仿生理念在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

茅 曉 東

(臨汾市交通勘察設(shè)計(jì)院，山西 臨汾　041000)

1　仿生理念的概念

仿生學(xué)是一門學(xué)科，從古到今都被不同程度地應(yīng)用到生產(chǎn)生活實(shí)踐中，通過研究生物體的結(jié)構(gòu)和生理功能，對(duì)其原理進(jìn)行研究，然后將其原理應(yīng)用到現(xiàn)在的生活生產(chǎn)中，以開發(fā)出新的設(shè)備和工具。其主要方法就是利用特殊的仿生技術(shù)來生產(chǎn)出適合學(xué)習(xí)生活和工作的新型產(chǎn)品，其原理和功能離不開生物的結(jié)構(gòu)和生理功能。因?yàn)樯锼哂械墓δ苁窃谶m應(yīng)自然的過程中逐漸演變而來的，具有很大的優(yōu)越性，并且比機(jī)械要好得多。如果將生物的一些功能巧妙地運(yùn)用在工程建設(shè)中，則可以很好地提升工程的性能，并且讓工程更加安全使用期限更長(zhǎng)。仿生學(xué)理念可以很好地啟發(fā)工程師的思維，引發(fā)新的創(chuàng)新點(diǎn)?，F(xiàn)在在橋梁設(shè)計(jì)中也越來越多地采用了仿生理念，讓橋梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更完整，并且耐受力和安全程度大幅度提升?？梢哉f仿生設(shè)計(jì)理念的應(yīng)用，大大增加了現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的人性化程度，并最大限度的促進(jìn)了自然和人類社會(huì)的和諧發(fā)展。

2　橋梁仿真設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

2.1　設(shè)計(jì)方向

工程設(shè)計(jì)和生物體設(shè)計(jì)是現(xiàn)今橋梁設(shè)計(jì)的兩大主題，這兩大主題之間存在著可逆的關(guān)系。基于此，在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者可以依據(jù)橋梁設(shè)計(jì)目標(biāo)，從生態(tài)系統(tǒng)中找尋靈感，生態(tài)系統(tǒng)中與設(shè)計(jì)目標(biāo)相似的機(jī)理和結(jié)構(gòu)都可以被借鑒到橋梁設(shè)計(jì)中，如此一來，在提高橋梁設(shè)計(jì)水平的同時(shí)，也開拓了設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思路，提供了更為優(yōu)秀的設(shè)計(jì)創(chuàng)意。

2.2　設(shè)計(jì)方法

在對(duì)橋梁進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，生態(tài)學(xué)的基本理論需要被引入到橋梁設(shè)計(jì)當(dāng)中，不管是設(shè)計(jì)者還是建設(shè)者，都需要對(duì)引入的生態(tài)學(xué)理論進(jìn)行分析，并獲得相關(guān)的結(jié)論。之后要結(jié)合橋梁設(shè)計(jì)的具體目標(biāo)與生態(tài)學(xué)理論，最終得出最為科學(xué)合理的橋梁設(shè)計(jì)方法。在具體分析生態(tài)學(xué)理論時(shí)，最為重要的是建立一個(gè)與理論相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，這樣便于對(duì)生態(tài)學(xué)基本規(guī)律進(jìn)行更為深入的分析和闡述，之后要借助于先進(jìn)的科技分析手段，實(shí)施模擬、研究與仿真，最終保證設(shè)計(jì)方案的良好的實(shí)用性。

3　仿生理念在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1　微觀仿生的應(yīng)用

3.1.1仿生功能和設(shè)計(jì)優(yōu)化

仿生設(shè)計(jì)形式是整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，其地位也是十分重要的。我們知道，生命性是自然界生物的基本特征，但是橋梁工程是人為建造出來的建筑作品，其不具有生命特征，所以如何在功能上進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)是十分關(guān)鍵的問題，也是人們最為關(guān)注的。功能性的仿生設(shè)計(jì)是在研究自然生態(tài)規(guī)律和生長(zhǎng)機(jī)制的基礎(chǔ)上，需要將研究成果應(yīng)用到建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)中去，實(shí)現(xiàn)生命體的有效轉(zhuǎn)換。橋梁設(shè)計(jì)必須要保證橋梁的質(zhì)量，這是橋梁設(shè)計(jì)的硬性要求，但是在其投入使用中多少都會(huì)受到自然因素的損害。隨著橋梁建設(shè)規(guī)模的增大，橋梁跨度也在變大，這對(duì)橋梁設(shè)計(jì)提出了更高的要求，如何保持空氣動(dòng)力穩(wěn)定便是其中需解決的重要問題。而仿生設(shè)計(jì)作為基礎(chǔ)，能夠在很大程度上使得橋梁的調(diào)控能力得以增強(qiáng)，從而能夠更好的適應(yīng)自然環(huán)境，減少橋梁損害。尤其是面對(duì)自然災(zāi)害的時(shí)候，橋梁結(jié)構(gòu)的自身優(yōu)化可以使其能夠進(jìn)行自我控制，最終減小損害。

