也談仿生學(xué)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用

劉資軒

[摘 要]仿生學(xué)是指人類模仿生物功能，來發(fā)明創(chuàng)造的科學(xué)。仿生建筑學(xué)是仿生學(xué)的一個分支。仿生建筑以生物界某些生物體功能組織和形象構(gòu)成規(guī)律為研究對象，探尋自然界中科學(xué)合理的建造規(guī)律。并通過這些研究成果的運用來豐富和完善建筑的處理手法，促進建筑形體結(jié)構(gòu)以及建筑功能布局等的高效設(shè)計和合理形成。仿生建筑是綠色建筑。仿生建筑學(xué)的意義是為了運用建筑類比的辦法從大自然中汲取創(chuàng)意靈感，與大自然相適應(yīng)。根據(jù)建筑仿生學(xué)的表現(xiàn)與應(yīng)用方法一般分為城市環(huán)境仿生、建筑材料仿生、建筑功能仿生、建筑結(jié)構(gòu)仿生、建筑形式仿生等五個部分。

[關(guān)鍵詞]仿生建筑學(xué)；建筑設(shè)計；應(yīng)用實例；

中圖分類號：TU 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）11-0079-02

隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，仿生建筑學(xué)作為一門獨立的學(xué)科已日臻成熟，并在土木工程建設(shè)中的應(yīng)用愈加廣泛。仿生建筑在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中是一次大的嘗試，成為建筑發(fā)展的新趨勢。仿生建筑學(xué)理論的出現(xiàn)及應(yīng)用為仿生建筑的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了價值性較強的依據(jù)。本文主要探討仿生建筑學(xué)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的具體應(yīng)用。

1 城市環(huán)境仿生

城市環(huán)境仿生就是利用仿生學(xué)原理使城市布局和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使城市交通、環(huán)境綠化、居住水平都達到一個新的境界，使城市結(jié)構(gòu)功能改善。

北京最近規(guī)劃的五條通風(fēng)通道及即將推行的街區(qū)制就是城市仿生的實踐。最具有代表性的例子是1853年巴黎改建規(guī)劃，當時在巴黎東、西郊規(guī)劃建設(shè)的兩座森林公園，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)形綠化帶與賽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。巴黎市區(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，不僅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，其城市環(huán)境仿生理論至今仍然值得借鑒 。

2 材料仿生

隨著生活水平的提高，人們對保溫隔熱隔音及高強輕質(zhì)的使用功能要求尤為強烈，這就對建筑材料提出了更高的要求。材料仿生重點模仿自然界生物體的身體結(jié)構(gòu)（如鳥類的羽毛）、生物體的天然“建筑”環(huán)境（如蜂窩），進而開發(fā)出能體現(xiàn)現(xiàn)代節(jié)能環(huán)保理念的建筑材料。例如，建筑師模從蟻穴、蜂巢的結(jié)構(gòu)中獲得有益啟發(fā)，設(shè)計出了加氣混凝土，泡沫橡膠、樹脂混凝土等，把泡沫混凝土、加氣混凝土改造為具有隔墻功能的填充物，不但能起到吸收噪聲和保溫的作用，還可以減少隔墻自重。若把陶粒混凝土應(yīng)用到梁板結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)自重減輕了，混凝土量的投入也會更少。國家游泳中心水立方設(shè)計中不僅利用水的裝飾作用，同時還利用其獨特的微觀結(jié)構(gòu)。采用在整個建筑內(nèi)外層包裹的ETFE膜（乙烯-四氟乙烯共聚物）是一種輕質(zhì)新型材料，具有有效的熱學(xué)性能和透光性，可以調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，冬季保溫、夏季散熱，而且還會避免建筑結(jié)構(gòu)受到游泳中心內(nèi)部環(huán)境的侵蝕。更神奇的是，如果ETFE膜有一個破洞，不必更換，只需打上一塊補丁，它便會自行愈合，過一段時間就會恢復(fù)原貌，參觀過該館的人都會留下深深的印象。

3 建筑功能仿生

大自然精彩絕倫的設(shè)計勢必忠實于功能，建筑設(shè)計貼近于自然，才能探尋到一個近乎徹底功能化的良好路徑。建筑的功能異常繁多，自然界的生物提供了將各種功能有效組織起來成為一個完整的整體的成功范例，既離不開單一化功能元素的累積，也依賴多功能發(fā)展中的整合。當代建筑的集中化傾向使得超高層多功能建筑層出不窮，這便要求設(shè)計者在有限的范圍內(nèi)高效率地組織每個部分的關(guān)系，以使這些空間發(fā)揮更多的功能。

