基于自然仿生法的概念設(shè)計(jì)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

倪亞晨　吳鳴

摘要：文章通過分析概念設(shè)計(jì)的定義、內(nèi)涵及方法，提出了自然仿生法在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和發(fā)展前景，目的在于解決當(dāng)下設(shè)計(jì)人員過分依賴電腦，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目缺乏創(chuàng)新和系統(tǒng)完整的認(rèn)識(shí)的問題，同時(shí)對(duì)自然仿生法在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行初步探討。

關(guān)鍵詞：概念設(shè)計(jì)；自然仿生法；建筑設(shè)計(jì)；建筑形態(tài)；設(shè)計(jì)方案 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU318 文章編號(hào)：1009-2374（2015）14-0021-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.14.011

概念設(shè)計(jì)于20世紀(jì)60年代起源于意大利，又稱觀念設(shè)計(jì)。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，概念設(shè)計(jì)的理論得到了極大豐富，目前概念設(shè)計(jì)在機(jī)械、電子、藝術(shù)、商業(yè)、軍事、土木工程等領(lǐng)域均有一定的應(yīng)用。在土木建筑領(lǐng)域，概念設(shè)計(jì)是拿到設(shè)計(jì)任務(wù)后的最初設(shè)計(jì)階段，也是整個(gè)工程設(shè)計(jì)最重要和最困難的部分，是工程設(shè)計(jì)的靈魂和核心。做好概念設(shè)計(jì)，不僅有助于在后續(xù)的設(shè)計(jì)中全局把握整個(gè)設(shè)計(jì)工程，解決當(dāng)下設(shè)計(jì)人員只注重于自己的設(shè)計(jì)部分，缺乏對(duì)項(xiàng)目整體把握的問題，而且能夠優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，高效地利用財(cái)力、物力，避免浪費(fèi)。概念設(shè)計(jì)能夠幫助設(shè)計(jì)師進(jìn)行方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，同時(shí)概念設(shè)計(jì)也體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者對(duì)總體目標(biāo)的洞察力，對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)的駕馭能力以及工程思維和綜合處理能力。自然仿生法是概念設(shè)計(jì)的一種重要方法，將其引入建筑概念設(shè)計(jì)具有極其重要的意義。

1 概念設(shè)計(jì)

由于概念設(shè)計(jì)是一個(gè)新興的設(shè)計(jì)概念，而且在多種領(lǐng)域均有應(yīng)用，不僅如此，即使在同一領(lǐng)域的不同方面的應(yīng)用也各有側(cè)重，所以關(guān)于概念設(shè)計(jì)的定義不勝枚舉。但是概念設(shè)計(jì)的提出者Pahl和Beitz，在《Engineering Design》一書中的定義被廣泛引用。其定義為在確定任務(wù)之后，通過抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)，尋求適當(dāng)?shù)淖饔迷砗徒M合，確定基本求解途徑，得出求解方案。

1.1 概念設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

概念設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜而困難的事情，在做概念設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要熟悉相關(guān)政策法規(guī)，更需要扎實(shí)的知識(shí)積累和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

概念設(shè)計(jì)包括“概念生成”和“概念選擇”兩個(gè)階段，概念生成是根據(jù)需求和約束條件，運(yùn)用語言文字、圖像視頻等手段表達(dá)概念設(shè)計(jì)構(gòu)思的過程，概念選擇的核心是對(duì)設(shè)計(jì)方案多方位比選。

概念設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性、多樣性、層次性、約束性、殘缺性和復(fù)雜性，創(chuàng)新是概念設(shè)計(jì)最核心的部分。創(chuàng)新可分為原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新，原始創(chuàng)新是較高層次的創(chuàng)新，引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新是大多數(shù)創(chuàng)新的一般途徑。一個(gè)好的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能夠提高設(shè)計(jì)方案的競(jìng)爭(zhēng)力，讓作品在眾多方案中脫穎而出，這對(duì)競(jìng)標(biāo)相當(dāng)重要。

1.2 概念設(shè)計(jì)的一般方法

演繹法：演繹法是從一般性的前提出發(fā)，通過推導(dǎo)即“演繹”，得出具體陳述或個(gè)別結(jié)論的過程。在使用演繹法時(shí)先分析設(shè)計(jì)對(duì)象的一般特征和要求，結(jié)合特定條件對(duì)方案進(jìn)行不斷地修正，最后得到設(shè)計(jì)方案。演繹法是一種比較成熟的概念設(shè)計(jì)方法，有利于產(chǎn)生方案的多樣性，但不易得到創(chuàng)新性較強(qiáng)的方案。

頭腦風(fēng)暴法：頭腦風(fēng)暴法是奧斯本創(chuàng)造的一種方法，有利于充分發(fā)揮群體協(xié)作的優(yōu)越性。頭腦風(fēng)暴法需要團(tuán)隊(duì)集合到一起，通過像圓桌會(huì)議的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的討論，在此過程中，需要堅(jiān)持保留判斷和數(shù)量積累的兩個(gè)原則，以期獲得更多可比的優(yōu)秀idea，也不遺漏有潛力的方案。

