基于仿生原理的“生態(tài)窗”設計探索

席翠玉

（天津體育學院 運動與文化藝術學院，天津 301901）

一、研究背景

當前，建筑物內(nèi)部依靠機械通風系統(tǒng)來調(diào)節(jié)室溫并保持空氣暢通已成為中國北方地區(qū)人居環(huán)境的重要組成部分。然而，這必然會對人們的身體健康及社會生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展帶來威脅。首先，由于夏季的高溫炎熱，很多建筑物內(nèi)部依靠空調(diào)降溫，長期居住在空調(diào)房里必然會令人感到不適；尤其在冷空氣過境的冬季，人們采用熱力供暖的方式來保證室內(nèi)溫度，這定會導致愈加封閉的建筑物內(nèi)其空氣變得干燥和污濁，不利于人們的身體健康。其次，我國人均能源不足的壓力亟待緩解。大面積的空調(diào)使用必然消耗大量的電力能源，而我國的電力能源大多是通過燃燒化石燃料獲得的。因此，不管是空調(diào)制冷，抑或是熱力供暖，實際上是間接消耗了煤炭和天然氣資源。也就是說，人們足不出戶就導致了大氣中碳排放量的增加。由以上分析得出，減少化石燃料的消耗就是減少大氣污染，這是尋求生態(tài)可持續(xù)發(fā)展必須解決的問題。

在這樣的背景下，伴隨著生態(tài)學與設計學的交叉融合，國內(nèi)外設計師進行著以生態(tài)學為理論基礎的室內(nèi)設計探索，力圖從設計實踐層面為人們的身體健康及生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展探尋可行之路。目前，我國室內(nèi)設計仿生學設計多數(shù)為模擬生物造型特征而進行的研究設計，如江南大學師生采用幾何曲線原理與黃金分割法則，設計了系列服裝（沈雷，孟慶慧，2018），或?qū)ⅰ胺律亍睂胝故究臻g課程訓練（溫玲，2018），用以拓展學生的造型設計思維。此外，錢皓（2018）重點梳理了仿生設計流程，總結(jié)了仿生設計程序及其實現(xiàn)的關鍵步驟。另有張俊杰、張乘風（2018）總結(jié)了仿生設計元素的構(gòu)成形式，更多的是從形態(tài)、功能、結(jié)構(gòu)材料和肌理等方面探討仿生設計在現(xiàn)代室內(nèi)空間中的運用。從以上文獻中可以看出，當前國內(nèi)仿生設計研究更多地強調(diào)模擬生物造型、結(jié)構(gòu)、外觀審美等要素來進行產(chǎn)品外觀設計，而通過模擬生物自身功能特性和生物原理來進行仿生設計的案例寥寥無幾。

二、研究問題與目標

從前面的探討可以得出，人們的身體健康及生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展是本文關注的焦點問題。具體來看，本研究要解決的問題實際上是在減少自然資源消耗的前提下，緩解人們長時期停留在一個相對封閉的空間內(nèi)所產(chǎn)生的不適感。

>圖1 蜂巢單元結(jié)構(gòu)俯視圖

>圖2 蜂巢單元結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

>圖3 蜂巢單元結(jié)構(gòu)軸測圖

因此，研究試圖從特定的自然生物系統(tǒng)中尋找突破點，通過觀察分析其形式、材料、結(jié)構(gòu)、過程、功能等來模擬設計，從而創(chuàng)建最優(yōu)的方案來解決室內(nèi)生態(tài)設計中的舒適溫度調(diào)節(jié)問題。長遠來看，這解決了人們的身體健康及生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展問題。具體來講，本文通過對生物系統(tǒng)中人類的鼻腔結(jié)構(gòu)、蜜蜂的蜂巢、熱帶地區(qū)的仙人掌植物以及北極地區(qū)的北極熊進行分析梳理，將探索設計令室內(nèi)空間自然通風，具有夏季降溫、冬季加溫功能的“生態(tài)窗”模型。