比如：蜜蜂的巢房是一個無數(shù)正六邊形緊密排列的空間薄膜組合體，一個個緊密排列。我國建筑界的元老級人物唐璞唐老先生早在80年代初期就開始了對六邊形結(jié)構(gòu)在住宅中運用的研究，他將這種住宅稱為“工業(yè)化蜂窩原件的組合體”。他通過分析發(fā)現(xiàn)蜂窩體系房間具有很多特點：隔聲方面，由于該體系的相鄰兩房間之間的公共墻體面積比一般體系要少1/3一23/，因此在隔聲措施上所需要的隔聲材料得以節(jié)??；采光方面，由于蜂窩體系的房間具有多面采光，采光口多，采光面積也大，而且由于六面體內(nèi)墻的面也比一般房間要多，因此其光反射次數(shù)也多，這些都可以提高住宅的采光效果；通風(fēng)方面，由于蜂窩元件的房間都是120度的鈍角，室內(nèi)氣流可以比較通暢無阻，不象矩形房間的90度墻角易于產(chǎn)生較大的空氣渦流，影響換氣效果：朝向方面，蜂窩住宅的開窗朝向的選擇性比一般住宅要多，在設(shè)計時可根據(jù)具體情況選擇對每個房間日照都有利的朝向開窗。蜂窩住宅具有不言而喻的經(jīng)濟性、元素設(shè)計的統(tǒng)一性和平面布置的靈活性，在80年代的時代背景下具有很積極的意義，雖然如今住宅市場的發(fā)展狀況與20多年前大為不同，但蜂窩住宅基于六邊形的設(shè)計理念對當今的建筑設(shè)計仍具參考意義。又如：位于英國的滑鐵盧火車站，鐵路建筑延續(xù)了維多利亞的風(fēng)格，其屋頂由36根三弦弓式拱組合而成，其跨度在33m-55m之間。在東側(cè)，選用不銹鋼包裹的結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè)，每塊玻璃板的一側(cè)可經(jīng)可移動的支架懸掛于鋼制結(jié)構(gòu)上；在西側(cè)，上部的結(jié)構(gòu)獨立于建筑表皮以外，玻璃板重疊搭接，游客可觀賞到英國國會大廈和泰晤士河的秀麗風(fēng)光，這種組合效果很像蜥蜴或穿山甲等爬行動物的鱗片組織。

4 建筑結(jié)構(gòu)仿生

長期以來，工程師很多時候比建筑師更擅長利用大自然的生態(tài)規(guī)律，借助新材料技術(shù)成果創(chuàng)造仿生結(jié)構(gòu)體系。透過一滴水珠窺探出其自由落體的張力和薄壁高強的特點；觀察樹葉的葉脈組織可從中發(fā)現(xiàn)其網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)，這些均給建筑設(shè)計提供了廣闊的思路。但凡成功模仿生物體結(jié)構(gòu)的建筑，必定是輕質(zhì)高強、耐久、剛度大，其所用建材少而有具備美學(xué)價值的建筑體。不少節(jié)省建筑原材料而又獨具美學(xué)價值的結(jié)構(gòu)樣式，均是模仿生物體的組織結(jié)構(gòu)或其周邊生存環(huán)境而設(shè)想出來。

例如，“薄殼結(jié)構(gòu)”在生物界中早就存在，比如龜殼、蛋殼、貝殼、海螺殼以及動物的頭骨等都是這種結(jié)構(gòu)。這種曲度均勻，質(zhì)地輕巧的材料雖然會很薄，但是在同等質(zhì)地的不同造型材料對比可以看出，他的耐壓能力更強。因為模仿這種曲度設(shè)計的物體在收到外力作用后，可以使力量均勻的沿著表面分布并擴散。這種力學(xué)特征，在建筑學(xué)中廣泛應(yīng)用，悉尼大劇院就是以貝殼為造型的最著名的建筑。他的曲線流暢，與大海融為一體，是無數(shù)藝術(shù)家夢寐以求的地方。沙利寧的環(huán)球航空站，其結(jié)構(gòu)上擁有四瓣集合式薄殼，中部有可供采光的縫隙，四瓣薄殼呈Y形支撐，與人頭蓋骨的外觀形態(tài)基本相似。其設(shè)計靈感全部根據(jù)薄殼的本質(zhì)：其造型不受幾何形體的約束，幾乎沒有任何拋物線、圓形或直角的痕跡，然而，每條曲線均能凸顯物理學(xué)中的“力”的內(nèi)涵特點。屋頂由大曲面構(gòu)成，屋頂側(cè)邊肋條的斷面隨著外部負載的增加而擴大支撐范圍，同時，薄殼的力量得以進一步強化而不致于產(chǎn)生任何形變現(xiàn)象。支柱的樣式也是依照自身承受外力的大小所設(shè)計的。

