淺述形態(tài)仿生學(xué)在橋梁造型設(shè)計上的應(yīng)用

易紅艷

(廣西南寧市新點(diǎn)線交通勘測設(shè)計有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530011)

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淺述形態(tài)仿生學(xué)在橋梁造型設(shè)計上的應(yīng)用

易紅艷

(廣西南寧市新點(diǎn)線交通勘測設(shè)計有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530011)

文章以形態(tài)仿生學(xué)為研究對象，通過形態(tài)仿生學(xué)在橋梁造型設(shè)計上的幾個具體應(yīng)用實(shí)例，對形態(tài)仿生學(xué)應(yīng)用的要點(diǎn)、效果、前景等進(jìn)行相應(yīng)闡述，為今后橋梁的造型設(shè)計提供一種新的設(shè)計視野和研究方向。

形態(tài)仿生學(xué)；橋梁造型；設(shè)計；應(yīng)用

0 引言

人類歷史上對仿生學(xué)的應(yīng)用可謂源遠(yuǎn)流長，從遠(yuǎn)古時代起，仿生學(xué)就已經(jīng)被人類自覺不自覺地展開了探索和應(yīng)用，以滿足人類生存和發(fā)展的各種需求。我國自古就有“師法造化”的審美傳統(tǒng)，但直到1960年時，仿生學(xué)作為一門獨(dú)立的學(xué)科才被人們確立下來，并在最近幾十年得到了人們的重視和研究，也得到了長足的發(fā)展與應(yīng)用。仿生學(xué)在橋梁上的應(yīng)用，特別是形態(tài)仿生學(xué)在橋梁造型設(shè)計上的應(yīng)用，雖然已經(jīng)探索和發(fā)展了一段時間，也取得了豐富的碩果，但我們不該僅滿足于此，需要更進(jìn)一步地研究和探索，這也將使形態(tài)仿生學(xué)在橋梁造型設(shè)計上得到更為廣泛的應(yīng)用，為能夠建造出結(jié)構(gòu)合理、造型優(yōu)美、造價低廉的優(yōu)質(zhì)橋梁提供有力保障。本文將對形態(tài)仿生學(xué)在橋梁造型設(shè)計上的應(yīng)用進(jìn)行

分析和闡述，為該領(lǐng)域的研究和發(fā)展提供一些參考資料和意見。

1 形態(tài)仿生學(xué)

1960年美國斯蒂爾博士給仿生學(xué)做了這樣的定義：“仿生學(xué)是模仿生物系統(tǒng)的原理以建造技術(shù)系統(tǒng)，或使人造技術(shù)系統(tǒng)具有生物系統(tǒng)特征或類似特征的科學(xué)”。簡單概括就是模仿生物的科學(xué)。自此，仿生學(xué)作為一門獨(dú)立的學(xué)科才算被正式確立下來。仿生學(xué)在其發(fā)展過程中，先后經(jīng)歷了萌芽時期、建立時期、鞏固時期和現(xiàn)代仿生學(xué)時期這四個發(fā)展階段，同時也發(fā)展出不同側(cè)重點(diǎn)的仿生學(xué)分支，按研究領(lǐng)域可分為信息仿生學(xué)、力學(xué)仿生學(xué)、控制仿生學(xué)、化學(xué)仿生學(xué)、醫(yī)學(xué)仿生學(xué)等；按研究角度可分為宏觀仿生和微觀仿生，宏觀仿生可細(xì)分為形態(tài)仿生、力學(xué)仿生、意象仿生，微觀仿生可細(xì)分為功能仿生、材料仿生、神經(jīng)仿生等。

形態(tài)仿生學(xué)是仿生學(xué)中的一個重要分支，主要針對生物體(包括動物、植物、人類、微生物)以及自然界內(nèi)客觀存在實(shí)體的外部造型、表面紋理、視覺感觀等進(jìn)行研究，屬于宏觀仿生學(xué)范疇。

