[摘要] 本文針對(duì)太陽(yáng)能在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用的各種形式、方法，結(jié)合建筑仿生學(xué)、生態(tài)學(xué)的相關(guān)研究，提出仿生解析建筑設(shè)計(jì)中太陽(yáng)能的利用，提出了建筑中能量、物質(zhì)的運(yùn)行不是單一的體系，而是復(fù)合的“類生命系統(tǒng)”。

[關(guān)鍵詞] 建筑設(shè)計(jì) 太陽(yáng)能利用 仿生研究

一、引言

人類文化的使命，歸結(jié)于與自然的對(duì)抗最終以生態(tài)平衡來(lái)達(dá)到一種和諧的秩序。太陽(yáng)能是一種取之不盡，用之不竭的清潔能源，用太陽(yáng)能替代常規(guī)能源，轉(zhuǎn)變能源開(kāi)發(fā)、利用的方式，對(duì)建筑節(jié)能與和諧社會(huì)的建設(shè)具有十分重要的意義。

仿生設(shè)計(jì)，即從自然界獲取靈感，向生物行為方式學(xué)習(xí)，借鑒、模擬生物利用太陽(yáng)能的方法，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的建筑技術(shù)，完善建筑相關(guān)性能。研究生物體感知、調(diào)控的生命機(jī)理，應(yīng)用于建筑，使建筑具有順應(yīng)自然環(huán)境的生命行為，與自然環(huán)境融合。將生物與自然環(huán)境的共生策略轉(zhuǎn)化為建筑策略——建筑與自然環(huán)境共生的策略，使建筑具有對(duì)環(huán)境的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性，能夠?qū)ψ匀画h(huán)境起到改善、美化、豐富和調(diào)節(jié)的作用，維護(hù)地球系統(tǒng)的復(fù)雜性與秩序性，實(shí)現(xiàn)生物－建筑－自然的和諧發(fā)展。

二、概述

1.仿生學(xué)概述

仿生學(xué)作為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科，于1960年9月正式誕生。J.E.斯蒂爾將新興的學(xué)科命名為“Bionics”，希臘文的意思是研究生命系統(tǒng)功能的科學(xué)。斯蒂爾把仿生學(xué)定義為“模仿生物原理來(lái)建造技術(shù)系統(tǒng)，或者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有或類似于生物特征的科學(xué)”。

建筑仿生學(xué)，即研討以生物為模型的建筑學(xué)，它從仿生學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)來(lái)研究建筑，把建筑與人看作是一個(gè)統(tǒng)一的“生物體系”，在這個(gè)體系中，生物的和非生物的因素相互作用，并以共同功能為目的而達(dá)到統(tǒng)一，使建筑與自然和諧發(fā)展。

2.建筑設(shè)計(jì)中太陽(yáng)能利用的概況

建筑中太陽(yáng)能利用，一般有以下幾種形式:

(1)被動(dòng)式太陽(yáng)房，一種完全通過(guò)建筑朝向和周?chē)h(huán)境的合理布置、內(nèi)部空間和外部形體的巧妙處理以及材料、結(jié)構(gòu)的恰當(dāng)選擇、集取、蓄存、分配太陽(yáng)熱能的建筑。

(2)主動(dòng)式太陽(yáng)房，是以太陽(yáng)集熱器、管道、風(fēng)機(jī)或泵、散熱器及貯熱裝置等組成的太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)或與吸收式制冷機(jī)組成的太陽(yáng)能供暖和空調(diào)的建筑。

(3)“零能房屋”，它利用太陽(yáng)電池等光電轉(zhuǎn)換設(shè)備提供建筑所需的全部能源，完全用太陽(yáng)能滿足建筑供暖、空調(diào)、照明、用電等一系列功能的要求。本文提出第四種方式——“生物體”房屋，即仿生利用太陽(yáng)能，建筑不再是只消耗能源，破壞環(huán)境的人工構(gòu)造物，而是自然生態(tài)鏈條中的一環(huán)，起著生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者的多重角色，成為人與自然和合的媒介，自然的生態(tài)因子，最終使人類社會(huì)與自然環(huán)境和諧相處。

三、自然界中生物的啟示

1.光合作用與建筑設(shè)計(jì)