三、仿生學原理與設計方法

仿生學原理研究的是自然界各種生物的運行規(guī)律，從而模擬具有使用價值的自然系統(tǒng)。從目的性看，仿生設計的目的是適當?shù)卣腺Y源、合理利用資源、避免資源浪費。今天，環(huán)境設計及產(chǎn)品設計中的仿生學運用有助于設計師創(chuàng)造出更具可持續(xù)性、高性能的新產(chǎn)品，進而達到更少資源消耗的初衷。

目前，仿生學設計在室內(nèi)與家具設計等領域的運用可以歸納為兩種方法：“模擬生物元素”和“模擬生物原理”。就“模擬生物元素”而言，對相關生物系統(tǒng)進行科學分析是不可避免的，因此這種方式需要生物學家和設計師雙方合作完成，顯然，該方法并不適用于本研究。而對于“模擬生物原理”這一設計方法來說，實際上是設計師為了解決設計中的某個問題，先去探索自然界中能夠解決同樣問題的生物的行為、結(jié)構(gòu)、形式及功能等，再根據(jù)這些研究分析結(jié)果來創(chuàng)造或重構(gòu)一種新的產(chǎn)品或生態(tài)系統(tǒng)，從而獲得最終的解決方案。這里所提到的創(chuàng)建過程一般建立在生物學家已有的研究成果之上，因此在對生物學家的實時依賴程度上相對較弱，設計過程中可不必與生物學家同時進行。本文將采用“模擬生物原理”方法。

具體到仿生學設計視角，設計師在運用“模擬生物原理”方法的同時可從三個角度入手進行仿生設計：一是物理模擬，即設計是建立在對某生物的物質(zhì)成分、外觀造型及物質(zhì)結(jié)構(gòu)特點的精通上；二是功能模擬，即設計過程模擬的是該生物的工作原理或工作程序；最后一個視角是生態(tài)系統(tǒng)模擬，強調(diào)生態(tài)系統(tǒng)的整體性。對于生態(tài)室內(nèi)設計來說，現(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)模擬視角研究文獻關注的是室內(nèi)空間內(nèi)部的能量流和物質(zhì)循環(huán)。以上是仿生學設計的三種視角，而就目前來看，大多數(shù)的設計案例會涉及到形式、結(jié)構(gòu)及物質(zhì)成分，另有一部分案例與生物功能相關。然而，從生態(tài)系統(tǒng)角度進行仿生的設計案例則屈指可數(shù)。為了彌補該領域的研究空白，本研究試圖從生態(tài)系統(tǒng)角度進行仿生設計探討。

確定了所選擇的設計視角后，科學的設計方法無疑是良好的仿生設計方案的支撐。根據(jù)自上而下的仿生學方法論（El-Zeiny，2012），本文所提出的“生態(tài)窗”的研究設計步驟可按如下程序進行：1.提出問題；2.尋找可模擬生物；3.分析生物工作原理；4.從生物模型中提煉所需功能；5.分析相關數(shù)據(jù)；6.提出解決方案；7.測試、反饋。當然，本文在具體實施時根據(jù)項目需求作了適當調(diào)整。

四、“生態(tài)窗”方案設計探索

（一）尋找可模擬的自然結(jié)構(gòu)

自然生物結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是以最少的材料成本獲得最佳的效率。如爬行動物普遍呈現(xiàn)出曲線造型，這是因為曲線可減少外部環(huán)境的阻力，提高爬行效率。仿生學設計可以將最佳結(jié)構(gòu)應用于建筑、室內(nèi)產(chǎn)品和家具設計（Ismail &Attia，2004），常見的自然界最佳結(jié)構(gòu)形式如：兼具穩(wěn)定性和靈活性的通過節(jié)點連接而成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；受力性能和強度較佳的交叉和平行鏈接結(jié)構(gòu)（如鳥巢主體結(jié)構(gòu)）；具有曲線造型特征，與中國古建中斗拱的力學原理相同的曲率結(jié)構(gòu)；能保持材質(zhì)質(zhì)量較輕，在平坦表面附加褶皺的褶皺結(jié)構(gòu)（如植物葉片的葉脈組織、昆蟲的翅膀、棕櫚樹的葉子）；具有特定形狀重復規(guī)律的迭代結(jié)構(gòu)；基于黃金分割比率的黃金分割螺旋結(jié)構(gòu)（廣泛存在于向日葵花朵、貝殼、蝸牛殼、多肉植物等生物體）等。

