過去、現(xiàn)代和未來：未來城市發(fā)展構想
——基于高層動態(tài)仿生建筑的探討

陳子穎

（南京理工大學 設計藝術與傳媒學院，南京 210094）

引言

針對我國社會發(fā)展中存在著環(huán)境污染和人口住房擁擠兩大問題，國家已經將建設環(huán)境友好型社會作為一種未來的發(fā)展政策。尤其是在許多工業(yè)發(fā)達、人口密集的城市環(huán)境污染問題尤為突出。近年來冬季霧霾嚴重影響著城市發(fā)展和人們的日常生活。而且在中國大多數(shù)的中大型的城市，尤其在北上廣這種人口密集的地方，建筑密度大、住房老舊存在危險性。如何在這兩大問題的并集中尋找解決方法？我把目光投向了高層建筑，致力于增大城市垂直空間的使用密度。同時讓“動態(tài)”走進建筑，使縱向和橫向空間達到一個多維的和諧效果。

國內在高層動態(tài)仿生建筑領域的研究方面，許多設計師進行了富有成效的研究探索，典型作品之一是馬巖松作品“城市森林”項目。而在歷史上，柯布西埃在他的城市構想中提出：未來的城市必須集中，應該采用大量高層建筑來提高密度。今天我想說的也正是類似于柯布西埃的一種城市發(fā)展模式。未來的城市會變化成什么樣子的呢？我們又該何去何從呢？

非線性理論設計表現(xiàn)表達的方法之一就是仿生設計手法。所謂仿生設計就是一個從自然界中獲取元素并加以學習利用的過程，是對最原始傳統(tǒng)的回應。仿生設計，顧名思義，它涉及到的學科范圍也十分的廣泛，生物學與設計學占據(jù)著主導的地位，同時還有力學、材料學等等學科與之相輔相成。但是我之所以認定仿生設計方向的原因，是因為這些其他的表達方法反過來又能通過仿生設計體現(xiàn)出來。例如仿生動態(tài)建筑的一些空氣循環(huán)的功能需要借助建筑物的表皮去進行切換，以及在外部形態(tài)上做一些幾何的秩序排列和變形。所以說，我也擬用仿生設計體現(xiàn)出的這些表達方法去回應未來城市發(fā)展趨勢。

一、仿生建筑發(fā)展歷程概述

針對仿生建筑發(fā)展歷程，我把其分為傳統(tǒng)仿生和現(xiàn)代仿生兩個階段。

（一）傳統(tǒng)仿生：形式仿生+結構仿生+低層次的功能仿生

形式仿生是單純模仿自然形態(tài)。傳統(tǒng)仿生的開端是高迪的圣家族大教堂。圣家族大教堂的設計又是仿生建筑設計的一個開端。其所處的時代發(fā)展背景也對圣家族教堂的設計產生了許多影響，這些背景融合它的設計理念迸發(fā)出了圣家族大教堂的設計方案。他分析樹干的受力結構，將教堂里的柱子做成樹干的形態(tài)，在頂部以及其他的地方使用了許多海生植物（?？麨橹鳎┑茸匀恢髁x的裝飾形式。此外，他還在建筑外立面做成適合鳥兒棲息的凹凸不平的形態(tài)，更多的考慮了與周圍環(huán)境之間的關系，已經初具建筑表皮的雛形。

結構仿生更具進步性，包括膜結構、薄殼結構、懸索結構、蜂巢結構、腔結構等等。日本代代木體育館的懸索結構就是模仿了蜘蛛結網的受力過程。我把功能仿生也歸類在傳統(tǒng)仿生建筑中，功能仿生主要是探究自然界物質存在的功能原理，并把原理運用到實踐中去。

（二）現(xiàn)代仿生：仿生動態(tài)建筑

結構仿生中的腔結構是仿生動態(tài)建筑的雛形?！霸烨弧敝傅氖亲匀荒芰康膽?，如風能、太陽能和雨水，是一種類似于生物腔，包括中庭、天井、通風口等。調節(jié)微氣候的內部空間。有些氣體含有—它具有內部調節(jié)功能，如肺腔，鼻、腸、胃。微結構腔，促進內部循環(huán)，消化，吸收和排泄—加強材料與能源的交換與循環(huán)利用。根據(jù)這一生物學特征，研究人員提出了建筑腔體的概念。這是類似于動態(tài)仿生建筑原理的一種結構仿生方法。仿生動態(tài)建筑在此基礎上變化、發(fā)展。