植物、藻類和細(xì)菌都是依賴太陽(yáng)而生存的，通過(guò)光合作用，它們將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為能夠存儲(chǔ)的化學(xué)能，支撐著自然界的能量循環(huán)，同時(shí)還影響著自然界各個(gè)方面的生命活動(dòng)。盡管光合作用受到各種因素的調(diào)控，但其自身卻也具有一定的自組織能力，一般情況下能“逆來(lái)順受”，在不利的環(huán)境中也可避免遭到傷害并且還可保持相當(dāng)?shù)幕钚?。這可以看作是生物整個(gè)生命體協(xié)調(diào)運(yùn)作利用太陽(yáng)能的過(guò)程。（如圖1）

建筑設(shè)計(jì)中太陽(yáng)能的利用不應(yīng)是附加的、零散的應(yīng)用能源的形式（如為提供部分熱水而安裝的太陽(yáng)能熱水器以及為提供建筑部分電耗而在屋頂鋪裝的光電板等），而應(yīng)是與建筑融為一體的建筑生命的動(dòng)力內(nèi)核，如同植物的光合作用對(duì)植物的意義一樣。

2.動(dòng)物器官與建筑支撐系統(tǒng)復(fù)雜的高等動(dòng)物(如哺乳動(dòng)物)，除了完善的表皮功能之外，還發(fā)展了一套精密的內(nèi)部器官，形成了“內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)”，其腔體的內(nèi)表面衍生出數(shù)以萬(wàn)計(jì)的微結(jié)構(gòu)，生命肌體中又延伸出數(shù)以萬(wàn)計(jì)的分支、末梢，有效的擴(kuò)大了接觸面、信息終端，最終形成了以表皮和內(nèi)部腔體器官一起協(xié)同作用的調(diào)節(jié)機(jī)制，更重要的是有綜合處理的集成系統(tǒng)終端，增強(qiáng)了生物體的環(huán)境應(yīng)變能力。

建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)與設(shè)備系統(tǒng)可看作是建筑的表皮與內(nèi)部腔體器官，維護(hù)著建筑生命本體的活性，與太陽(yáng)能利用這一建筑生命的動(dòng)力內(nèi)核融為一體。建筑與生物間存在著千絲萬(wàn)縷的類比聯(lián)系。見(jiàn)表1

3.建筑的屬性

生命起源和進(jìn)化的一個(gè)重要內(nèi)容就是要建立和完善一個(gè)自成一體的物質(zhì)流、能量流和信息流的獨(dú)立系統(tǒng)，從而構(gòu)成一個(gè)生命個(gè)體化的相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。在這個(gè)意義上，建筑也是一樣的。作為相對(duì)獨(dú)立的開(kāi)放系統(tǒng)，建筑與周?chē)沫h(huán)境建立了相應(yīng)的物質(zhì)和能量的輸入、輸出的路徑體系，正是在此路徑上的流動(dòng)轉(zhuǎn)換對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了不同的影響。仿生利用就是賦予此路徑以生態(tài)性，使其與自然環(huán)境共生，而不再是獨(dú)立的、附加于自然之上的人工系統(tǒng)，恢復(fù)建筑的自然屬性。

四、建筑設(shè)計(jì)中太陽(yáng)能利用的仿生解析

1.太陽(yáng)能利用的仿生淵源與理念

“樹(shù)上雨滴及風(fēng)的喧鬧，以及從樹(shù)上枝葉間過(guò)濾下來(lái)的陽(yáng)光，是人類復(fù)雜的刺激源，以最令人歡欣的方式鼓噪著。沒(méi)有比陽(yáng)光更好的光，沒(méi)有比自然新鮮的空氣更好的空氣，為了獲得舒適，我們的建筑應(yīng)該盡可能地利用外界的品質(zhì)。”