基于本文前面提出的研究目標，在比較與分析后，蜂窩結(jié)構(gòu)（Montagu，Configurations，Deflection，Technologies，1993）形式原理在文中被采用。正六邊形的蜂巢可以使用最少的材料構(gòu)成最大的使用空間。蜜蜂在建設蜂巢時為了防止蜂蜜溢流，每個蜂房從內(nèi)室底部到外部均為13°上仰角度。蜂窩結(jié)構(gòu)具有良好的通風散熱性，這是因為如果角度合理，可以有效避免陽光直射造成的溫度上升。目前蜂窩結(jié)構(gòu)廣泛應用于LED散熱、建筑散熱材料的開發(fā)等。

（二）尋找可自調(diào)整熱系統(tǒng)的有機體

為了創(chuàng)建最優(yōu)方案來解決室內(nèi)設計中舒適溫度調(diào)節(jié)的問題，在進行了大量的建立在生物學家研究成果之上的探索之后，確定利用以下具有自調(diào)節(jié)熱系統(tǒng)的有機體進行方案設計。

首先是人類的鼻腔結(jié)構(gòu)。人類鼻腔有兩個外部開口，內(nèi)部是較長的鼻腔通道，內(nèi)壁附著粘膜、纖毛和毛細血管等組織。在呼吸過程中，鼻腔內(nèi)壁的粘膜可以分泌粘性物質(zhì)將從外部吸入的空氣進行濕度調(diào)節(jié)。當外部空氣溫度較高時，粘膜可以適度冷卻空氣；反之，鼻腔內(nèi)壁的毛細血管可輔助升高空氣的溫度。此外，外部空氣進入鼻腔后，內(nèi)壁的纖毛結(jié)構(gòu)會阻隔一部分空氣中的微粒，起到凈化空氣的作用。

其次，阿塔卡馬沙漠中的仙人掌熱處理原理（Mooney，Gulmon，Weisser，2017）在設計中將得到應用。生活在干旱地區(qū)的仙人掌與太陽的方向有緊密關系，植物的生長方向使其表面大部分只接收到極低角度的高強度正午太陽直射。需要強調(diào)的是，其表面附著的白色類似蠟狀的涂層可以吸收霧和露水，起到較好的反射作用，而表皮下的溫度由于蒸發(fā)冷卻則會快速下降。

>圖4 窗體軸測圖

>圖5 窗體側(cè)視圖

>圖6 窗體俯視圖

可降低或提高自身溫度的生物有機體。生物有機體降低外部環(huán)境溫度的方式包括蒸發(fā)冷卻（如仙人掌植物的表面）和避免陽光直射（如蜂窩結(jié)構(gòu)利用合理角度避免陽光直射）。例如，熱帶地區(qū)的植物葉片表面長滿了絨毛狀物質(zhì)，從而減少陽光直射在植物表面；阿塔卡馬沙漠中的仙人掌葉片能根據(jù)太陽方向調(diào)整自身角度并利用其表面的刺狀物，有效避免陽光直射到植物表面。另一方面，生物有機體提高自身內(nèi)部溫度的方式主要是將光線轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚ㄈ绫睒O熊的皮毛），能夠?qū)⒂邢薜年柟廪D(zhuǎn)化為熱量并傳遞到身體內(nèi)部，從而保持體內(nèi)溫度。

（三）從生物模型中提煉并分析其適用性

通過分析生物工作原理，結(jié)合本文的研究目標，本設計方案在自然結(jié)構(gòu)造型上嘗試模擬蜂窩結(jié)構(gòu)，使用物理方式降溫。在有機體選擇上，模擬的是人類鼻腔結(jié)構(gòu)。具體實施中需要先設計一個蜂巢結(jié)構(gòu)單元，蜂巢單元內(nèi)壁表面附著一層仙人掌表層提取物，同時內(nèi)置特定長度的動物纖毛。此結(jié)構(gòu)使室外空氣在穿過通道的過程中發(fā)生溫度變化，從而影響室內(nèi)溫度?？紤]到中國北方冬夏兩季溫差較大，冬季需要密閉保暖，夏季需要遮陰通風，在蜂巢單元兩側(cè)增加可以調(diào)整開合角度的小門。（圖1—3）