5 建筑形式仿生

建筑學(xué)十分注重美學(xué)價值和藝術(shù)觀賞性，同時也體現(xiàn)人類城市的現(xiàn)代化進程。建筑形式的仿生學(xué)設(shè)計靈感來源于大自然中每類動植物的外形，生物體的細胞及骨骼架構(gòu)，為建筑的外形設(shè)計提供了非常豐富的外觀模型。依照仿生設(shè)計的手段差異，可將建筑形式的仿生劃分為抽象仿生和象形仿生。

5.1 抽象仿生

抽象仿生不拘泥于建筑物的外觀設(shè)計，而是使建筑物表現(xiàn)更強烈的含義。這類仿生設(shè)計辦法不但能彰顯當?shù)氐奈幕l(fā)展趨勢，更能直接反映建筑物的美學(xué)內(nèi)涵。例如，位于美國紐約的“自由女神像”，將人體的藝術(shù)形態(tài)展現(xiàn)的淋漓盡致，彰顯自由與和平的藝術(shù)設(shè)計主旨?！翱吹浇烫煤陚サ幕?，我的心中產(chǎn)生了詩人般的沖動?！笨虏嘉饕Q朗香教堂為“純粹的精神創(chuàng)作”。于是，我們看到的教堂布局就宛如人的耳朵，在這里祈禱誦經(jīng)都更容易讓上帝聽到。

5.2 象形仿生

象形仿生是把大自然中生物體生存的外部狀態(tài)借助一定的藝術(shù)手法，并將其反映到建筑作品中。建筑上模仿貝殼修造的大跨度薄殼建筑，模仿股骨結(jié)構(gòu)建造的立柱，既消除應(yīng)力特別集中的區(qū)域，又可用最少的建材承受最大的載荷。例如，為迎接2008北京奧運所建造的國家體育場——“鳥巢”，其設(shè)計思想來源于大自然中的鳥類的住所；蛋殼呈拱形，跨度大，包括許多力學(xué)原理。雖然它只有2 mm的厚度，但使用手握很難破壞它。建筑學(xué)家模仿它進行了薄殼建筑設(shè)計。這類建筑有許多優(yōu)點：用料少，跨度大，堅固耐用。薄殼建筑也并非都是拱形，舉世聞名的悉尼歌劇院則像一組泊港的群帆。

6 結(jié)束語

仿生建筑學(xué)奉大自然為“總建筑宗師”，它所創(chuàng)作的每個“旋律”和“音符”均值得建筑師們不懈摸索和效仿。仿生建筑學(xué)發(fā)展到今天，已積累了大量成功的建筑實踐經(jīng)驗，同時，仿生建筑學(xué)隨著建筑理念的演變和發(fā)展，已不再單純地追求設(shè)計的多元化，而是更注重建筑結(jié)構(gòu)的實用價值。本文所列舉的城市環(huán)境仿生、建筑材料仿生、建筑功能仿生、建筑結(jié)構(gòu)仿生、建筑形式仿生等類型，已不再拘泥于單體仿生設(shè)計，必定在其它建筑設(shè)計領(lǐng)域有著更為廣泛的用途。在仿生建筑學(xué)的啟發(fā)和建筑師的不懈努力下，未來仿生建筑將更具新穎性和生態(tài)性，更加宜居環(huán)保，具有可持續(xù)性。

參考文獻

[1]潘健，陳飛. 仿生建筑學(xué)在景觀橋梁設(shè)計中的應(yīng)用與展望[J]. 交通科技，2013，13（S1）：8-10.

[2]邱榮文，饒建鋒，韋經(jīng)杰等. 仿生學(xué)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用探究[J]. 山西建筑，2013，10（33）：4-5.

[3]王立福，單欣，李堯. 仿生學(xué)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 山西建筑，2008，7（09）：78-80.