建筑中太陽(yáng)能的仿生利用：一是建筑自身仿生利用太陽(yáng)能，從太陽(yáng)能建筑一體化著手，包括對(duì)建筑設(shè)計(jì)理念的建構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能與功能的塑造、建筑能量運(yùn)行的體系等。如旋轉(zhuǎn)式太陽(yáng)能房如同向日葵，能夠在基座上轉(zhuǎn)動(dòng)，即時(shí)跟蹤陽(yáng)光，房屋的旋轉(zhuǎn)跟隨著太陽(yáng)的進(jìn)度，在太陽(yáng)落山之后就回復(fù)到初始位置（如圖2）。二是將建筑視為仿生載體，即從太陽(yáng)能利用系統(tǒng)的選擇入手，將太陽(yáng)能利用設(shè)施與建筑有機(jī)結(jié)合。如楊經(jīng)文設(shè)計(jì)的綠色摩天樓。將綠色植物與建筑融為一體，擁有類如植物光合作用的特征（如圖3）。正如賴特所說(shuō)：有機(jī)建筑應(yīng)該是自然的建筑。自然界是有機(jī)的。建筑師應(yīng)該從自然中得到啟示。房屋應(yīng)當(dāng)像植物一樣，是地面上的一個(gè)基本的、和諧的要素，從屬于環(huán)境，從地里生長(zhǎng)出來(lái)迎著太陽(yáng)。

2.太陽(yáng)能利用的仿生解析

一直以來(lái)生物出于生存的需要，不斷地使自己適應(yīng)生存環(huán)境以利于自身發(fā)展，經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的自然選擇，自然界的生物大都是生態(tài)高效的生命有機(jī)體，蘊(yùn)育著無(wú)數(shù)的奧妙，只有充分認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，建筑才能更好的實(shí)現(xiàn)人的愿望，使人的生活更美好。仿生利用太陽(yáng)能就是這樣一種為了人類更美好的生活，結(jié)合建筑中太陽(yáng)能的利用，探究“奧妙”的理念及方法。

(1)仿生原型

通過(guò)對(duì)仿生原型及對(duì)應(yīng)的建筑技術(shù)形式和生態(tài)效應(yīng)的研究得出建筑中仿生太陽(yáng)能利用多集中在以下三個(gè)方面，即：仿自然界生物體的性能；仿生物的棲居物；直接利用自然界生物和生物能。

①仿生物體本身的性能

從仿生學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，通過(guò)模仿生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征、能量轉(zhuǎn)換和信息處理方式等，可為建筑技術(shù)和太陽(yáng)能應(yīng)用研究提供思路，如植物對(duì)氣候的適應(yīng)形態(tài)對(duì)建筑的啟示（如圖4）。

②仿生物的棲居物

自然界生物的棲居物往往有著優(yōu)良的物理性能，出色應(yīng)用太陽(yáng)能的技巧，對(duì)材料的利用也十分節(jié)省、到位，具有很好的綜合生態(tài)效應(yīng)，還能夠自然降解，如蟻穴（見(jiàn)圖5）。

③直接利用生物或生物能

這種方式往往演繹為直接以生物體為原料研制建筑材料，將其生態(tài)特性賦予建筑材料，從而利用太陽(yáng)能（如選擇可透過(guò)性薄膜）；或直接將生物體引入建筑作為建材，成為建筑的有機(jī)因子，如綠色植被的遮陽(yáng)、調(diào)解溫濕度，光合細(xì)菌的太陽(yáng)能利用等。

在無(wú)生命的建筑形式和有生命的生物形態(tài)間，仿生可視為一個(gè)微觀層面上的交匯平臺(tái)，也從另一個(gè)角度詮釋了我國(guó)古代哲學(xué)中“天人合一”的思想，《管子》指出：“凡人之生也，天出其精，地出其形，合此以為人。和乃生，不和不生?！?。

(2)建筑構(gòu)成

生物體在長(zhǎng)期的自然選擇下，進(jìn)化出了高效低耗、自覺(jué)應(yīng)變的生命保障及調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這對(duì)建筑的發(fā)展具有積極的啟示意義。建筑是人的家園，必然與自然界物種間有著結(jié)構(gòu)上的普遍共同之處，這是由類生命的特性所決定的。生物形式與建筑構(gòu)成之間的關(guān)系，不是簡(jiǎn)單的視覺(jué)效果聯(lián)想，而是以相似性為基礎(chǔ)，探索同等價(jià)值的形式再創(chuàng)造的鏈條。