交叉移植法：交叉移植不僅是把不同學(xué)科、不同原理交叉，也要善于把不同方案交叉組合，不同方案取長(zhǎng)補(bǔ)短，能夠加快問題的解決速度和做出優(yōu)質(zhì)方案。

以上三種方法是能夠應(yīng)用于所有概念設(shè)計(jì)的一般性方法，對(duì)概念設(shè)計(jì)的操作過程具有很好的指導(dǎo)效果，但并不能拿來做具體的概念設(shè)計(jì)，現(xiàn)就概念設(shè)計(jì)在建筑設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用提出一個(gè)很實(shí)用的方法——自然仿生法，而自然仿生法的使用則需要以上三種方法作為支撐。自然仿生法具體可分為自然功法和自然形生法。

2 自然仿生法

2.1 自然功法

從某種角度講，自然界的各種現(xiàn)象的出現(xiàn)是無序的，但又存在某種普遍規(guī)律，這些規(guī)律由相應(yīng)的原理控制。自然功法就是一種通過對(duì)生物某種功能的研究，依據(jù)其功能原理，結(jié)合人的技術(shù)改造，創(chuàng)造出具有與其相似功能的產(chǎn)品的方法。

自然功法在建筑上的應(yīng)用雖然目前較少，但隨著人們對(duì)建筑物的要求不僅僅是滿足于安全性和功能性，而越來越注重建筑物的舒適性的時(shí)候，自然功法便是解決這個(gè)問題的一個(gè)有效途徑。

在建筑設(shè)計(jì)的概念設(shè)計(jì)階段，自然功法在拿到設(shè)計(jì)任務(wù)后就應(yīng)該開始準(zhǔn)備了，自然功法的設(shè)計(jì)過程可分為四個(gè)階段，分別為學(xué)習(xí)招標(biāo)文件和其他資料階段、搜集具有與建筑所需相似功能的相關(guān)生物資料階段、分析資料并做出設(shè)計(jì)階段、方案比選階段。前三階段是概念生成階段，后一階段是概念選擇階段。

第一階段，學(xué)習(xí)招標(biāo)文件和其他資料階段。學(xué)習(xí)招標(biāo)文件和所能搜集到的一切與項(xiàng)目相關(guān)的信息，了解甲方對(duì)該工程建設(shè)目的、期望和接受范圍。該階段是承接一項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)首先要做的事，也是引領(lǐng)整個(gè)設(shè)計(jì)過程的階段，必須認(rèn)真踏實(shí)，盡量減少認(rèn)識(shí)上的錯(cuò)誤和偏差。

第二階段，搜集具有與建筑所需相似功能的相關(guān)生物資料階段，簡(jiǎn)單的說就是通過抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)部分。搜集資料前必須做建設(shè)工程的需求分析，特別是未來的使用者對(duì)建筑的使用體驗(yàn)需求分析。接下來根據(jù)分析資料，確定搜集生物資料的范圍。所搜集的資料必須有效，即每項(xiàng)生物資料必須有項(xiàng)目不同的功能需求說明、相關(guān)生物資料的具體內(nèi)容和原理分析、技術(shù)支持三大部分。

第三階段，分析資料并做出設(shè)計(jì)階段。該階段需要分析生物特定功能所具備的原理在建筑中應(yīng)用的效果和可行性，在分析資料的基礎(chǔ)上利用相關(guān)原理，結(jié)合人為技術(shù)改造，進(jìn)行方案的概念設(shè)計(jì)，在此處可考慮采用交叉移植法進(jìn)行組織設(shè)計(jì)。

第四階段，方案比選階段。方案比選包括需求比選和性價(jià)比比選，需求比選是要比較不同方案能夠達(dá)到業(yè)主需求的程度及其附加，性價(jià)比比選即安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀、環(huán)保和耐久方面的比較。

以上每階段不是相互獨(dú)立的，應(yīng)該是一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，哪一步發(fā)現(xiàn)問題，都要及時(shí)返回上一步進(jìn)行方案修正。

2.2 自然形生法

自然形生法可分為形態(tài)仿生和超形態(tài)仿生，此處的“生”表示“產(chǎn)生、創(chuàng)造出”之意。自然形生法不同于自然功法，區(qū)別有兩點(diǎn)：其一，自然功法“仿”的對(duì)象是自然界的一切生物，后者則是針對(duì)自然界的一切可能的生物體和非生物體；其二，前者只是功能仿生，對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和形態(tài)等無要求，更多時(shí)候是非常不同的，而自然形生法主要是形態(tài)上的“仿”。但兩者又有共同點(diǎn)，比如兩種方法都是對(duì)自然界已存在的事物進(jìn)行“仿制”，都需要進(jìn)行人工技術(shù)改造。現(xiàn)就形態(tài)仿生和超形態(tài)仿生法做進(jìn)一步的說明。