二、動態(tài)仿生建筑類型

動態(tài)建筑是指建筑或其局部進行物理行為的移動、改變、調整等，來應對使用者需求和周圍環(huán)境變化的需求?！皠討B(tài)建筑”與“仿生設計”相碰撞，產生了仿生動態(tài)建筑這個詞。我將仿生動態(tài)建筑分為外在和內在的兩類。（圖1）

建筑功能往往是復雜的，而且本質上是生物學的。有機組織為我們提供了成功的例子。這不僅僅是單功能元素的疊加，也包括集成多功能開發(fā)過程，導致在更高發(fā)展階段的新特點。未來，我們生活和工作的內部空間可以設計成作為活的有機體的功能，特別與環(huán)境相適應，并且能夠從周圍環(huán)境獲取我們對能量和水的需求。因為我認為外在的動態(tài)仿生更偏向形態(tài)、結構仿生，所以以下內容的陳述重點放在了對內在的動態(tài)仿生建筑的闡述上。

（一）太陽能仿生技術

太陽能是能量來源的一個重要途徑。只要地球還圍繞著太陽旋轉，太陽光就是取之不盡用之不竭的。如何高效的把太陽光利用在動態(tài)建筑上，成為我們思考的一個問題。太陽能的利用在現(xiàn)階段分為兩種形式。

1.被動式太陽能的利用

這種方式主要是利用葉片的趨光特性，合理安排樓層的布置并有效的收集太陽光。這里應用的一種自然規(guī)律是“葉序”，葉序是指葉在莖上排列的方式，植物體通過一定的葉序，使葉均勻地、適合地排列，充分地接受陽光，有利于光合作用的進行。受此影響葉子的排列呈現(xiàn)馬賽克的形態(tài)，許多精致而獨特的螺旋狀的摩天大樓被設計出來，并且每一個房間都有充足的陽光和新鮮的空氣。這就給“把景觀引進建筑”提供了一個很好的契合點。利用建筑整體的“葉序”原理加上每層的生態(tài)植物布置，整棟建筑就像一個大的景觀活體。使得仿生建筑的形式并非局限在外形和構造的仿生研究上，而是探索自然界物質存在的功能原理，更多的引入科學技術，更加綠色節(jié)能環(huán)保，并且在整體上與自然環(huán)境更加的適應。

荷蘭鹿特丹的城市仙人掌就是充分利用了“葉序”原理中的“互生”，設計師為每一位住戶增加了為毫無生氣的建筑增添了大自然的元素，真正實現(xiàn)了自我凈化、循環(huán)的效果。從外觀上看“城市仙人掌”，會發(fā)現(xiàn)建筑整體就像從莖上生長出來許多葉片，“葉片”其實是每一住戶擁有的向外伸出的綠色戶外空間（圖2）。不僅戶外空間中的植物能很好的進行光合作用，從而分解大氣中的二氧化碳，還能使得室內的空間獲得更多的太陽光。

2.主動式太陽能建筑

主動式太陽能建筑是指運用光熱、光電等可控技術利用太陽能資源實現(xiàn)收集、蓄存和使用太陽能，進而以太陽能為主要能源的節(jié)能建筑。最常見的形式就是太陽能板，通過太陽能光伏集成技術，與建筑表皮結合。美國的“樹紋塔”摩天大樓就在建筑外表面上大量的采用太陽能板，收集足夠多的太陽光供應建筑內部的使用。（圖3）

（二）自然通風和散熱仿生技術

通風在某種意義上來說是為了散熱；而在不需要任何空調體統(tǒng)系統(tǒng)的前提下實現(xiàn)散熱，通風無疑是一種最好的途徑。為了避開污染的室外環(huán)境，人們就更愿意呆在舒適的“空調屋”。如何讓仿生技術的應用取代空調系統(tǒng)，是又一個值得思考的問題。我用白蟻巢穴自循環(huán)系統(tǒng)和“鱗片”系統(tǒng)來分類兩種不同類型的通風技術。

1.白蟻巢穴自循環(huán)系統(tǒng)的運用

前面提到過的腔結構仿生其實就已經初具自然調節(jié)的雛形。這里我主要以白蟻巢穴的存在機理為研究重點闡述，主要有通風和散熱兩個特性，與煙囪效應相似。（圖4）

（1）通風

蟻穴既能適應寒冷，又能保持溫暖。其原理是，從地下水位以下的深層土壤用作冷卻源。同時，新鮮的空氣通過土堆的下部進入。并留在底部冷卻泥漿。環(huán)境與連續(xù)封堵通風控制或打開地面和地面通風口。這個精致的結構大大提高了蟻穴的內部溫度控制能力。通風，保證足夠的氧氣供應，并提供保暖隔熱，使土堆成為虛擬空氣。