2 形態(tài)仿生學(xué)在橋梁造型設(shè)計上的應(yīng)用實(shí)例

形態(tài)仿生學(xué)在橋梁造型設(shè)計上的應(yīng)用，主要是從大自然中的各種動植物和客觀存在實(shí)體的外部造型、表面紋理、視覺感觀等宏觀特征入手，通過觀察、模仿、類比、模擬、抽象等具體的仿生學(xué)研究手段，達(dá)到以最少的材料和最合理的結(jié)構(gòu)，取得最大程度效益的應(yīng)用效果。這樣獲取效益的研究理論，是現(xiàn)代可持續(xù)發(fā)展的重要觀點(diǎn)，同樣也是橋梁造型設(shè)計一直奉行的設(shè)計理念。形態(tài)仿生學(xué)在橋梁造型設(shè)計上的應(yīng)用，在現(xiàn)代橋梁建設(shè)中已有很多，許多橋梁的外觀造型都可以在自然界中找到原型，也可以說自然界的豐富多姿已經(jīng)成為了很多橋梁設(shè)計者的靈感源泉。下面就列舉幾個形態(tài)仿生學(xué)在橋梁造型設(shè)計上的應(yīng)用實(shí)例，以供大家參考和學(xué)習(xí)。

2.1 洛陽瀛洲大橋

洛陽瀛洲大橋，位于我國的“九朝古都”陜西省洛陽市的瀛洲路上，是一座通行兼景觀大橋，于2007年3月開工建設(shè)，2009年4月大橋竣工通車。瀛洲大橋主橋長610 m，由8個上承式鋼筋混凝土連續(xù)拱邊跨和1個跨長120 m的月亮形中承式鋼管混凝土系桿拱中跨組成。橋梁主拱圈是國內(nèi)首座空間組合倒三角形拋物線拱橋，呈“下玄月”造型，主橋拱的造型設(shè)計意圖明顯，直接模仿于自然界中的月亮造型，并結(jié)合洛陽八大景之一的“天津曉月”，使得橋梁整體景觀如水上升明月，實(shí)現(xiàn)了“月兒彎彎照九州”的人文設(shè)想，也完全達(dá)到了橋梁造型與環(huán)境景色、與文化底蘊(yùn)完美結(jié)合的效果。

圖1 自然界的下玄月造型圖

圖2 洛陽瀛洲大橋的主拱圈造型圖

2.2 白石天河大橋

白石天河大橋，位于我國廬江縣同大鎮(zhèn)白石天河入巢湖河口400 m處，是環(huán)巢湖旅游大道4座大橋之一。橋梁總長826 m，主橋跨徑布置為80 m+130 m，是一座白鷺?biāo)旌狭盒崩瓨颍脑煨皖愃苾芍话橒B兒，形象簡約而生動，有主塔和副塔的高低錯落層次，橫向雙排布置斜拉索。截止2013年11月，白石天河大橋還在施工中。

白石天河大橋的白鷺?biāo)?，是形態(tài)仿生學(xué)在橋梁造型設(shè)計上的應(yīng)用典型實(shí)例。橋梁造型的設(shè)計者通過對觀察白鷺鳥，從白鷺鳥的各種形態(tài)中尋找橋梁造型的影子，例如白鷺鳥的站姿、俯姿、跳躍姿態(tài)、起飛姿態(tài)、飛翔姿態(tài)等等，在通過觀察、類比等方法鎖定白鷺鳥的某種形態(tài)特征可以考慮成為橋梁造型的時候，再對白鷺鳥的原始姿態(tài)進(jìn)行提煉、抽象和進(jìn)一步優(yōu)化，最后形成既滿足仿生學(xué)特點(diǎn)又滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)特點(diǎn)的斜拉橋主塔造型，在具有生物體白鷺造型的生動感之外，還具有強(qiáng)烈的現(xiàn)代感。

圖3 白鷺原始姿態(tài)的造型圖

圖4 白石天河大橋的主塔造型圖

2.3 奧倫賽千禧橋

奧倫賽千禧橋，位于西班牙圣地亞哥附近的奧倫塞，跨越米尼奧河，2001年建成。橋梁的主體結(jié)構(gòu)為單索面斜塔斜拉橋，主梁為等截面預(yù)應(yīng)力箱形曲梁，橋梁全長275 m，寬23 m，雙向四車道，兩側(cè)設(shè)有人行道，最外側(cè)架立環(huán)形步梯。

