建筑設(shè)計中仿生設(shè)計元素的應用研究

聶延博

（中聯(lián)西北工程設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

現(xiàn)階段，我國的經(jīng)濟快速發(fā)展，人們對生活質(zhì)量的要求也日益提高。如今能源發(fā)布不均勻以及人均資源占有量低的情況非常明顯，公共交通、工業(yè)生產(chǎn)和建筑消耗的能源也比較多，就面臨著環(huán)境污染和能源消耗兩大問題。有相關(guān)的數(shù)據(jù)資料表明，我國現(xiàn)階段建筑消耗的能源占總能源消耗的25%，如果相關(guān)部門不大力氣發(fā)展建筑行業(yè)的節(jié)能環(huán)保，減少能源的消耗，則會因為經(jīng)濟的快速發(fā)展使建筑行業(yè)能源消耗速度加快。所以，我國急需解決建筑方面對能源的消耗，創(chuàng)造出綠色節(jié)能的建筑方式。因而，相關(guān)的研究人員和建筑師應該學習和探究相關(guān)的建筑理論，大力發(fā)展仿生建筑，學習和模仿生物的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能等，建造生態(tài)建造，為建筑行業(yè)的發(fā)展做出貢獻。仿生建設(shè)設(shè)計“蟲洞圖書館”如圖1所示。

圖1 仿生建設(shè)設(shè)計“蟲洞圖書館”

1 仿生設(shè)計理念

仿生設(shè)計就是從人性化設(shè)計的角度出發(fā)進行模仿設(shè)計的。仿生設(shè)計的主要內(nèi)容就是通過模仿自然界中的一些生物的獨特形態(tài)或特有的功能、結(jié)構(gòu)等等，隨后獲取設(shè)計的靈感，設(shè)計出符合人們需求的產(chǎn)品。仿生這個詞語大概是從20世紀60年代初才開始使用的，在希臘文中是有著生命的含義[1]。到目前為止，自然界中各類生物的結(jié)構(gòu)和功能特點遠遠超過人工智能技術(shù)生成的機械設(shè)備結(jié)構(gòu)。這些生物是由自然界所創(chuàng)造的，與自然早已融為一體，選擇了最適合與自然共處的身體構(gòu)造。仿生學便是通過參考生物所具有的特點，利用施工材料進行模仿刻制等，使所設(shè)計的產(chǎn)品與自然融為一體。仿生設(shè)計學是將仿生學和設(shè)計學進行有機結(jié)合，在二者基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。而且仿生設(shè)計學所涉及的學科還是比較多的，有電子學、生物學、工程學、數(shù)學、控制論、美學等。其主要是從自然界中的生物形態(tài)、功能等來尋找設(shè)計思路，創(chuàng)造出新的技術(shù)等。近幾年，仿生設(shè)計學在建筑設(shè)計中不斷發(fā)展，應用的地方也越來越多。在建筑領(lǐng)域中研究仿生設(shè)計學是有一定目的的，建筑設(shè)計可以應用仿生設(shè)計帶來的靈感，創(chuàng)造出更符合現(xiàn)代發(fā)展的建筑方式，并且有利于創(chuàng)造出與自然和諧相處的環(huán)境，維持生態(tài)平衡。自然界中的各種生物是人類最好的導師，會給人類帶來無限的啟發(fā)和益處。建筑中仿生學的應用不是簡單的進行效仿，而是想要把動物以及植物的生長規(guī)律等與建筑設(shè)計想融合，與建筑自身的特點進行結(jié)婚，讓建筑富有新意的同時能夠與環(huán)境適應。因此，仿生學關(guān)鍵是對生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特征等進行科學研究，為建筑設(shè)計給予新的設(shè)計方案理念；將仿生學的相關(guān)原理應用到建筑領(lǐng)域中，又把其稱為仿生建筑，通過模仿生物的結(jié)構(gòu)，形態(tài)，功能等來設(shè)計建筑，造就出更多外型新奇、構(gòu)造合理、特性優(yōu)質(zhì)的建筑。

