建筑與仿生學(xué)

管玥

（廣州市設(shè)計(jì)院 廣東廣州 510620）

1 仿生學(xué)

1.1 仿生學(xué)的概念

仿生學(xué)是指從技術(shù)可用性的角度研究動(dòng)物有機(jī)體的機(jī)制和功能的科學(xué)學(xué)科。有人將其定義為一門測(cè)量自然形態(tài)的學(xué)科（從宏觀到微觀再到納米結(jié)構(gòu)），也就是自然選擇評(píng)估機(jī)制適應(yīng)其他領(lǐng)域的結(jié)果。在文獻(xiàn)中，生物模擬也被用來(lái)描述這個(gè)跨學(xué)科的主題。仿生學(xué)這個(gè)名詞來(lái)源于希臘人的“bios”（自然、生命的意思）和字尾“nlc”（具有……的性質(zhì)的意思）。

1.2 仿生學(xué)在工程中

據(jù)科學(xué)家研究，工程和仿生學(xué)之間存在著很多聯(lián)系。這些聯(lián)系顯示了無(wú)論是微觀的還是宏觀的領(lǐng)域，最終仿生學(xué)都能幫助工程實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，并可導(dǎo)向綠色設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)和智能，適應(yīng)性建筑等等分支。

某些生物具有的功能迄今比任何人工制造的機(jī)械都優(yōu)越得多，仿生學(xué)就是要在工程上實(shí)現(xiàn)并有效地應(yīng)用生物功能的一門學(xué)科。例如關(guān)于信息接受（感覺功能）、信息傳遞（神經(jīng)功能）、自動(dòng)控制系統(tǒng)等，這種生物體的結(jié)構(gòu)與功能在機(jī)械設(shè)計(jì)方面給了很大啟發(fā)。可舉出的仿生學(xué)例子，如將海豚的體形或皮膚結(jié)構(gòu)（游泳時(shí)能使身體表面不產(chǎn)生紊流）應(yīng)用到潛艇設(shè)計(jì)原理上。

2 仿生學(xué)在建筑中

2.1 仿生學(xué)在原始時(shí)期建筑中

在茹毛飲血的時(shí)期，建筑處于最早期階段，我們的祖先開始建造一些庇護(hù)及居住場(chǎng)所，后來(lái)演變?yōu)榻ㄔ煊谰眯缘姆课?。主要目?biāo)是防御自然環(huán)境中的危險(xiǎn)，比如惡劣天氣和野生動(dòng)物。最古老的建筑形式至今仍然可以在世界的許多地方看到，例如非洲的土著居民建筑。除了建筑形式的些許變化之外，其建造居所使用的建筑材料以及建造方式仍與古老的時(shí)期一致。此時(shí)，建筑仿生學(xué)也出現(xiàn)在當(dāng)?shù)氐慕ㄖ校谀抢锊粌H建筑材料是受自然啟發(fā)的，居住建筑的結(jié)構(gòu)也可以顯示出結(jié)構(gòu)仿生的跡象。梅薩維德，阿納薩齊印第安人的社區(qū)之一，其居所的形態(tài)結(jié)構(gòu)均顯示出與沙馬丁鳥窩的相似之處，它們是由于防御原因而進(jìn)化的。

2.2 仿生學(xué)在歷史建筑中

在歷史建筑中，自然的靈感以多種形式出現(xiàn)。建筑仿生學(xué)可以在大型石結(jié)構(gòu)建筑中觀察到，比如埃及的低格調(diào)大廳，其中一個(gè)典型的仿生結(jié)構(gòu)是柱狀石結(jié)構(gòu)。大約在公元前13世紀(jì)時(shí)期建造的卡爾納克的地下大廳里，圓柱上一個(gè)有趣的特征顯示了仿生學(xué)的存在。圓柱的底部較窄，不可能由結(jié)構(gòu)上的考慮而造成，因?yàn)楦蟮牡撞繄A柱規(guī)模會(huì)帶來(lái)更多的穩(wěn)定性。這個(gè)特征來(lái)自一個(gè)更古老的建筑時(shí)期，埃及人使用紙莎草紙堆的時(shí)代。更值得注意的是，上面的大廳有一個(gè)空間結(jié)構(gòu)被稱為“長(zhǎng)方形教堂”。那里的中殿比過(guò)道高，因此墻上的窗戶很高，為整個(gè)空間提供照明。窗戶上的柱子有開花形柱頭，而在過(guò)道較暗的部分的柱子則是方形柱頭。這體現(xiàn)出適應(yīng)了太陽(yáng)的生命的微觀和宏觀特征的仿生學(xué)水平。

