生物仿生技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用與進(jìn)展

高峰 孫梅 任芊芊 孫昌

【摘 要】生物仿生技術(shù)已成為全球研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，由于其優(yōu)良的特性，在建筑工程領(lǐng)域也顯示了廣闊的應(yīng)用前景，本文介紹了生物仿生技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域中的應(yīng)用與進(jìn)展，分別從形態(tài)仿生、結(jié)構(gòu)仿生、仿生材料和功能仿生等方面分析了生物仿生技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。

【關(guān)鍵詞】生物仿生技術(shù);建筑工程;應(yīng)用現(xiàn)狀

中圖分類號(hào)： R318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）23-0204-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.097

【Abstract】Bionics has become the hotspot of study and development.Due to the advanced characteristics of Bionics，its use has been also becoming more and more widespread in the field of construction engineering.This paper introduces the application and advance of bionics in construction engineering.and analyzes the application status of the bionics in the architecture design from aspects of the bionic form， bionic structure，biomimetic materials and bionic function.

【Key words】Bionics;Construction Engineering;Application status

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與人們對(duì)生物學(xué)的深入研究，生物仿生技術(shù)自20世紀(jì)六十年代誕生以來(lái)得到了迅速發(fā)展，在工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、軍事武器、信息、農(nóng)業(yè)、建筑工程等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。科研人員將生物仿生技術(shù)應(yīng)用于建筑工程中，提高了建筑工程的質(zhì)量和美學(xué)水平，產(chǎn)生了大量精美的建筑作品和豐富的理論，對(duì)建筑領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)極大促進(jìn)作用，生物仿生技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用形式十分豐富，具有廣闊的發(fā)展前景，本文概況地介紹生物仿生技術(shù)及其在國(guó)內(nèi)外在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。

1 生物仿生技術(shù)的發(fā)展概況

生物仿生技術(shù)是模仿自然界生物的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、行為、原理、功能、體內(nèi)的物理和化學(xué)過(guò)程、能量的供給、記憶與傳遞等特殊本領(lǐng)，為科學(xué)技術(shù)和工程中利用這些原理提供新的設(shè)計(jì)思想、工作原理、系統(tǒng)架構(gòu)的技術(shù)。自古以來(lái)，人類就從自然界中汲取靈感發(fā)展了各種技術(shù)、工程理論和重大的發(fā)明。從20世紀(jì)五十年代以來(lái)人們開(kāi)始自覺(jué)地將生物系統(tǒng)作為各種技術(shù)思想、設(shè)計(jì)原理和創(chuàng)造發(fā)明主要途徑。1960年9月美國(guó)科學(xué)家斯蒂爾在第一次生物學(xué)會(huì)議上首先提出“仿生學(xué)”的概念，自此生物仿生技術(shù)成為一門獨(dú)立的學(xué)科。生物仿生技術(shù)研究方向主要集中在力學(xué)仿生、分子仿生、能量仿生、信息與控制仿生等方面。對(duì)生物仿生技術(shù)的深入研究為其應(yīng)用開(kāi)拓了更廣闊的應(yīng)用前景。

2 生物仿生技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用

生物仿生技術(shù)的出現(xiàn)為建筑工程與設(shè)計(jì)方法開(kāi)辟了嶄新的發(fā)展之路，能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)與藝術(shù)、力學(xué)與美學(xué)結(jié)合。目前生物仿生技術(shù)已成功地應(yīng)用于許多建筑工程，越來(lái)越多的建筑設(shè)計(jì)師將生物仿生技術(shù)運(yùn)用到建筑設(shè)計(jì)當(dāng)中。目前，按照生物仿生技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域的表現(xiàn)和應(yīng)用方式，可以分為形態(tài)仿生、結(jié)構(gòu)仿生、仿生材料、功能仿生四個(gè)方面。生物仿生技術(shù)在建筑領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用豐富和完善了建筑的處理手法，促進(jìn)了建筑形體結(jié)構(gòu)和建筑功能布局的高效設(shè)計(jì)。

2.1 建筑形態(tài)仿生

形態(tài)仿生是建筑工程領(lǐng)域最直接的仿生類型，它以人類美學(xué)為出發(fā)點(diǎn)，主要通過(guò)模仿生物的形態(tài)造型，創(chuàng)造出生動(dòng)的建筑設(shè)計(jì)形象，給人以生動(dòng)、有趣、愉悅的感受。