2 我國建筑設(shè)計中仿生元素的運用

建筑仿生，是通過利用自然界中生物的生命特征或者組織結(jié)構(gòu)來進行模仿設(shè)計建筑，運用這類原理進行工程建筑設(shè)計，提供更多的設(shè)計理念，可以加快建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展。仿生學也為建筑設(shè)計行業(yè)提供了新的活力和動力，它是在科學合理的基礎(chǔ)上設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)，更加注重當代的藝術(shù)美學和獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計[2]。近些年，在我國仿生建筑學的，一些商業(yè)步行街和小區(qū)都選用了仿生建筑的核心理念，設(shè)計出與眾不同的造型設(shè)和強有力的視覺沖擊，帶給人們不一樣的美感。而建筑設(shè)計也帶給了仿生學一個新的發(fā)展前景和發(fā)展平臺，也提升和完善了建筑方面的設(shè)計，能夠與自然和諧相處，建設(shè)出一個和諧發(fā)展的社會。隨著時代的變遷和科技的進步，人們已經(jīng)慢慢擺脫了傳統(tǒng)式大廈結(jié)構(gòu)的設(shè)計，向更具時代感和活力的角度來發(fā)展建筑。仿生學與建筑設(shè)計密切相關(guān)，一同推動了仿生建筑的發(fā)展。建筑仿生設(shè)計所研究的具體內(nèi)容非常的多，其研究范圍也較廣，因為仿生學和建筑設(shè)計內(nèi)容與很多學科課程均有聯(lián)系，所以建筑仿生設(shè)計的內(nèi)容也是劃分得比較具體詳細的。根據(jù)建筑設(shè)計中的對不同生物系統(tǒng)的模擬應用，將建筑仿生設(shè)計的具體內(nèi)容進行劃分，主要有3個方面，即結(jié)構(gòu)仿生、形態(tài)仿生和功能仿生。結(jié)構(gòu)仿生，就是通過模仿自然界中生物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)來進行建筑設(shè)計，這建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵元素，比如模仿植物的莖葉結(jié)構(gòu)，動物身體結(jié)構(gòu)，肌肉結(jié)構(gòu)等進行設(shè)計；形態(tài)仿生，是通過模仿自然界中生物的外部形態(tài)以及象征寓意等，并且讓其經(jīng)過相關(guān)技術(shù)處理之后運用于建筑設(shè)計；功能仿生，是通過對自然界生物系統(tǒng)的功能園林進行模仿，并運用這種基本原理改善目前的建筑方式或創(chuàng)建新的工藝技術(shù)，進而推動建筑技術(shù)的更新發(fā)展。仿生建筑“貝殼酒店”如圖2所示。

圖2 仿生建筑“貝殼酒店”

2.1 結(jié)構(gòu)仿生

生物為了更好地生活以及在自然界中發(fā)展，就必須做到去抵御會帶來干擾的外力，努力融入所賴以生存的自然環(huán)境中，所以生物在長久的發(fā)展歷程中自然就產(chǎn)生最有效、最平穩(wěn)的結(jié)構(gòu)。羽茅草和禾本科植物的長葉往往卷曲成筒形或殼形，香蒲植物的葉是螺旋狀等，都在不斷啟示人類去探索空間結(jié)構(gòu)的奧秘[3]。傳統(tǒng)建筑的梁板支撐體系已不是一種經(jīng)濟實惠的結(jié)構(gòu)形式，而且不能滿足現(xiàn)代社會對大跨度空間的需求。于是仿生空間結(jié)構(gòu)幫助建筑設(shè)計師解決了難題。據(jù)統(tǒng)計，二次大戰(zhàn)以來，各國舉辦奧林匹克運動會而建造的體育館，有60%以上采用薄壁空間結(jié)構(gòu)。

2.2 形態(tài)仿生

建筑的形態(tài)仿生多以合理的結(jié)構(gòu)作為前提條件，如海豚式的火車頭、水滴型油罐等，的是以合理的結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，創(chuàng)造出簡約輕快的美學形態(tài)。在仿生生物形態(tài)的同時，也有可能與其唯美形態(tài)引喻聯(lián)絡(luò)在一起。例如，美國肯尼迪候機場的設(shè)計，就是通過仿生殼體，但設(shè)計者并不是簡易地開展形態(tài)仿生，而是將幾個殼體進行結(jié)合，構(gòu)造出展翅翱翔的鵬鳥。這類形態(tài)的仿生與飛機飛行相符合，其包含著深刻的喻意，也是一個優(yōu)秀的建筑設(shè)計作品。美國肯尼迪候機場如圖3所示。