（2） 散熱

夜晚氣溫低，蟻穴上方的排氣孔關閉，讓暖空氣留在蟻穴中；穴外溫度開始上升，蟻穴內部循環(huán)加快；當溫度升高或外界下雨時，蟻穴上方的排氣孔打開，同時冷空氣經過土壤降溫，由于蟻穴內部氣壓降低被吸進蟻穴；當夜間溫度適宜時，蟻穴內部氣流與外界交換，直到低溫時關閉。在蟻穴中工蟻不斷的開挖和堵塞通氣孔，使得內部溫度保持恒定（圖5）。津巴布韋的東門中心同樣運用了白蟻巢穴的存在機理且更為典型。因其所在地的氣候條件屬熱帶草原氣候，晝夜溫差大。為不使用空調設備，設計師從自然界尋求解決之道（室內工作原理如圖6）。他曾說過：“就像我們血管里的血液流動一樣，在蟻穴里的空氣也是由外界的氣溫和壓力控制的。蟻穴就像我們的身體系統(tǒng)一樣。它自己可以智能地調節(jié)溫度，這是一種優(yōu)秀的建筑模式?！?/p>

2.“鱗片”系統(tǒng)

還有一種通風的方式是依靠建筑表皮上的變化來實現(xiàn)的。最典型的例子就是韓國的DANCING DRAGON雙子塔，如塔的名字一樣，建筑表皮真的像是巨龍的鱗片，鱗片一樣的建筑表皮可開合，重疊面板間縫隙還設有通風孔，所以說其建筑表皮具有“可呼吸性”，空氣可以通過這些通道實現(xiàn)循環(huán)流通。這樣的實例還有許多。其實對于建筑表皮的研究與仿生動態(tài)建筑是不可分割的，例如仿造一些甲蟲的殼去收集冷凝水，以及結構仿生中的膜結構（水立方）作為建筑的外表皮，利用內外的受力關系極大發(fā)揮材料的抗拉性能等。

（三）仿生技術的集合-仿生代謝系統(tǒng)

新陳代謝的概念是一種在日本發(fā)展起來的建筑創(chuàng)作方法。新陳代謝強調成長、變化，它主張采用新技術來解決這個問題，其認為城市和建筑不是靜態(tài)的，而是動態(tài)的。我將仿生動態(tài)建筑中的仿生代謝系統(tǒng)定義為擁有太陽能仿生技術、自然通風和散熱仿生技術和風能發(fā)電技術等多種動態(tài)建筑在技術層面的仿生形式融合在一起的產物。

加拿大多倫多的樹塔大樓所呈現(xiàn)狀態(tài)是未來城市最純粹的單體狀態(tài)。建筑所呈現(xiàn)出的天然外觀，將常見的“建筑與城市”的關系轉化為“建筑與自然”的關系（圖7），丹麥“空中村莊”的垂直農業(yè)構想也印證了此觀點。

三、基于白蟻巢穴的行為仿生和未來整體城市構想

高層建筑+仿生動態(tài)建筑=？碰撞產生的結合點又該從哪找尋。基于人口密度和環(huán)境污染這兩個問題點，筆者大膽的假想未來城市整體運行模式，力求在新設計中解決這些現(xiàn)存的問題。

> 圖1 動態(tài)仿生建筑類型

> 圖2 城市仙人掌模型

> 圖3 美國樹紋塔

> 圖4 煙囪通風示意

> 圖5 蟻穴內部空氣交換

> 圖6 津巴布韋東門中心通風原理

> 圖7 空中村莊構想

> 圖8 柱廊空間系統(tǒng)

> 圖9 熱島效應

（一）思想來源

現(xiàn)代大樓的構造，多半都以框架結構的梁柱所組成。根據(jù)上個世紀初由密斯所提出的“通用空間”概念，由均質的梁柱構造涵括建筑內所有的機能，以及柯布西耶所提出的“多米諾系統(tǒng)”，亦即建筑還原了以柱子和地板，穿越上下樓層的階梯為最低必要限度的構成要素，所延伸出來的構造形式。