奧倫賽千禧橋從總體外觀上來看，最大的特點(diǎn)就是她的“大樹葉”造型。這個“大樹葉”的造型是設(shè)計者形態(tài)仿生學(xué)的巧妙應(yīng)用，設(shè)計者對步梯的設(shè)計大膽而浪漫，通過形態(tài)仿生學(xué)將一張“大樹葉”鋪設(shè)于橋面之上，通過對“大樹葉”的葉脈進(jìn)行均勻合理的布局與巧妙設(shè)計，使整張“大樹葉”擁有了一個寬大的自然結(jié)構(gòu)，這樣不僅實(shí)現(xiàn)了設(shè)計者環(huán)形步梯的浪漫設(shè)計，同時也使得“大樹葉”與橋主梁形成一個整體，能夠相互穩(wěn)定而不易受外力影響。設(shè)計者從植物的外觀造型和紋理結(jié)構(gòu)中找到了靈感，把環(huán)形拱象征成葉子的邊，而把斜拉索象征成葉片上的脈絡(luò)。這樣的仿生學(xué)造型設(shè)計，在保證結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的同時，用其大膽和浪漫將人們置身于美麗壯觀的城市景觀中，帶來了美的視覺感受。

圖5 自然界的樹葉造型圖

圖6 奧倫賽千禧橋的環(huán)形步梯造型圖

2.4 德國克希蘭姆跨線橋

德國克希蘭姆跨線橋，位于德國巴登·符騰堡州，跨越德國A8高速公路，于1993年建成。橋梁總長17.64 m+34.44 m+17.64 m=69.72 m，中跨長54 m，橋?qū)? m。橋梁是一座變截面的連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)，變截面梁的高度從0.5 m至1.7 m，整體呈流線型外觀，并與橋梁的彎矩圖外形相似，給人以一種強(qiáng)勁的力量感?？讼Ｌm姆跨線橋所采用的反吊設(shè)計比較少見，主梁下層懸?guī)芰?，上部橋面支撐在懸?guī)稀?/p>

從形態(tài)仿生學(xué)上看，德國克希蘭姆跨線橋的外觀造型比較像一匹正在奔跑的駿馬，這樣的流線型造型，能散發(fā)出一種氣勢磅礴的動感，給人以剛健與力量的感覺。其采用的反吊設(shè)計，將主梁的下層線條調(diào)試得順暢而豐滿。貌似奔跑中的駿馬，是形態(tài)仿生學(xué)在該橋上的具體應(yīng)用，估計這就是該橋?yàn)槭裁床捎梅吹踉O(shè)計而使主梁向下變截面的真正原因。

圖7 奔跑中的駿馬造型圖

圖8 德國克希蘭姆跨線橋的外觀造型圖

3 形態(tài)仿生學(xué)在橋梁造型設(shè)計上的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 形態(tài)仿生學(xué)的基本研究方法

形態(tài)仿生學(xué)的研究對象是各種生物體、各種客觀存在的實(shí)體，形態(tài)仿生學(xué)的研究范圍是這些研究對象的外觀造型、表面紋理、視覺感官的各種形態(tài)和特征，要把這些基本的形態(tài)和特征應(yīng)用到橋梁造型設(shè)計上，就必須通過仔細(xì)地觀察、認(rèn)真地類比、科學(xué)地模擬，在得到有價值的信息后，在從這些信息中提煉、抽象和改進(jìn)優(yōu)化，把生物身上的某些形態(tài)和特征再具體化到橋梁的外觀結(jié)構(gòu)上，形成具體的、合理的、新穎的橋梁造型設(shè)計方案。

3.2 與橋梁美學(xué)的關(guān)系

形態(tài)仿生學(xué)與橋梁美學(xué)的關(guān)系，牽扯到通過形態(tài)仿生學(xué)設(shè)計出的橋梁造型是否符合橋梁美學(xué)的基本要求，是否美觀的問題。這就要求橋梁設(shè)計者在進(jìn)行形態(tài)仿生學(xué)設(shè)計時必須綜合考慮橋梁的美學(xué)要求?，F(xiàn)代的橋梁美學(xué)設(shè)計也不光停留在裝飾、綠化、燈效等狹小的美化觀點(diǎn)上，應(yīng)更加廣泛地介入新結(jié)構(gòu)、新功能、新概念的設(shè)計領(lǐng)域。而形態(tài)仿生學(xué)在橋梁造型設(shè)計上的合理應(yīng)用，可以開闊橋梁造型設(shè)計的美學(xué)視野，在新結(jié)構(gòu)、新造型、新美學(xué)的設(shè)計思路上走得更深遠(yuǎn)。