①建筑存在的解析

建筑與人作為一個(gè)“生物體系”是仿生解析的基礎(chǔ)。太陽(yáng)能利用并不是直接為人們營(yíng)造舒適環(huán)境的能源方式，而是借鑒植物對(duì)自然環(huán)境的生態(tài)效用，維護(hù)地球大系統(tǒng)的穩(wěn)定、復(fù)雜、秩序意義的同時(shí)，為人們營(yíng)造相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境條件及各種可能的選擇，從而使得建筑與自然環(huán)境間的交流變的有機(jī)。

植物對(duì)氣候的應(yīng)變是天然的、生態(tài)而高效的。對(duì)建筑而言，這是能在大自然中直接獲取和借用的，不輸入能量就能自動(dòng)完成的應(yīng)變界面。所以植物可以與建筑相結(jié)合成為建筑對(duì)外界氣候敏感應(yīng)激的“毛發(fā)”（如圖6）。

“建筑物常?？梢钥醋鞔罅康臒o(wú)生命物質(zhì)的堆積……植被化的目標(biāo)就是將有機(jī)的、富有生命力的物質(zhì)與無(wú)機(jī)的、無(wú)生命的物質(zhì)融為一體?！?。模仿自然的形式是仿生的初級(jí)階段，最終的仿生是要介入自然的進(jìn)程，與自然共生。

②技術(shù)構(gòu)成

人們建造建筑的過(guò)程，實(shí)際上表現(xiàn)為“人—建筑—環(huán)境”系統(tǒng)的行為過(guò)程，人們使用建筑并不是消耗建筑本身，而是用它來(lái)調(diào)節(jié)控制建筑以外的東西。仿生利用太陽(yáng)能就是這樣一種調(diào)解控制的手段，它賦予建筑若干“生物特性”，使建筑以整體有機(jī)的形態(tài)應(yīng)用太陽(yáng)能，從而成為生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)組成部分。

生物生理機(jī)能的實(shí)質(zhì)是以多樣化的生存方式，有機(jī)整體的主動(dòng)適應(yīng)、改善其生存的環(huán)境從而獲得低能耗和低材耗。在建筑中通過(guò)材料的不同組合和空間變化來(lái)形成可調(diào)節(jié)的界面，要比單一材料截面擁有更多更復(fù)雜的應(yīng)變方式。（如圖7）。

③解析的意義人們營(yíng)造建筑的一個(gè)直接目的，就是有

效的抵御和緩解外部氣候的不利影響，保障生命，調(diào)節(jié)能量運(yùn)行，從而生活的更美好。人離不開(kāi)自然，建筑也不能離開(kāi)自然?，F(xiàn)今的能源問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題、甚至社會(huì)問(wèn)題，都與人不同程度的離開(kāi)自然有關(guān)。

從仿生角度解析的初衷是加深人們對(duì)利用太陽(yáng)能的認(rèn)識(shí)，轉(zhuǎn)變研究、開(kāi)發(fā)、利用太陽(yáng)能的思路。太陽(yáng)能是地球上任何一種生命賴以生存的能量來(lái)源和基礎(chǔ)，地球因太陽(yáng)而誕生，并只能依賴太陽(yáng)而生存，利用太陽(yáng)能不只是產(chǎn)更多的能，供人消耗，而是拉近人與自然的關(guān)系，賦予建筑以生命意義，促使建筑與自然共生，從根源上解除能源、環(huán)境問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)天人合一。

五、結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)建筑設(shè)計(jì)中太陽(yáng)能利用的仿生解析，提出建筑——自然與社會(huì)能量網(wǎng)絡(luò)體系中的結(jié)點(diǎn)，它不僅僅是人工構(gòu)筑物，還是人雙重屬性——自然屬性與社會(huì)屬性的媒介，從而對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)起補(bǔ)償、調(diào)節(jié)、維護(hù)的作用，而不再是能量傳輸、消耗的終端，促進(jìn)人與自然的和諧，推進(jìn)建筑的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn):

[1]呂愛(ài)民著:應(yīng)變建筑—大陸性氣候的生態(tài)策略[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版，2003.9

[2]倉(cāng)力佳:生態(tài)建筑的生態(tài)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2005.6

[3]徐君輝:高層建筑的生態(tài)設(shè)計(jì)手法——解讀楊經(jīng)文生態(tài)摩天樓的實(shí)踐[J].建筑，2006.3

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。