，是計算機模擬的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

在建筑中仿生手段有著比較久的發(fā)展歷史，但是仿生建筑的概念提出的時間卻不長。在建筑仿生學(xué)中，結(jié)構(gòu)仿生屬于主要的一個研究內(nèi)容，并且在大跨度的建筑中得到了有效的應(yīng)用，取得了一定的進展，但與此同時，不可避免產(chǎn)生了一些問題，參考在以往建筑發(fā)展中出現(xiàn)的教訓(xùn)經(jīng)驗，相關(guān)人員在面臨建筑結(jié)構(gòu)仿生的應(yīng)用時，需要進行理性的準確的評判，只有通過這種方式，才可以使結(jié)構(gòu)仿生更好的被使用在建筑領(lǐng)悟中，才能夠更好的促進建筑行業(yè)的發(fā)展。

[1]亞歷山大·佐尼斯，著.趙 欣，譯.圣地亞哥·卡拉特拉瓦.大連：大連理工大學(xué)出版社，2010（11）：69～71.

[2]岑海堂，陳五一.仿生學(xué)概念及其演變[J].機械設(shè)計，2014（7）：36～38.

[3]孫久榮，戴振東.仿生學(xué)的現(xiàn)狀和未來[J].生物物理學(xué)報，2012（4）：223～224.