在建筑歷史上，裝飾是同時(shí)存在的。在不同的建筑風(fēng)格中，表面裝飾是最引人注目的部分，在這個(gè)部分仿生學(xué)同樣可以被觀察到。例如在拜占庭式建筑中，花卉圖案被用來(lái)覆蓋在柱頭表面。關(guān)于類似的結(jié)構(gòu)，也應(yīng)該提到哥特式建筑。哥特建筑的框架結(jié)構(gòu)，建造者一直在延伸石頭的邊界，這種風(fēng)格帶來(lái)了一套全新的架構(gòu)解決方案。通過(guò)時(shí)間的推衍，結(jié)構(gòu)體系變得越來(lái)越像骨骼，達(dá)到了材料運(yùn)用的極限。因此，曾有一些塔和教堂在建設(shè)中倒塌。但有一個(gè)美麗的例子，這是一種華麗的結(jié)構(gòu)，哥特式的扇狀拱頂，非常類似于貝類或棕櫚葉的形狀，在宏觀層面上向自然靠攏，這是一種杰出的創(chuàng)新風(fēng)格，它與之前的古董被區(qū)分開。

中世紀(jì)的傳統(tǒng)，是新藝術(shù)。在匈牙利，興起的分裂風(fēng)格被稱為一種與眾不同的風(fēng)格，仍然深受人們的喜愛。帶著色彩斑斕的花朵裝飾的建筑物具有強(qiáng)烈的吸引力和獨(dú)特性。匈牙利的藝術(shù)博物館，是這一風(fēng)格中最著名的作品之一。然而，匈牙利的分裂主要是用植物和動(dòng)物的類比作為裝飾品，并沒有達(dá)到像高迪那樣杰出的模仿自然的水平，這是一個(gè)真實(shí)的例子，結(jié)構(gòu)仿生，已經(jīng)出現(xiàn)在20世紀(jì)初。加泰羅尼亞建筑師安東尼高迪創(chuàng)造了一個(gè)完全獨(dú)立的新風(fēng)格被稱為新藝術(shù)，他的模仿水平不僅包含了裝飾品層面，還有建筑結(jié)構(gòu)層面，使用仿生學(xué)作為復(fù)雜形式的呈現(xiàn)手段。高迪意識(shí)到，自然形態(tài)能夠提供比裝飾更多的東西。自然結(jié)構(gòu)不僅美觀，而且在各個(gè)方面都優(yōu)化了功能單元。他的建筑中的柱子模仿了人類的骨骼或樹葉的形式，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)比例最小化。

2.3 仿生學(xué)在當(dāng)代建筑中

當(dāng)下，通過(guò)使用基于軟件的計(jì)算機(jī)建模和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更多新的廣泛的可能性已經(jīng)打開。在圣地亞哥卡拉特拉瓦的建筑是最為大家熟知額，他的作品強(qiáng)烈的暗示生物形態(tài)的形成。他的建筑形式使用人類或動(dòng)物骨骼的類比，展示了建筑的美學(xué)訴求——結(jié)構(gòu)仿生。世界上第一座摩天大樓“旋轉(zhuǎn)軀干”是在瑞典的馬爾姆斯建造的。正如這座大樓的名字一樣，其最初的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自于一個(gè)扭曲的人體。這幢54層的建筑扭曲了90℃，提供了超越以往的全景視野。里斯本火車站也是一個(gè)例子，盡管建造了近百年，依然生動(dòng)完好。在人類的建筑歷程中，卡拉特拉瓦在西班牙的天文館是最杰出的，是一個(gè)里程碑式的仿生建筑，由眼球的草圖形成?？ɡ乩咴谒慕ㄖ袆?chuàng)造了一種獨(dú)特的，完全創(chuàng)新的造型形式。這些建筑都是在他30年的工作中建造的，包括40座橋梁和10個(gè)車站，都成為了標(biāo)志性建筑。然而他的投資者也會(huì)遇到一些麻煩，這些仿生建筑的造價(jià)通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)預(yù)算。