（四）設計“生態(tài)窗”方案

本文的“生態(tài)窗”方案更適合中國大陸北方地區(qū)。炎熱多雨的夏季為利用仙人掌表面蠟質(zhì)涂層物通過蒸發(fā)水分達到降溫提供了天然條件；而干燥嚴寒的冬季則需要較密閉的窗戶，雙層密閉的通道內(nèi)部可將陽光轉(zhuǎn)化為熱量提高室內(nèi)溫度（圖4—6）。具體工作原理如下：

夏季，將每個蜂巢單元的開合結(jié)構(gòu)打開，打開的角度可人為設定。例如，開合結(jié)構(gòu)與窗體接近垂直角度，可有效地遮蔽陽光。蜂巢內(nèi)部表面的仙人掌提取物可以凝結(jié)空氣中的水氣并蒸發(fā)冷卻，從而降低室內(nèi)溫度，并保證合理的空氣流通。

冬季，可關閉蜂巢單元的開合結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的纖毛可以吸收微弱的陽光并轉(zhuǎn)化為熱量，提高室內(nèi)溫度。同時，封閉的蜂巢結(jié)構(gòu)可以有效隔絕冷空氣，達到保溫效果。用戶可以打開一些蜂巢結(jié)構(gòu)，為室內(nèi)通風。

五、結(jié)論

本研究為模擬生物有機體功能原理進行整體設計提供了較為科學的程序和方法參考。本文中設計的“生態(tài)窗”方案具備以下功能：夏季反射強光增加遮陽效果，利用仙人掌冷卻原理降低室內(nèi)溫度；冬季吸收太陽光以提高室內(nèi)溫度。因此，“生態(tài)窗”設計方案有助于解決室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)問題，可降低人均能源消耗量，是有利于生態(tài)環(huán)境的綠色設計。仿生學設計的目的是在規(guī)劃設計產(chǎn)品時模擬和整合生物的自然系統(tǒng)，以降低能源消耗、材料浪費和環(huán)境污染，其有助于設計出符合生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)品，并使人類和自然的聯(lián)系更加緊密。優(yōu)秀的設計師應該避免形式主義的設計目的，并通過良好的仿生設計鼓勵人們對自然環(huán)境產(chǎn)生更新的感受。基于生態(tài)系統(tǒng)模擬視角的仿生設計為我們未來的建筑設計、景觀設計、室內(nèi)設計等領域提供了新的靈感來源，而不再局限于生物結(jié)構(gòu)和外觀模擬。

六、研究的局限性和今后研究的方向

盡管如此，該研究也存在不足之處。該“生態(tài)窗”的設計考慮到中國北方的大風等天氣特點，使用了玻璃、木材或竹子制作主要結(jié)構(gòu)。除此以外，還使用了仙人掌表面蠟質(zhì)提取物、細的絨毛纖維、動物纖毛等物質(zhì)。其中仙人掌表面蠟質(zhì)提取物和纖毛、纖維均為有機材料，不會對環(huán)境造成威脅。玻璃材料也是可以回收的，這一過程也會產(chǎn)生污染。筆者曾考慮過使用有機材料來代替木竹材料來制作生態(tài)窗的主體結(jié)構(gòu)，比如燒制陶器的專用黏土等。但遺憾的是，由于中國北方春季的大風天氣對材料的強度要求較高未能實現(xiàn)。另一方面，竹結(jié)構(gòu)或者木結(jié)構(gòu)顯然不會對環(huán)境造成壓力，但會提高“生態(tài)窗”的制作成本，不利于大范圍推廣。最后，本方案目前仍處于理論探索階段，因此除了以上提到的不足之處需要得到解決，下一步的研究需要對設計方案進行驗證與評價。