仿生法在橋梁設(shè)計與優(yōu)化中的應(yīng)用研究

賴斌

北京建達(dá)道橋咨詢有限公司 北京 100000

梁設(shè)計是確保我國交通事業(yè)有效發(fā)展的一項重要工作?，F(xiàn)階段，社會各個領(lǐng)域都對橋梁設(shè)計給予了高度的重視，地方政府對橋梁設(shè)計以及工程施工投入了非常多的資金，其中橋梁設(shè)計不僅需要確保橋梁安全性以及實用性，同時需要確保橋梁美觀性以及科學(xué)性。傳統(tǒng)橋梁具體設(shè)計理念只可以確保橋梁正常使用，在創(chuàng)新方面有很大的難度。仿生方法科學(xué)性非常強(qiáng)，在設(shè)計過程中采用這種方法可以有效解決傳統(tǒng)橋梁設(shè)計中的各種問題，有效提升橋梁設(shè)計所具有的科學(xué)性。

1 仿生法概述

在進(jìn)入到21世紀(jì)中，我國社會發(fā)展遇到了新的挑戰(zhàn)，在這樣的挑戰(zhàn)條件下，建筑工程行業(yè)的發(fā)展也遇到了新的難題，也正是因此，人們不得不考慮如何利用最少的資源創(chuàng)造出更好的建筑工程，進(jìn)而就推動了仿生法在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用[1]。之所以要在橋梁設(shè)計和優(yōu)化中應(yīng)用仿生法，是因為在生物界中存在著很合理的存在結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，其具有較強(qiáng)的靈活、小巧、高效等特征，這些都是我們?nèi)祟悜?yīng)該學(xué)習(xí)的內(nèi)容，也正是因此，我國建筑工程中尤其是橋梁工程的設(shè)計中在很多地方都應(yīng)用了仿生法，但是，相對于當(dāng)前工程發(fā)展?fàn)顩r而言，仿生法在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用還不夠充分。仿生法應(yīng)用的基礎(chǔ)理念就是仿生理念，這種仿生理念對于橋梁設(shè)計工程師而言，具有重要的意義，其能夠推動工程師擴(kuò)寬設(shè)計思維、與設(shè)計方法。而仿生概念則可以從兩個角度來理解，一方面是宏觀仿生，該仿生主要針對的模仿對象是生物等物質(zhì)的外部造型、紋理、構(gòu)造。生物物體的材料性能、運動規(guī)律等；另一方面是微觀仿生，這一仿生的重點內(nèi)容就是生物體內(nèi)部的內(nèi)容，即對各種系統(tǒng)功能的仿效，比如循環(huán)、免疫、神經(jīng)，通過對這些系統(tǒng)的模仿能夠保證橋梁的功能性和使用性。

2 仿生法在橋梁設(shè)計與優(yōu)化中的應(yīng)用研究

2.1 仿生法在橋梁外觀的應(yīng)用

通過對橋梁的起源進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，橋梁本身就是通過對自然界的仿生而形成的。梁的基本結(jié)構(gòu)的形成是自然界的樹由于某種原因掉落到河面上，當(dāng)其浮動到較窄的河面時就會橫跨河兩岸，成為最早的“橋”，人和動物在樹干上行走就可以過河。經(jīng)過后代的不斷改進(jìn)，發(fā)展成為現(xiàn)在的梁體結(jié)構(gòu)。橋梁拱橋結(jié)構(gòu)的形成是由于在自然界的地貌中和生物有著廣泛的拱形狀態(tài)存在，比如一些藤蔓植物在樹與樹之間或懸崖上懸掛，由于藤蔓植物的韌性比較高，為人類的攀爬提供了可能，人們根據(jù)懸掛的藤蔓創(chuàng)造出懸索橋結(jié)構(gòu)。此外，自然界的許多現(xiàn)象也為橋梁的結(jié)構(gòu)提供了仿生的可能。在這些橋梁結(jié)構(gòu)中，有的是局部利用了仿生理念，有的是整體利用了仿生結(jié)構(gòu)。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)上的仿生

