論仿生學(xué)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

段 少 飛

(山西中方森特建筑工程設(shè)計(jì)研究院,山西 太原 030002)

改革開(kāi)放以后，我國(guó)經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展，人們的生活質(zhì)量也在不斷改善，人們對(duì)現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)提出了更高要求，不僅建筑質(zhì)量要符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其功能也要更為齊全，且在建筑藝術(shù)形態(tài)上也有著更新的要求。仿生學(xué)作為一門(mén)相對(duì)獨(dú)立的學(xué)科，隨著社會(huì)的進(jìn)步其相關(guān)技術(shù)日趨成熟，將其與藝術(shù)設(shè)計(jì)融合起來(lái)，能夠更好的提升建筑美感，凸顯時(shí)代風(fēng)格。

1 仿生學(xué)的含義

仿生學(xué)主要研究的是生物體的工作原理、功能以及結(jié)構(gòu)特征等內(nèi)容，屬于一種邊緣性科學(xué)。在現(xiàn)今工業(yè)快速發(fā)展中，通過(guò)仿生學(xué)的應(yīng)用，能夠更好的進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)設(shè)備儀器的改良與優(yōu)化，有效的改善生產(chǎn)質(zhì)量和效率，增強(qiáng)我國(guó)的綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。將仿生學(xué)應(yīng)用到設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，能夠更好的開(kāi)拓人們視野，增強(qiáng)設(shè)計(jì)作品的生命力，尤其在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用，能夠?qū)⑸镒陨淼慕Y(jié)構(gòu)、性能等特征引入其中，完善整體建筑的美觀性、功能性和實(shí)用性，并減少資源的過(guò)度浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)化改革。

2 仿生學(xué)與建筑設(shè)計(jì)的關(guān)系

仿生學(xué)同建筑設(shè)計(jì)之間是相輔相成，共同依存的關(guān)系。仿生學(xué)主要研究生物的一些體征、結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，將這些特征應(yīng)用到建筑設(shè)計(jì)中，能夠起到豐富和促進(jìn)建筑設(shè)計(jì)發(fā)展的作用。同時(shí)仿生學(xué)具有一定的生命體征，能夠?yàn)榻ㄖO(shè)計(jì)帶來(lái)新的活力，進(jìn)而在滿(mǎn)足建筑基本要求的前提下，更好的提升其美學(xué)效果，優(yōu)化建筑整體設(shè)計(jì)風(fēng)格，符合時(shí)代發(fā)展特征。

在近幾年的發(fā)展中，一些城市的商業(yè)街建筑開(kāi)始將仿生學(xué)應(yīng)用其中，其不僅在外觀上能夠帶給人較大的視覺(jué)沖擊，在結(jié)構(gòu)造型上，也能夠給人們一種耳目一新的感覺(jué)，提升整體的審美層次。另外，在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用仿生學(xué)概念，還能夠?yàn)榉律鷮W(xué)的發(fā)展提供一個(gè)更好的平臺(tái)和方向，實(shí)現(xiàn)人、自然和社會(huì)三者之間的共同發(fā)展，為和諧社會(huì)的建設(shè)提供幫助。隨著社會(huì)節(jié)奏的加快，人們的生活壓力也逐漸增大，對(duì)于建筑的要求也更加趨向于同自然之間的連接方面，以緩解發(fā)展本身的壓力。而通過(guò)仿生學(xué)的應(yīng)用，則能夠有效的實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，進(jìn)而為仿生建筑的進(jìn)步提供充足動(dòng)力。

3 建筑設(shè)計(jì)中仿生學(xué)的應(yīng)用

3.1 建筑形式仿生

現(xiàn)代建筑形式不再僅局限于對(duì)美學(xué)的表達(dá)，也更加追求對(duì)現(xiàn)代城市發(fā)展趨勢(shì)的闡述。通過(guò)仿生學(xué)的應(yīng)用能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)者們提供更多的創(chuàng)作靈感，豐富設(shè)計(jì)內(nèi)容，在賦予建筑以靈魂的基礎(chǔ)上，給人們不同的視覺(jué)享受。從設(shè)計(jì)手法上來(lái)看，目前建筑形式中的仿生學(xué)類(lèi)型，其實(shí)際主要可以分為以下兩種：