國(guó)際知名的匈牙利建筑師Makovecz經(jīng)常也會(huì)遇到類似的問(wèn)題。他設(shè)計(jì)的建筑在全世界范圍內(nèi)備受推崇，但在他的案例中，成本和結(jié)構(gòu)性問(wèn)題也經(jīng)常出現(xiàn)。匈牙利的有機(jī)建筑作為一種風(fēng)格被貼上標(biāo)簽，但這位建筑師的仿生工作只做了一半，他的建筑更傾向于形式主義，與深?yuàn)W的象征主義更緊密地聯(lián)系在一起。自然的模仿主要用于裝飾或作為象征但不是主要的結(jié)構(gòu)形式。在他早期的作品中，殯儀館很引人注目，其中的天花板設(shè)計(jì)讓人聯(lián)想到人的胸部，暗示著這種形式之間的有趣關(guān)系。在Makovecz后來(lái)的建筑中，象征主義和形式主義更加強(qiáng)調(diào)。

在當(dāng)代建筑的情況下，分析仿生學(xué)并不僅僅意味著測(cè)量其形態(tài)。建筑物、公共空間組成和裝置也是這個(gè)主題的一部分。其中一個(gè)很了不起的想法是“TREEPOD”，盡管還沒有實(shí)現(xiàn)，但它是一種樹形結(jié)構(gòu)的裝置，模仿著一個(gè)真正的樹。類似結(jié)構(gòu)可以使它從二氧化碳中產(chǎn)生氧氣，像空氣清潔器一樣。它的樹枝在下面的人行道上起到了遮陽(yáng)的作用。安裝在樹枝上的太陽(yáng)能光伏板可以發(fā)電。使用電來(lái)推動(dòng)空氣凈化裝置，而空氣凈化裝置則隱藏在結(jié)構(gòu)中。此外，這個(gè)結(jié)構(gòu)由回收的PET瓶制成，使其更加環(huán)保。

3 結(jié)論

本文對(duì)建筑中仿生學(xué)運(yùn)用進(jìn)行了短暫的回顧。仿生學(xué)和建筑是緊密相關(guān)的，因?yàn)榻ㄖ袨楹腿祟愇拿饕粯庸爬稀弥車淖匀画h(huán)境是仿生建筑的主要靈感來(lái)源。一些民間建筑仍然保留著一些幾千年的建筑傳統(tǒng)，使用自然的形式和材料。通過(guò)建筑的歷史推進(jìn)，每一種風(fēng)格都從大自然中汲取了靈感。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，建筑逐漸遠(yuǎn)離自然，直到最近人們才開始再一次意識(shí)到，自然進(jìn)化是一項(xiàng)偉大的成就，應(yīng)妥善加以學(xué)習(xí)和利用。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，不僅是仿生建筑歷程中革命性的解決方案，而且使得現(xiàn)代科技材料是易于獲得，并可使得在節(jié)約成本的同時(shí)，獲得高性能結(jié)構(gòu)體系。智能系統(tǒng)，作為一個(gè)活動(dòng)的生態(tài)系統(tǒng)或組織的模仿監(jiān)視系統(tǒng)，可以同步建筑信息，甚至是同步整個(gè)地區(qū)的信息和管理。

在古代建筑中，可以觀察到宏觀的仿生學(xué)，通過(guò)模仿自然的形式和結(jié)構(gòu)。然而，作為物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域，隨著工程學(xué)的發(fā)展，微觀層面的仿生學(xué)越來(lái)越有潛力。自然現(xiàn)象作為一種模仿的來(lái)源，人類可以創(chuàng)造出智能的系統(tǒng)，甚至是優(yōu)于自然的系統(tǒng)。全球變暖的威脅也促使人類走向可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)環(huán)境和諧共生的理念方案。通過(guò)使用當(dāng)代計(jì)算機(jī)建模，新技術(shù)新方法可以模仿復(fù)雜的自然形態(tài)和結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展條件下，建筑師和建設(shè)方也需要改變思維和方法，才能更有效地利用仿生學(xué)的方法。在大學(xué)教育中，必須加強(qiáng)這個(gè)分支的學(xué)科研究，新的仿生教學(xué)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展需要被重視，更加鼓勵(lì)創(chuàng)新。當(dāng)代和未來(lái)的建筑需要?jiǎng)?chuàng)新仿生學(xué)，以創(chuàng)造可持續(xù)發(fā)展的建筑和城市。