目前建筑形態(tài)仿生主要從具象模仿和抽象轉(zhuǎn)換兩個(gè)方面加以應(yīng)用。具象模仿是建筑設(shè)計(jì)師將設(shè)計(jì)加工之后的自然形態(tài)運(yùn)用于建筑設(shè)計(jì)當(dāng)中，是一種對(duì)自然界的簡(jiǎn)單臨摹。通過(guò)這種方法設(shè)計(jì)與建造的建筑往往十分強(qiáng)烈的親切感。我國(guó)古代建筑中大量使用動(dòng)物和植物紋，不僅具有豐富的內(nèi)涵，還寄托有美好的愿望。美國(guó)威斯康星州約翰遜制蠟公司試驗(yàn)樓仿照菌菇類植物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建造，實(shí)驗(yàn)樓的主要支承結(jié)構(gòu)位于建筑中央，樓板懸挑類似菌菇類結(jié)構(gòu)。抽象轉(zhuǎn)換是將通過(guò)藝術(shù)加工后的自然形態(tài)運(yùn)用于建筑造型設(shè)計(jì)當(dāng)中，代表性的抽象轉(zhuǎn)換的仿生設(shè)計(jì)是法國(guó)建筑大師柯布西耶設(shè)計(jì)的朗香教堂，設(shè)計(jì)師從一枚蟹殼得到靈感，教堂的屋頂邊緣像殼一樣向上彎曲，模擬人耳的教堂的平面象征著上帝對(duì)信徒祈禱的傾聽(tīng)。

印度首都新德里蓮花寺的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自蓮花，建筑由27瓣大理石蓮花組成，其中每三個(gè)一組，形成9個(gè)類似蓮花的側(cè)面，中庭可以容納兩千五百余人。在我國(guó)現(xiàn)代仿生建筑中，天津博物館比較有代表性，它是一座仿生薄殼式建筑，借鑒天鵝的骨架結(jié)構(gòu)，形成一種可呼吸的建筑結(jié)構(gòu)，其主體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土灌注樁，屋蓋結(jié)構(gòu)采用了由62根鋼柱支撐的多點(diǎn)二力桿加周邊斜撐的支撐體系，可自由伸縮的網(wǎng)架，形成可呼吸結(jié)構(gòu)。

2.2 建筑結(jié)構(gòu)仿生

結(jié)構(gòu)仿生是生物仿生技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域最主要的應(yīng)用之一，在大跨度建筑設(shè)計(jì)中通過(guò)合理應(yīng)用結(jié)構(gòu)仿生提升大跨度建筑工程施工質(zhì)量，降低建筑結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。結(jié)構(gòu)仿生在大型公共建筑設(shè)計(jì)中主要體現(xiàn)在形態(tài)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、節(jié)能設(shè)計(jì)三個(gè)方面的應(yīng)用。通過(guò)結(jié)構(gòu)仿生，建筑物既可以獲得新穎的外觀造型，又可以發(fā)揮結(jié)構(gòu)上的非凡效果，設(shè)計(jì)師們效法自然創(chuàng)造了無(wú)數(shù)結(jié)構(gòu)仿生的建筑。

位于上海浦東新區(qū)的金茂大廈是典型的結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)的例子，其外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)模擬竹子的中空結(jié)構(gòu)。多倫多的BCE文化廣場(chǎng)大廈模仿了樹(shù)干分叉的生長(zhǎng)肌理，采用了兩邊的支柱與頂棚的弧形肋架設(shè)計(jì)，體現(xiàn)出非凡的藝術(shù)效果。紐約環(huán)球航空公司航站樓主體采用由丫形柱支撐的四瓣組合式薄殼，光線可以從薄殼間的縫隙穿過(guò)，這個(gè)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)類似人的頭蓋骨的拼合結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)機(jī)理完美呈現(xiàn)了自由曲線造型，在結(jié)構(gòu)與形式上達(dá)到了有機(jī)融合。1992年巴塞羅那奧運(yùn)會(huì)的電訊塔設(shè)計(jì)構(gòu)思來(lái)自植物干莖平衡的形態(tài)，形成了結(jié)構(gòu)和功能的完美結(jié)合，而且還給予人們無(wú)限想象空間。