圖3 美國肯尼迪候機場

2.3 功能仿生

自然界中的生物對結(jié)構(gòu)等進行巧妙的設(shè)計，其最終就是為了功能的實現(xiàn)而服務(wù)的。甚至有的生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還是有多種功能的。竹子的結(jié)構(gòu)是空心的，它既需要支撐起自身，還需要成為輸送營養(yǎng)物質(zhì)的管道。甘庶是一年生植物，它的生命周期是比較短的，因此甘庶的周邊是薄壁承重結(jié)構(gòu)，而莖芯是填充物[4]。通過以上可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)與功能的聯(lián)系是非常緊密的，而這些生物的特點也可以將其運用于房屋建筑和工程項目中的施工中。近些年，摩天大樓如雨后春筍般在各國不斷涌現(xiàn)，許多都是選用薄壁圓筒做為承重結(jié)構(gòu)，圓筒內(nèi)布局電梯或者是樓梯例如，第一聯(lián)邦銀行的大樓有60樓，從外觀設(shè)計上可以看得出，多層建筑高樓中帶有竹節(jié)的結(jié)構(gòu)，這類層級水平結(jié)構(gòu)可以和設(shè)備層結(jié)構(gòu)，把功能與結(jié)構(gòu)進行統(tǒng)一。

3 建筑中應用仿生元素的意義

3.1 在建筑中應用仿生設(shè)計可帶動文化經(jīng)和濟的發(fā)展及有保護生態(tài)環(huán)境的作用

很多著名科學家推測，21世紀之后全球的文化中心將會轉(zhuǎn)移到我國，因為中國有著幾千年的歷史和悠久的文化。因而，相關(guān)的學者和建筑設(shè)計師是需要擔負起承繼和弘揚華夏文明中出色的建筑理念的重大責任，其中仿生建筑就是一個有效的表現(xiàn)方式。建筑仿生學就是建筑設(shè)計師通過學習和模仿生物系統(tǒng)的方法，通過此來搭建綠色生態(tài)建筑，更好地與自然環(huán)境融合。我國目前經(jīng)濟發(fā)展比較快，能源分布不均勻，并且公共交通、工業(yè)生產(chǎn)和建筑行業(yè)消耗的能源比較多，面臨著能源短缺和環(huán)境污染的問題。相關(guān)資料表明，我國現(xiàn)階段建筑領(lǐng)域中所消耗的能源占比較大，如果不大力推廣環(huán)保建筑的方式，那么隨著經(jīng)濟發(fā)展速度的持續(xù)增加，建筑領(lǐng)域的能源消耗也會不斷增加?，F(xiàn)階段，在我國各地科研單位和設(shè)計單位等都在積極開展環(huán)保節(jié)能建筑的研究，努力推動和發(fā)展環(huán)保節(jié)能建筑。

3.2 在建筑中應用仿生元素可以為設(shè)計師提供靈感和思路

對于建筑設(shè)計師來說，仿生元素在建筑行業(yè)的應用為其提供了新思維方式和靈感。建筑設(shè)計師可以從生物上獲得設(shè)計靈感，更好地進行建筑外觀、構(gòu)造、功能等各個方面的設(shè)計，或者將生物象征的意義作為設(shè)計思路。

4 建筑設(shè)計中仿生元素運用的發(fā)展前景

仿生元素是建筑設(shè)計進行創(chuàng)造的一個源泉，在模仿中進行創(chuàng)造，以此設(shè)計出更為美觀實用的設(shè)計，滿足人們對建筑的精神和物質(zhì)上的需求。到現(xiàn)在為止經(jīng)過科學研究，人類已經(jīng)看到了很多生物的奧秘，并會將其應用到建筑的設(shè)計創(chuàng)造時。當仿生學變成一門課程后，更多的生物原理被使用到設(shè)計和創(chuàng)造中[5]。大自然中存在許多未被發(fā)掘的奧秘，人類每發(fā)覺一個奧秘，其就有可能變成新設(shè)計，或是發(fā)現(xiàn)給人類提供更好的生活一種方法。自然界是在不斷變化的，其中的生物體也在不斷的進化，存在于生物體的很多奧秘都有待人類探索。所以，就目前來說，人類對于自然界中生物體的研究是遠遠不夠的，需要更多的專業(yè)人士去探索和研究，為建筑設(shè)計提供新的設(shè)計思路，，創(chuàng)造出新設(shè)計，使建筑更好地與自然融合，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。海膽仿生木質(zhì)亭如圖4所示。

圖4 海膽仿生木質(zhì)亭

5 結(jié)語

從上文的論述中可以看出，仿生建筑在建筑設(shè)計行業(yè)的應用前景十分寬闊，仿生設(shè)計元素在建筑設(shè)計中的運用會使建筑行業(yè)變得更加豐富。伴隨著建筑工程技術(shù)的不斷發(fā)展和建筑設(shè)計水平的不斷提高，仿生建筑在建筑領(lǐng)域會得到蓬勃發(fā)展。