3.3 與創(chuàng)新設(shè)計的關(guān)系

對于設(shè)計者而言，不光要科學(xué)地觀察、模仿、研究，更要對自然界的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、色彩有所繼承、深入和改進(jìn)。在采用形態(tài)仿生學(xué)進(jìn)行橋梁造型設(shè)計時，必須要做到的是靈感來源于自然界，而結(jié)構(gòu)優(yōu)化要來源于創(chuàng)新設(shè)計，這就是形態(tài)仿生學(xué)與創(chuàng)新設(shè)計的關(guān)系。橋梁設(shè)計者從自然界中汲取設(shè)計的靈感，并無限接近地模擬成模仿對象的合理結(jié)構(gòu)，但大自然也并不是完美的，也一直處于不斷變化、不斷進(jìn)化、不斷優(yōu)化的過程中，所以采用形態(tài)仿生學(xué)進(jìn)行的橋梁造型設(shè)計也應(yīng)該要不斷地優(yōu)化和發(fā)展，創(chuàng)新設(shè)計就是解決這類問題的良好辦法。

4 形態(tài)仿生學(xué)在橋梁造型設(shè)計上的應(yīng)用前景

雖然形態(tài)仿生學(xué)在橋梁造型設(shè)計上已應(yīng)用了很多年，但這并不影響其今后的應(yīng)用前景。隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，各類大跨度現(xiàn)代橋梁的建設(shè)也將繼續(xù)涌現(xiàn)，從交通發(fā)展的需要上來看，各類橋梁的建設(shè)數(shù)量也不會有所減少，在應(yīng)用的實(shí)體和應(yīng)用的機(jī)會上可以說形態(tài)仿生學(xué)在橋梁造型設(shè)計上將有更為廣闊的發(fā)展空間。另一個方面，隨著我國形態(tài)仿生學(xué)的深入研究，許多新方法、新成果、新構(gòu)思都可以應(yīng)用在橋梁造型設(shè)計上，同時我國的橋梁事業(yè)也在不斷地深化和發(fā)展，一些新的設(shè)計理念、新的施工工藝、新的高強(qiáng)材料的出現(xiàn)，也需要配合形態(tài)仿生學(xué)的應(yīng)用，才能更好地發(fā)揮出這些新科技的巨大威力。相信隨著形態(tài)仿生學(xué)和橋梁事業(yè)的繼續(xù)發(fā)展，形態(tài)仿生學(xué)將與橋梁造型設(shè)計結(jié)合得更為緊密，兩者的發(fā)展前景也將更為廣闊。

5 結(jié)語

通過形態(tài)仿生學(xué)在橋梁造型設(shè)計上的幾個具體應(yīng)用實(shí)例，可以看出形態(tài)仿生學(xué)在橋梁造型設(shè)計上的應(yīng)用效果非常良好，本文還針對形態(tài)仿生學(xué)的定義及其應(yīng)用的要點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)闡述與說明，并對形態(tài)仿生學(xué)在橋梁造型設(shè)計上的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，以期為形態(tài)仿生學(xué)的初學(xué)者和橋梁造型設(shè)計的設(shè)計者們提供借鑒，并對該領(lǐng)域的研究與發(fā)展起到積極作用。

[1]宋曉暉，龍 濤.仿生設(shè)計在橋梁景觀中的運(yùn)用[J].鋼結(jié)構(gòu)，2009，3(24)：28-31.

[2]唐寰澄.橋梁美學(xué)[M].北京：人民交通出版社，1999.

[3]陳艾榮，盛 勇，錢 鋒.橋梁造型[M].北京：人民交通出版社，2005.

Discussions on Application of Morphological Bionics in Bridge Modeling Design

YI Hong-yan

(Nanning Xindianxian Traffic Survey Design Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530011)

With the morphological bionics as the research object，and through several specific applica-tion examples of morphological bionics in bridge modeling design，this article described the application key-points，effects，and prospects of morphological bionics，thereby providing a new design vision and research direction for the future bridge modeling design.

Morphological bionics；Bridge modeling；Design；Application

易紅艷(1987—)，助理工程師，從事公路橋梁勘測設(shè)計工作。

U442.5

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.013

1673-4874(2015)11-0059-05

2015-10-03