1)象形仿生設(shè)計(jì)。這種仿生設(shè)計(jì)方法對(duì)自然界的生物體外觀進(jìn)行藝術(shù)加工，并將加工后的元素應(yīng)用于現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中。例如，北京的鳥(niǎo)巢體育場(chǎng)就是將自然界的鳥(niǎo)巢直接應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)中的典型例子；或者美國(guó)芝加哥的瑪麗娜城大廈，也是將自然界中玉米的形象應(yīng)用其中，被人們譽(yù)為玉米樓。該類(lèi)型仿生設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于：一方面能夠加強(qiáng)建筑空間布局的靈活性，另一方面也豐富了建筑的造型設(shè)計(jì)，提升了建筑的美感，見(jiàn)圖1，圖2。

2)抽象仿生設(shè)計(jì)。抽象仿生設(shè)計(jì)是在確保建筑外形設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，賦予建筑更深層次的內(nèi)涵?？梢哉f(shuō)這些設(shè)計(jì)風(fēng)格是將當(dāng)?shù)氐奈幕L(fēng)俗同建筑設(shè)計(jì)緊密的融合在了一起，進(jìn)一步凸顯了城市的文化。例如，美國(guó)的自由女神像，就是直接利用人體藝術(shù)形態(tài)展現(xiàn)人們對(duì)自由、和平的向往；希臘的多利克柱式建筑集中展現(xiàn)了男性陽(yáng)剛之美，愛(ài)奧尼克柱式建筑則體現(xiàn)了女性的陰柔之韻。

3.2 建筑結(jié)構(gòu)仿生

建筑結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)的應(yīng)用能夠?yàn)榻ㄖO(shè)計(jì)提供更加多變、合理、有效的結(jié)構(gòu)形式，為建筑空間布局和設(shè)計(jì)提供更多有利條件?，F(xiàn)階段的建筑仿生發(fā)展中，建筑結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)主要有六種形式，分別為筒體結(jié)構(gòu)、螺旋結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)。以下就將對(duì)懸索、殼體以及膜結(jié)構(gòu)予以簡(jiǎn)要分析。

1)懸索結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用柔性拉索承受建筑荷載，常用材料有鋼絲繩、鋼絲束和鋼索等，這些材料具有共同的特點(diǎn)，其受拉性較強(qiáng)，故而也可采用其他性能類(lèi)似的材料。這種結(jié)構(gòu)在體育館、廠(chǎng)房和橋梁的建設(shè)之中應(yīng)用較為廣泛，如生米大橋等。通過(guò)拉索自身力學(xué)特征的發(fā)揮，可以承受橋梁所受到的所有荷載，以此保證橋梁的穩(wěn)定性。而這一理念的設(shè)計(jì)靈感則來(lái)源于自然界中的蛛絲和藤條。2)殼體結(jié)構(gòu)。殼體結(jié)構(gòu)的靈感主要來(lái)源于自然界中蛋殼和貝殼等物質(zhì)形態(tài)，由于這類(lèi)材料具有壁薄、張力好等特征，在外力的作用下，能夠更好的將外力沿著不同方向進(jìn)行分解，減少破損等問(wèn)題的出現(xiàn)。將其應(yīng)用在建筑設(shè)計(jì)中，能夠更好的提高建筑的整體性能和美觀度。例如，悉尼歌劇院，一個(gè)半徑在75 m左右的球面上就有近13個(gè)殼體群，這不僅帶給人們不一樣的視覺(jué)感受，還更好的提高了建筑的實(shí)用價(jià)值。同時(shí)，通過(guò)這些蛋殼和貝殼類(lèi)材料的建筑造型，還可大大增強(qiáng)建筑的獨(dú)特性，更好的凸顯建筑的仿生設(shè)計(jì)。3)膜結(jié)構(gòu)。由于自然界中存在較多的膜結(jié)構(gòu)，如細(xì)胞膜、肥皂泡沫等，而這些膜結(jié)構(gòu)在外力的作用下，能夠形成一種脹壓模式，保護(hù)自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。將其應(yīng)用在仿生建筑設(shè)計(jì)中，能夠更好的將外力予以化解，將力均勻的呈現(xiàn)在結(jié)構(gòu)表面上。同時(shí)由于膜結(jié)構(gòu)自身的重量較輕，使用的材料也較少，能夠有效降低其對(duì)地基的壓力，保證空間結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。如北京水立方游泳館就是膜結(jié)構(gòu)的代表性建筑。