2.3 建筑仿生材料

仿生材料是一種新型功能材料，它是基于生物的結(jié)構(gòu)組織與機(jī)能而設(shè)計(jì)制造的人工材料。仿生材料主要在功能、結(jié)構(gòu)、色彩、形態(tài)、化學(xué)成分等方面模擬生物而獲得應(yīng)用。仿生材料主要關(guān)聯(lián)低層次的生物科學(xué)，建筑工程中主要在結(jié)構(gòu)功能仿生和生理功能仿生兩個(gè)方面利用仿生材料。

模擬甲蟲(chóng)的鞘翅板三維結(jié)構(gòu)，制備的農(nóng)作物秸稈夾層混凝土夾芯板，具有較高的力學(xué)和保溫性能。模仿蜂巢結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)的加氣混凝土砌塊主要以水泥和其他工業(yè)廢棄物為原料，利用加氣劑的發(fā)泡作用，在混凝土中形成無(wú)數(shù)氣泡，利用這個(gè)方法得到砌塊兼具保溫、隔熱、防潮的功能，是傳統(tǒng)黏土磚的理想替代品。

托馬斯赫爾佐格根據(jù)北極熊生理結(jié)構(gòu)研究出透明保溫材料，該材料使用半透明的熱阻材料作為立面的一部分，緊鄰半透明熱阻材料墻面涂成黑色，黑色的墻面可以吸收穿過(guò)半透明熱阻材料的太陽(yáng)光，將熱量傳遞給室內(nèi)，這樣外墻就成了吸收熱量的構(gòu)件。在現(xiàn)代園林設(shè)計(jì)中也大量使用仿生材料，設(shè)計(jì)師往往通過(guò)模仿諸如竹子、木頭、石頭等仿生材料體現(xiàn)出園林風(fēng)格的整體性與多樣性，豐富園林景觀的文化內(nèi)涵。

2.4 建筑功能仿生

功能仿生是一種較高層次的仿生形式，是將自然界中生物體的運(yùn)動(dòng)和新陳代謝過(guò)程中機(jī)體的各個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行原理應(yīng)用于建筑功能，在建筑工程領(lǐng)域中，使用功能方面的仿生應(yīng)用比較普遍，表現(xiàn)形式也呈現(xiàn)多樣化，功能仿生主要應(yīng)用類推的方法，汲取自然界中生物的功能特點(diǎn)，使建筑在空間布局上靈活多變。

典型的功能仿生建筑工程有德國(guó)不來(lái)梅高層公寓，其平面模仿蝴蝶，建筑物服務(wù)部分與臥室部分分別模擬蝶身與翅膀，這種布局表現(xiàn)了新穎的空間布局和多變的空間造型。德國(guó)建筑師特多特霍斯特根據(jù)向日葵的生態(tài)原理設(shè)計(jì)的太陽(yáng)跟蹤住宅，住宅在計(jì)算機(jī)控制下像向日葵一樣始終向著太陽(yáng)以便充分利用太陽(yáng)能。德國(guó)慕尼黑BMW公司辦公樓模擬竹子中空結(jié)構(gòu)的支撐與傳輸功能，圓筒結(jié)構(gòu)即起到建筑物支撐作用又有豎向交通的功能。高約527米的美國(guó)芝加哥西爾斯大廈的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自竹子的節(jié)理和向上生長(zhǎng)高度的關(guān)系，西爾斯大廈創(chuàng)新性地使用了筒套箍結(jié)構(gòu)，將生物功能與建筑結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合發(fā)揮得淋漓盡致。英國(guó)的滑鐵盧國(guó)際火車站運(yùn)用動(dòng)力學(xué)原理，模仿穿山甲或披甲蜥蜴等動(dòng)物的鱗片結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了鱗狀物表皮結(jié)構(gòu)，使搭接材料在三個(gè)向度上都可以活動(dòng)，這個(gè)結(jié)構(gòu)有效地緩解了由火車巨大質(zhì)量和到站減速引起的偏轉(zhuǎn)力的問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著信息技術(shù)、人工智能、材料學(xué)、納米技術(shù)、生物技術(shù)、建筑技術(shù)的發(fā)展，必將引起諸如建筑材料、建筑設(shè)備、建筑結(jié)構(gòu)、建筑設(shè)計(jì)方法和手段的變革。勢(shì)必促進(jìn)生物仿生技術(shù)與建筑工程設(shè)計(jì)結(jié)合的深度和廣度，通過(guò)合理運(yùn)用生物仿生技術(shù)，未來(lái)將創(chuàng)造出更新穎和適應(yīng)環(huán)境的生態(tài)建筑。

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