在自然界和生物界中有很多骨骼和組成結(jié)構(gòu)是橋梁設(shè)計中可以應(yīng)用到的，生物學(xué)的發(fā)展也讓大眾認(rèn)識到了在自然界中存在著如此之多的結(jié)構(gòu)形態(tài)，就比如我們最熟悉的人體骨骼結(jié)構(gòu)，其主要是由其中的脊柱；髖、股、脛、足等骨骼構(gòu)成的，其中人體自重量是通過足骨來進(jìn)行分解的，而需要承重的骨骼的骨質(zhì)都是比較密實的。這樣的生物結(jié)構(gòu)形態(tài)在橋梁設(shè)計中就可以充分得到應(yīng)用，任何一個橋梁結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生都不是設(shè)計師的憑空想象結(jié)果，而是設(shè)計師以合理的設(shè)計理念從自然界中獲得的靈感體驗。在橋梁結(jié)構(gòu)中也需要具有完整的承載力分散方式，這是保證橋梁使用功能和持續(xù)性的重要因素，如果所設(shè)計的結(jié)構(gòu)并不能很好的進(jìn)行力量的分散，那么，這就證明了該橋梁結(jié)構(gòu)不能進(jìn)行建造，是不合理的。對于人體骨骼仿效效果相對較好的橋梁工程要屬卡拉特拉瓦所設(shè)計的科茲橋，因為該橋喬高119m，在橋塔上輻射出了66個拉索，其在2010年正是投入使用，到現(xiàn)在為止其也是耶路撒冷的一座城市風(fēng)景線。

2.3 橋梁功能機(jī)理方面進(jìn)行的仿生

仿生學(xué)里面，具體研究對象是自然界里面動植物所具有的功能機(jī)理，一般主要有行為學(xué)、力學(xué)以及能量轉(zhuǎn)化等。對于這一方面進(jìn)行的仿生應(yīng)用，很早以前就開始了。自然界里面的狂風(fēng)、地震以及洪水等因素會直接影響到橋梁壽命，并且在現(xiàn)階段橋梁建筑跨度越來越大的條件下，橋梁所承受的風(fēng)險也逐漸增大，想要確保橋梁所具有的安全使用性，就應(yīng)該在設(shè)計中努力尋找辦法，有效規(guī)避自然界風(fēng)險因素造成的危害。而自然界里面的生物在經(jīng)歷了大量狂風(fēng)、地震以及洪水等過程后均可以自然地存在，這其中所蘊含的功能機(jī)理就是進(jìn)行橋梁設(shè)計時應(yīng)該借鑒的。德國一所大學(xué)經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，巨型木賊和木賊草植物里面的細(xì)胞就可以通過自我調(diào)整來有效改變植物體系所具有的剛度，從而和外界造成的壓力相適應(yīng)。該生物功能性機(jī)理就能夠在大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中的橋墩以及橋塔上得到應(yīng)用，使該橋梁具備和生命體質(zhì)比較接近的特征[2]。

2.4 意象仿生

從本質(zhì)的角度上講，橋梁歸屬于人造結(jié)構(gòu)的范疇，它是人與自然的交互。意象是心理學(xué)的概念，橋梁的意象仿生是形態(tài)與結(jié)構(gòu)仿生的綜合。色彩除了是一種視覺現(xiàn)象之外，還能傳遞信息，幫助人們記憶，在提升橋梁景觀功能方面具有不可替代的作用，色彩在橋梁設(shè)計中的運用，實質(zhì)上就是意象仿生。以金門大橋為例，紅色的涂裝使該橋梁帶給人們強(qiáng)烈的視覺沖擊，紅色彰顯出了熱情與力量，由此可讓人聯(lián)想到美國的精神，如果該橋的涂裝色彩選擇綠色，雖然也能體現(xiàn)出自然的情懷，但肯定無法達(dá)到紅色的效果。又如，南京大勝關(guān)橋選用的藍(lán)色涂裝，帶給人們的是一種正義與和平，不僅如此，藍(lán)色還與天空進(jìn)行了互動，橋梁的活力由此得以展現(xiàn)。鑒于此，設(shè)計者在橋梁設(shè)計中，應(yīng)合理運用意象仿生，借此凸顯橋梁的視覺效果。

綜上所述，在橋梁設(shè)計過程中應(yīng)用仿生法進(jìn)行設(shè)計可以顯著提升橋梁性能，保證橋梁工程的美觀性和施工質(zhì)量達(dá)到要求。在采用仿生法進(jìn)行橋梁設(shè)計時，需要從材料、功能、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行仿生設(shè)計，實現(xiàn)橋梁建設(shè)的持續(xù)化發(fā)展。