3.3 建筑功能仿生

建筑功能仿生主要是對(duì)自然界中生物的功能原理進(jìn)行研究，并將其應(yīng)用在實(shí)際建筑中。例如，竹子是一種空心的植物形態(tài)，其自身的功能不僅僅是承受自身荷載的一種承重“構(gòu)件”，也是運(yùn)輸養(yǎng)分的“管道”，竹子的這種結(jié)構(gòu)功能在筒體結(jié)構(gòu)形式的建筑中應(yīng)用相對(duì)廣泛。建筑功能仿生以自然界生物功能研究為基礎(chǔ)，科學(xué)地將原理應(yīng)用于現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中，如竹子是一種空心植物，竹子本身是能夠承重的構(gòu)件，同時(shí)其也是運(yùn)送養(yǎng)料的主要路徑。竹子的這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在建筑設(shè)計(jì)當(dāng)中也有著較為廣泛的應(yīng)用。與建筑結(jié)構(gòu)仿生相比，建筑功能仿生起步晚，在仿生建筑設(shè)計(jì)方面還不夠完善，不過(guò)隨著社會(huì)發(fā)展以及人們生活質(zhì)量的提升，其在建筑設(shè)計(jì)中也將得到更好的應(yīng)用，而這對(duì)增強(qiáng)建筑功能性以及滿(mǎn)足人們對(duì)物質(zhì)文化的需求有著顯著意義。例如，法國(guó)孚日山區(qū)朗香教堂的設(shè)計(jì)，其屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)靈感主要來(lái)源于蟹殼，通過(guò)降屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)，使屋頂像蟹殼一樣向上彎曲，讓薄材料自身的力學(xué)張力和堅(jiān)韌性能得到延展，提升整個(gè)屋頂?shù)男Ч?。同時(shí)，該教堂的平面是通過(guò)對(duì)人耳的模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)的，象征著上帝可以?xún)A聽(tīng)信徒的祈禱，該類(lèi)型的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可為人們營(yíng)造一種神秘高貴的氛圍。

3.4 建筑材料仿生

在建筑行業(yè)快速發(fā)展的今天，建筑材料也得到了一定的進(jìn)步。建筑材料仿生是通過(guò)對(duì)自然界中生物軀體結(jié)構(gòu)以及物質(zhì)形態(tài)的仿照，研究出的新型建筑材料，從而實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能效果。比如，通過(guò)對(duì)蟻穴等建筑形態(tài)的研究，創(chuàng)造出的加氣混凝土、泡沫混凝土等材料，將其應(yīng)用在建筑墻體施工中，不僅能夠有效減輕隔墻自重，還起到了良好的保溫隔熱、降低噪聲污染的作用；而將這類(lèi)材料應(yīng)用在梁板結(jié)構(gòu)施工中，除了可以減輕結(jié)構(gòu)自重外，還可以減少混凝土的用量，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約的目的，減少成本支出。此外，將自然界中的纖維素類(lèi)物質(zhì)應(yīng)用在建筑材料設(shè)計(jì)中，能夠創(chuàng)造出更多的高分子材料。這主要是由于纖維素自身具有較高的強(qiáng)度、質(zhì)量輕、塑性韌性較好等特征，通過(guò)加工后，能夠使建筑材料具有較高的耐火和耐用性，有效提高建筑質(zhì)量。例如，美國(guó)研制了一種玻璃纖維瓦，其結(jié)構(gòu)材料是由有機(jī)纖維玻璃薄墊物構(gòu)成的，故而有較好的耐用性及耐火性。

4 結(jié)語(yǔ)

將仿生學(xué)應(yīng)用在建筑設(shè)計(jì)中，不僅可以為建筑設(shè)計(jì)提供更多的靈感和素材，還能充分展現(xiàn)建筑的美學(xué)效果，賦予建筑更多的內(nèi)涵，促進(jìn)建筑、人與自然之間的有效融合，從而實(shí)現(xiàn)城市的發(fā)展以及文化的傳承。雖然目前仿生學(xué)的應(yīng)用還處在初級(jí)階段，不過(guò)相信在未來(lái)的發(fā)展中，其將會(huì)成為建筑設(shè)計(jì)的主流趨勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能化、智能化、生態(tài)化的建筑目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。