建筑中的生物智慧

解笑棠

模仿自然界生物的運作方式，能夠為人類節(jié)約10倍、100倍甚至10000倍的資源。

蛛絲和火甲蟲

位于蜘蛛腹部的腺體可分泌出6種不同的細絲原料，編織在一起變成蛛絲。這種絲線具有獨特的高強度與延展性，比所有人造纖維都要強韌。一位材料學家形象地描述蛛絲的強度和韌性：“如果用鉛筆桿粗細的蛛絲來結(jié)張大網(wǎng)，這張網(wǎng)甚至可能攔截住一架飛行中的波音747?！?/p>

在人造纖維中，最接近蛛絲特性的纖維材料叫做芳綸纖維，雖然其韌性仍不及蛛絲，但強度可與蛛絲相媲美。然而，要造出芳綸纖維，需要極端的壓力和極高的溫度，會嚴重污染環(huán)境。而相比之下，蜘蛛?yún)s能在再普通不過的環(huán)境中，在常溫常壓下利用死蒼蠅和水作原料輕松造出這類纖維。

一種黑色火甲蟲擁有不同尋常的“紅外探測器”?！疤綔y器”薄薄的角質(zhì)層中充滿了水，當外界溫度升高，角質(zhì)層中的水會突然膨脹，膨脹帶來的壓力變化隨即會被高敏感的機械感覺細胞所感知。利用這個原理，火甲蟲可以探測到遠在80千米外的森林火災(zāi)，功力大約是人造火災(zāi)探測范圍的10000倍。更重要的是，這個小家伙不需要電線，不需要連接使用燃料的發(fā)電機，格外節(jié)省資源。

火箭、超級計算機、衛(wèi)星、太空站、人工智能……盡管現(xiàn)在，人類科技已高度發(fā)達，但從蛛絲和火甲蟲的例子可看出，我們依然需要向大自然取經(jīng)，達到提高基本資源使用率、循環(huán)利用資源的目的。

泡泡建筑

植物和動物細胞里充滿了氣體或液體，借鑒細胞這個原理，建筑師設(shè)計出了一系列新穎別致的充氣充液的體育建筑。這樣的建筑明亮透氣，結(jié)構(gòu)曲線自然優(yōu)美，且綠色環(huán)保。

與細胞原理類似的，還有肥皂泡的“泡泡建筑”?！芭菖萁ㄖ辈粌H明亮透氣，還可以通過改變泡泡直徑，以適應(yīng)任何凸凹不平的地面，擺脫地面形態(tài)的限制。也就是說，建筑師能夠在任何復雜地面上，“吹”出自己的“泡泡建筑”英國建筑設(shè)計師邁克爾·波林和伙伴們在“伊甸園計劃”中就發(fā)揮了泡泡不挑地面形態(tài)的優(yōu)勢。

在“伊甸園計劃”項目中，建筑師們需要建立一個巨型溫室。溫室所處的建筑環(huán)境異常復雜，不僅不規(guī)則，而且還在不斷變化，因為當?shù)厝栽诓粩嚅_采當中，他們便采用了“泡泡建筑”。“泡泡”結(jié)構(gòu)既能很好契合當?shù)氐匦翁攸c，減少地形不確定帶來的麻煩，又能保證建筑的采光設(shè)計達到最優(yōu)。

不過，粗略地確定“泡泡”形狀遠遠不夠。真正的肥皂泡泡外表面是巨大的球面結(jié)構(gòu)。總不能粗暴地用巨大的空心玻璃球吧？這在技術(shù)上幾乎無法實現(xiàn)。于是，他們將球狀曲面看成由若干個有規(guī)則“小泡泡單元”相加起來的組合。這樣一來，設(shè)計圓頂?shù)膯栴}就轉(zhuǎn)變?yōu)閷ふ抑涡愿鼜姷男〔糠值膸缀螆D形問題。

花粉、放射蟲和足球烯

究竟什么樣的多邊形拼起來才能夠組成一個巨大的、近乎完美的球形曲面呢？科學家把大自然看作樣本，參考一些生物精妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計來制定計劃，既方便，又靠譜。

在顯微鏡下，花粉顆粒是由六邊形組成的球體。足球烯也是這樣，足球烯是碳元素的一種同素異形體，分子結(jié)構(gòu)為球形32面體，由60個碳原子通過20個六元環(huán)和12個五元環(huán)連接而成，像一只足球。放射蟲，一類渾身上下長滿骨針和偽足的海洋單細胞動物，它們外形結(jié)構(gòu)十分精美靈巧，堪稱“天然的藝術(shù)形態(tài)”，同樣有五邊形和六邊形組成的球狀結(jié)構(gòu)。

受這些自然生物的啟發(fā)，建筑師團隊選擇了正五邊形和正六邊形這兩種最簡單，拼合后最接近于球體的結(jié)構(gòu)作為小泡泡單元。而計算機數(shù)值模擬也支持了這一結(jié)論。并且，善于觀察的建筑師又學習了蜻蜓透明翅膀的結(jié)構(gòu)特點，成功解決了小泡泡單元之間的鏈接問題，極大地縮減了鋼材的使用數(shù)量，節(jié)約了資源。

意外收獲

不過，要想更高效使用資源和能源，必須重新考慮制造“小泡泡”單元的材料，因為玻璃延展性不高，無法將六邊形單位面積做到最大。同時，又考慮到溫室封閉式薄膜的特點，建筑師最終決定采用可替代玻璃的一種高強度聚合物材料ETFE。他們把這種材料做成三層，將邊緣處焊接起來，然后充氣。

這種多層材料的單元面積能夠達到玻璃的7倍大，重量卻僅為雙層玻璃的百分之一，所用材料也僅為雙層玻璃的百分之一。而且，新結(jié)構(gòu)又進一步縮減了單元與單元連接處使用的鋼材數(shù)量。少一些鋼材，就多一些陽光進來。

巨型溫室收工時，建筑師欣喜地發(fā)現(xiàn)，溫室上方圓頂?shù)目傊亓可踔恋陀谑覂?nèi)空氣的重量，輕飄飄的，是個名副其實的“泡泡屋頂”。

從自然生物那里學到的技巧，不僅能實現(xiàn)同樣的功能，而且還可以達到事半功倍的效果。實際上，大自然有數(shù)不清的生物，都可以供建筑師參考。

動物骨架和大樹

20世紀30年代，一位西班牙建筑師曾在巴塞爾市的一次建筑任務(wù)中突發(fā)奇想，仿照動物身體的骨架，改造了咖啡廳天花板上的鋼架設(shè)計。這種模擬生物骨骼結(jié)構(gòu)的建筑取得了良好的效果，不僅符合受力特性，而且還具有賞心悅目的外觀。

1992年國際博覽會的科威特展覽館，其屋頂是可自由閉合的結(jié)構(gòu)，也是模仿動物關(guān)節(jié)設(shè)計而成的。在夜間，屋頂可以敞開，露出布滿繁星的天空，供人類進行各種聚會活動。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計生物模擬方面，樹狀結(jié)構(gòu)也是建筑師常用來參考的結(jié)構(gòu)，因為比較簡單。許多建筑師仿照樹狀結(jié)構(gòu)的特點，在房屋中央設(shè)置主要的承重結(jié)構(gòu)，四周則模仿樹杈的生長機理，設(shè)計成懸空的樓板，外表用幕墻裝飾，造出的建筑別有一番風味。

這個既美麗又高效的世界值得我們不斷探索。