（二）工作原理

1. 建筑單體發(fā)展設想

單體建筑的概念雛形可以用上海的“無人駕駛飛行汽車塔”來歸納。目前還只是概念建筑，其主打綠色建筑（引入了景觀）：大樓頂層利用太陽能，中間層利用風力，最下層利用水力。最重要的一點，也是我為什么把它作為未來城市中單體建筑基本形式的原因：建筑內部利用了模仿白蟻巢穴的自循環(huán)系統(tǒng)。在其中心結構上裝有多個二氧化碳提取器，從頂上的煙囪里排出處理過的二氧化碳。這樣，一個建筑單體滿足了所有的功能整合和生態(tài)需要。但是基于對仿生動態(tài)建筑不同特質的研究，我們可以利用也有混沌、分形、表皮藝術、網絡交織等等方法表現(xiàn)建筑的整體形態(tài)。

2. 建筑群發(fā)展設想

關于單體建筑之間的關聯(lián)性和連接性，我用伊東豐雄用于仙臺傳媒中心的其中兩點設計理念，綜合我的設想闡述具體構思。

（1）管狀柱管子仿造竹子的形態(tài)

每根單管相當于柱子，利用“力流”原理，起到分力和承重的作用。同時管狀柱子是一個“通用空間”，也運用了“煙囪效應”。每根柱子周圍都形成以柱為中心的同心圓空間，多顆柱子的同心圓就像波紋一樣相互交錯重疊，描繪出場所內的一組組等壓線。如果空間連續(xù)的話，柱子也會產生流動性的“場所”。我認為在未來城市中，每一個仿生動態(tài)建筑的單體就相當于一根柱子，竹節(jié)就是建筑間的連接方式，而相當于“連廊”的水平面起著連接單個建筑建筑的作用，整個空間是連續(xù)的，城市像是被絲帶串聯(lián)，增加了人與人互動交流的機會。城市整體好似森林里的竄天大樹，依靠空中連廊連接在一起?？v向、橫向空間交錯發(fā)展，形成一個龐大的生態(tài)系統(tǒng)。（圖8）

（2）表皮

1）形態(tài)、結構仿生思路在未來高層仿生建筑群中的應用

在建筑群表皮的表達上，我們運用形態(tài)和結構仿生的設計方法，采用膜結構、剝殼結構、懸索結構的物理學優(yōu)勢做分解、重組、重復的變形。在外觀看起來千篇一律的高層仿生建筑群中“存異”，尋找特點和辨識度。

2）表皮的透明性和邊界的模糊

表皮在仙臺中心的作用于視覺和節(jié)能有關，正是伊東將表皮弱化，模糊了室內外的邊界，使建筑的獨特結構被推到視覺前臺。這同樣適用于建筑與建筑之間關系的處理上，邊界的模糊致使整片仿生建筑群不再冰冷、孤立，使得建筑間的流動性加強。

3. 整體城市狀態(tài)

城市中現(xiàn)存的熱島效應現(xiàn)象近乎白蟻巢穴的散熱原理。未來城市構想中建筑單體的熱空氣也是向上排出。仿生動態(tài)建筑的特性之一就是把景觀引進建筑，利用植物的光合作用消耗部分的二氧化碳，同時也能加強建筑間氣流的流動，達到自循環(huán)的平衡效果，緩解熱島效應。（圖9）

（三）計算機輔助在未來城市中的應用

在未來城市的構建中，利用VR技術模擬城市的整體狀態(tài)。讓人們在視覺、聽覺、觸覺等方面對未來城市有真實的體驗和感受。同時，在未來城市規(guī)劃中也有更大程度的應用，例如用在城市的整體規(guī)劃、在植物引入方面虛擬不同季節(jié)等。扎哈、蓋里等非線性大師慣用的設計方法，利用計算機內部程序生成建筑形體。但是要注意，在利用計算機手段生成建筑的同時注意與內部秩序相結合，讓設計理念和過程引導其過程，不要用計算機來“做”設計。

四、結語

本文基于現(xiàn)存的的社會問題，結合現(xiàn)在常用的仿生設計手法以及高層動態(tài)建筑的發(fā)展現(xiàn)狀，創(chuàng)新性的提出未來城市發(fā)展趨勢的假想。但是這種新思路也存在如下問題：（1）安全問題，安全需求在馬斯洛需求理論中占第二位，仿生動態(tài)建筑可能因層高過高，比如地震發(fā)生時的逃生問題，以及如何保證較高樓層內部人員日常的安全問題。（2）煙囪效應帶來的負面影響。（3）底層和高層溫差大。在以后的研究中，我會繼續(xù)從運用仿生設計理論和計算機技術，去尋求這些問題的解決方案。因本文提出的個人觀點較多，如有錯誤，還請各位讀者和研究者批評指正！在此表示衷心的感謝！■