2.2.1 形態(tài)仿生法。形態(tài)仿生就是盡可能地保留所仿事物的形態(tài)信息，以期達(dá)到與其相似的功能特性、美學(xué)特性以及自然和諧性。如仿魚鰭的船槳、仿鳥類的飛機(jī)都可作為形態(tài)仿生設(shè)計(jì)的范例，它們因?yàn)榫哂心撤N形態(tài)才具備了一定的功能特性，這就是形態(tài)仿生法的實(shí)質(zhì)。

以國(guó)家游泳中心為例，“水立方”的概念靈感來源于“一個(gè)方盒子，裝了很多水泡泡”的形象。一個(gè)英文詞Water Cube（水立方）既表達(dá)了方形，又與水有關(guān)。該方案新穎獨(dú)特的概念設(shè)計(jì)推出之后，立即引起了人們的注意。

“水立方”整體建筑由3000多個(gè)氣枕組成，氣枕大小不一、形狀各異，覆蓋面積達(dá)到10萬平方米，堪稱世界之最。成功的概念設(shè)計(jì)不僅使該方案能夠在眾多設(shè)計(jì)方案中脫穎而出，而且毫無懸念的成為了北京奧運(yùn)會(huì)標(biāo)志建筑物之一。國(guó)際奧委會(huì)主席羅格評(píng)價(jià)：“水立方的賽后運(yùn)營(yíng)是國(guó)際奧林匹克史當(dāng)中場(chǎng)館賽后利用的一個(gè)典范?！?/p>

圖1 國(guó)家游泳中心“水立方”

水立方的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于“氣泡理論”，愛爾蘭教授Weaire和Phelan給出的多面體中十二面體單元和十四面體單元體積相等，但建筑結(jié)構(gòu)并沒有這種要求，而是追求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，故經(jīng)過優(yōu)化，選用的是四面體的兩個(gè)六邊形長(zhǎng)邊的四個(gè)頂點(diǎn)相連，構(gòu)成一個(gè)正方形。上述設(shè)計(jì)很好地說明了怎么用形態(tài)仿生法去做概念設(shè)計(jì)，形態(tài)仿生法和其他兩個(gè)方法一樣，都只是提供一種設(shè)計(jì)思路，至于具體的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍然必須以結(jié)構(gòu)、材料等方面的基本理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2.2 超形態(tài)仿生法。所謂超形態(tài)仿生，就是參考事物的形體特征，加上人的藝術(shù)加工，設(shè)計(jì)出的極具美學(xué)價(jià)值的仿生產(chǎn)品。超形態(tài)仿生與形態(tài)仿生的不同之處就是超形態(tài)仿生更加強(qiáng)調(diào)對(duì)事物的藝術(shù)加工后產(chǎn)生的美學(xué)效果，沒有盡可能地保留所仿事物的形態(tài)信息的要求。以印象海南島劇場(chǎng)為例：

海膽：（1）海膽是海洋中一種古老的生物，已經(jīng)繁衍了近億年的時(shí)間，它見證了海洋的歷史；（2）海膽的圓形輪廓與本工程圓形看臺(tái)的結(jié)構(gòu)相適應(yīng)；（3）海膽球狀的殼體正符合圓形劇場(chǎng)所需的穹頂結(jié)構(gòu)。

由于海膽是造型非常簡(jiǎn)單的球體，為了體現(xiàn)出海膽的優(yōu)美造型，設(shè)計(jì)中通過前拱與后拱之間的弦桁架桿張成三次雙曲拋物面，在外形上進(jìn)行了較大的藝術(shù)加工，最終達(dá)到了很好的美學(xué)效果。

超形態(tài)仿生可以推廣到微觀與宏觀方面的表達(dá)，即把微觀世界的物質(zhì)形態(tài)進(jìn)行人的藝術(shù)加工后，在宏觀世界表達(dá)出來，或者在數(shù)量級(jí)上遠(yuǎn)比人類大的事物，在人類使用范圍內(nèi)表達(dá)出來，以獲得一種奇特的審美感受。當(dāng)然，自然界也一直在做著這種事情，比如一個(gè)生物細(xì)胞和一個(gè)大生物體或一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的相似性、一片樹葉的脈絡(luò)和整棵樹桿的相似呈現(xiàn)、一個(gè)原子系統(tǒng)和一個(gè)星系的相似等。

圖2 海膽

圖3 海南島劇場(chǎng)

3 結(jié)語

概念設(shè)計(jì)是在新時(shí)代下應(yīng)運(yùn)而生的一種設(shè)計(jì)方法，特別是近年以來，隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)產(chǎn)品的體驗(yàn)要求越來越高，傳統(tǒng)的以結(jié)構(gòu)為綱的設(shè)計(jì)思路已經(jīng)越來越不適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展了，因此把基于自然仿生法的概念設(shè)計(jì)引入建筑設(shè)計(jì)很有發(fā)展前景。

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作者簡(jiǎn)介：倪亞晨（1992-），男，河南濮陽人，汕頭大學(xué)工學(xué)院本科在讀學(xué)生。

（責(zé)任編輯：周 瓊）