3.1.2新型材料應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，很多新型的建筑材料投入使用，這些新型建筑材料的出現(xiàn)無疑使得橋梁的現(xiàn)代化進(jìn)程得以加快。材料的仿生是指研究生物體內(nèi)化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的材料，這一類材料天然的具有了高實(shí)用性和高強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際的選擇中，要仔細(xì)分析材料的性能特點(diǎn)，以對(duì)材料進(jìn)行合理使用。例如混凝土材料，原材料雖然都是易得的，但是如果材料不同，那么性能和強(qiáng)度也會(huì)存在差異，因此要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體要求出發(fā)，合理使用材料，這樣才能最大限度的提升材料的使用性能。

3.2　宏觀仿生的應(yīng)用分析

3.2.1結(jié)構(gòu)仿生與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.2.2形態(tài)仿生與概念設(shè)計(jì)

要設(shè)計(jì)一座成功的橋梁，設(shè)計(jì)師的付出無疑是巨大的。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師要克服各種各樣的困難，總結(jié)起來主要是兩方面的問題：一是理論與實(shí)踐的差異問題，有些非常優(yōu)秀的理論設(shè)計(jì)成果但是卻無法在實(shí)踐中取得成功；二是設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)問題。設(shè)計(jì)師要不斷的進(jìn)行理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，也要在實(shí)踐中增強(qiáng)自己發(fā)現(xiàn)自然、利用自然的能力。在大自然中，不乏那些簡(jiǎn)單科學(xué)的形式、方便易得的材料，但是這些形式和材料的應(yīng)用卻能夠使得橋梁設(shè)計(jì)得到意想不到的效果。在橋梁設(shè)計(jì)史上，許許多多成功的設(shè)計(jì)都是來源于自然界中的事物，例如著名的坎波蘭廷步行橋和盧西塔尼亞拱橋，坎波蘭廷步行橋的跨度達(dá)到75 m，而這個(gè)設(shè)計(jì)靈感卻源于人體脊柱結(jié)構(gòu)，橋梁結(jié)構(gòu)的科學(xué)合理性大大增強(qiáng)；盧西塔尼亞拱橋主跨達(dá)到190 m，而扭頭成為了這座橋梁的設(shè)計(jì)源泉。由此可以看出，從自然界中汲取精華的確能夠設(shè)計(jì)出很多不可思議的作品。

3.2.3意象仿生及美學(xué)設(shè)計(jì)

大自然處處充滿了讓人驚嘆的美，大自然中林林總總的生物體為設(shè)計(jì)者提供了不竭的設(shè)計(jì)源泉，其中的色彩、質(zhì)感，甚至是形態(tài)、比例都會(huì)為橋梁設(shè)計(jì)提供借鑒。當(dāng)前的仿生理念將切實(shí)利用自然美學(xué)作為基礎(chǔ)，橋梁結(jié)構(gòu)由此具備了嶄新的生命力。將仿生設(shè)計(jì)理念應(yīng)用在橋梁設(shè)計(jì)中能夠使得最終橋梁作品的文化性和情感性增強(qiáng)，在橋梁設(shè)計(jì)中，不僅僅需要精確的設(shè)計(jì)計(jì)算，同時(shí)也要講求人文關(guān)懷，這樣設(shè)計(jì)出的作品才會(huì)有溫度，才會(huì)是成功的橋梁設(shè)計(jì)。

4　結(jié)語

在橋梁建筑設(shè)計(jì)和建設(shè)的階段，都對(duì)仿生設(shè)計(jì)提出了十分嚴(yán)格的要求，仿生設(shè)計(jì)具有其特殊性，因此使用的建筑材料也是特定的，材料的選擇還要從規(guī)劃、施工等方面去考慮，使得材料得到最大程度的利用，最有效發(fā)揮其利用價(jià)值。仿生學(xué)設(shè)計(jì)是建立在多學(xué)科的理論基礎(chǔ)之上的，這要求設(shè)計(jì)人員要熟悉相關(guān)學(xué)科的理論知識(shí)，設(shè)計(jì)出一臺(tái)最為科學(xué)合理的設(shè)計(jì)措施，以和諧自然推動(dòng)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn):