倪亞晨　吳鳴

摘要：文章通過分析概念設計的定義、內涵及方法，提出了自然仿生法在建筑設計中的應用和發(fā)展前景，目的在于解決當下設計人員過分依賴電腦，對整個設計項目缺乏創(chuàng)新和系統完整的認識的問題，同時對自然仿生法在建筑設計中的應用進行初步探討。

關鍵詞：概念設計；自然仿生法；建筑設計；建筑形態(tài)；設計方案 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU318 文章編號：1009-2374（2015）14-0021-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.14.011

概念設計于20世紀60年代起源于意大利，又稱觀念設計。經過近半個世紀的發(fā)展，概念設計的理論得到了極大豐富，目前概念設計在機械、電子、藝術、商業(yè)、軍事、土木工程等領域均有一定的應用。在土木建筑領域，概念設計是拿到設計任務后的最初設計階段，也是整個工程設計最重要和最困難的部分，是工程設計的靈魂和核心。做好概念設計，不僅有助于在后續(xù)的設計中全局把握整個設計工程，解決當下設計人員只注重于自己的設計部分，缺乏對項目整體把握的問題，而且能夠優(yōu)化設計方案，高效地利用財力、物力，避免浪費。概念設計能夠幫助設計師進行方案的創(chuàng)新設計，同時概念設計也體現了設計者對總體目標的洞察力，對設計任務的駕馭能力以及工程思維和綜合處理能力。自然仿生法是概念設計的一種重要方法，將其引入建筑概念設計具有極其重要的意義。

1 概念設計

由于概念設計是一個新興的設計概念，而且在多種領域均有應用，不僅如此，即使在同一領域的不同方面的應用也各有側重，所以關于概念設計的定義不勝枚舉。但是概念設計的提出者Pahl和Beitz，在《Engineering Design》一書中的定義被廣泛引用。其定義為在確定任務之后，通過抽象化，擬定功能結構，尋求適當的作用原理和組合，確定基本求解途徑，得出求解方案。

1.1 概念設計的內涵

概念設計是一個復雜而困難的事情，在做概念設計時，不僅需要熟悉相關政策法規(guī)，更需要扎實的知識積累和豐富的實踐經驗。

概念設計包括“概念生成”和“概念選擇”兩個階段，概念生成是根據需求和約束條件，運用語言文字、圖像視頻等手段表達概念設計構思的過程，概念選擇的核心是對設計方案多方位比選。

概念設計具有創(chuàng)新性、多樣性、層次性、約束性、殘缺性和復雜性，創(chuàng)新是概念設計最核心的部分。創(chuàng)新可分為原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進消化吸收再創(chuàng)新，原始創(chuàng)新是較高層次的創(chuàng)新，引進消化吸收再創(chuàng)新是大多數創(chuàng)新的一般途徑。一個好的創(chuàng)新設計能夠提高設計方案的競爭力，讓作品在眾多方案中脫穎而出，這對競標相當重要。

1.2 概念設計的一般方法

演繹法：演繹法是從一般性的前提出發(fā)，通過推導即“演繹”，得出具體陳述或個別結論的過程。在使用演繹法時先分析設計對象的一般特征和要求，結合特定條件對方案進行不斷地修正，最后得到設計方案。演繹法是一種比較成熟的概念設計方法，有利于產生方案的多樣性，但不易得到創(chuàng)新性較強的方案。

頭腦風暴法：頭腦風暴法是奧斯本創(chuàng)造的一種方法，有利于充分發(fā)揮群體協作的優(yōu)越性。頭腦風暴法需要團隊集合到一起，通過像圓桌會議的形式進行設計方案的討論，在此過程中，需要堅持保留判斷和數量積累的兩個原則，以期獲得更多可比的優(yōu)秀idea，也不遺漏有潛力的方案。

交叉移植法：交叉移植不僅是把不同學科、不同原理交叉，也要善于把不同方案交叉組合，不同方案取長補短，能夠加快問題的解決速度和做出優(yōu)質方案。

以上三種方法是能夠應用于所有概念設計的一般性方法，對概念設計的操作過程具有很好的指導效果，但并不能拿來做具體的概念設計，現就概念設計在建筑設計過程中的應用提出一個很實用的方法——自然仿生法，而自然仿生法的使用則需要以上三種方法作為支撐。自然仿生法具體可分為自然功法和自然形生法。

2 自然仿生法

2.1 自然功法

從某種角度講，自然界的各種現象的出現是無序的，但又存在某種普遍規(guī)律，這些規(guī)律由相應的原理控制。自然功法就是一種通過對生物某種功能的研究，依據其功能原理，結合人的技術改造，創(chuàng)造出具有與其相似功能的產品的方法。

自然功法在建筑上的應用雖然目前較少，但隨著人們對建筑物的要求不僅僅是滿足于安全性和功能性，而越來越注重建筑物的舒適性的時候，自然功法便是解決這個問題的一個有效途徑。

在建筑設計的概念設計階段，自然功法在拿到設計任務后就應該開始準備了，自然功法的設計過程可分為四個階段，分別為學習招標文件和其他資料階段、搜集具有與建筑所需相似功能的相關生物資料階段、分析資料并做出設計階段、方案比選階段。前三階段是概念生成階段，后一階段是概念選擇階段。

第一階段，學習招標文件和其他資料階段。學習招標文件和所能搜集到的一切與項目相關的信息，了解甲方對該工程建設目的、期望和接受范圍。該階段是承接一項設計任務首先要做的事，也是引領整個設計過程的階段，必須認真踏實，盡量減少認識上的錯誤和偏差。

第二階段，搜集具有與建筑所需相似功能的相關生物資料階段，簡單的說就是通過抽象化，擬定功能結構部分。搜集資料前必須做建設工程的需求分析，特別是未來的使用者對建筑的使用體驗需求分析。接下來根據分析資料，確定搜集生物資料的范圍。所搜集的資料必須有效，即每項生物資料必須有項目不同的功能需求說明、相關生物資料的具體內容和原理分析、技術支持三大部分。

第三階段，分析資料并做出設計階段。該階段需要分析生物特定功能所具備的原理在建筑中應用的效果和可行性，在分析資料的基礎上利用相關原理，結合人為技術改造，進行方案的概念設計，在此處可考慮采用交叉移植法進行組織設計。

第四階段，方案比選階段。方案比選包括需求比選和性價比比選，需求比選是要比較不同方案能夠達到業(yè)主需求的程度及其附加，性價比比選即安全、適用、經濟、美觀、環(huán)保和耐久方面的比較。

以上每階段不是相互獨立的，應該是一個循環(huán)系統，哪一步發(fā)現問題，都要及時返回上一步進行方案修正。

2.2 自然形生法

自然形生法可分為形態(tài)仿生和超形態(tài)仿生，此處的“生”表示“產生、創(chuàng)造出”之意。自然形生法不同于自然功法，區(qū)別有兩點：其一，自然功法“仿”的對象是自然界的一切生物，后者則是針對自然界的一切可能的生物體和非生物體；其二，前者只是功能仿生，對產品的結構和形態(tài)等無要求，更多時候是非常不同的，而自然形生法主要是形態(tài)上的“仿”。但兩者又有共同點，比如兩種方法都是對自然界已存在的事物進行“仿制”，都需要進行人工技術改造?，F就形態(tài)仿生和超形態(tài)仿生法做進一步的說明。

2.2.1 形態(tài)仿生法。形態(tài)仿生就是盡可能地保留所仿事物的形態(tài)信息，以期達到與其相似的功能特性、美學特性以及自然和諧性。如仿魚鰭的船槳、仿鳥類的飛機都可作為形態(tài)仿生設計的范例，它們因為具有某種形態(tài)才具備了一定的功能特性，這就是形態(tài)仿生法的實質。

以國家游泳中心為例，“水立方”的概念靈感來源于“一個方盒子，裝了很多水泡泡”的形象。一個英文詞Water Cube（水立方）既表達了方形，又與水有關。該方案新穎獨特的概念設計推出之后，立即引起了人們的注意。

“水立方”整體建筑由3000多個氣枕組成，氣枕大小不一、形狀各異，覆蓋面積達到10萬平方米，堪稱世界之最。成功的概念設計不僅使該方案能夠在眾多設計方案中脫穎而出，而且毫無懸念的成為了北京奧運會標志建筑物之一。國際奧委會主席羅格評價：“水立方的賽后運營是國際奧林匹克史當中場館賽后利用的一個典范。”

圖1 國家游泳中心“水立方”

水立方的結構設計基于“氣泡理論”，愛爾蘭教授Weaire和Phelan給出的多面體中十二面體單元和十四面體單元體積相等，但建筑結構并沒有這種要求，而是追求結構簡單化，故經過優(yōu)化，選用的是四面體的兩個六邊形長邊的四個頂點相連，構成一個正方形。上述設計很好地說明了怎么用形態(tài)仿生法去做概念設計，形態(tài)仿生法和其他兩個方法一樣，都只是提供一種設計思路，至于具體的建筑結構設計仍然必須以結構、材料等方面的基本理論進行設計。

2.2.2 超形態(tài)仿生法。所謂超形態(tài)仿生，就是參考事物的形體特征，加上人的藝術加工，設計出的極具美學價值的仿生產品。超形態(tài)仿生與形態(tài)仿生的不同之處就是超形態(tài)仿生更加強調對事物的藝術加工后產生的美學效果，沒有盡可能地保留所仿事物的形態(tài)信息的要求。以印象海南島劇場為例：

海膽：（1）海膽是海洋中一種古老的生物，已經繁衍了近億年的時間，它見證了海洋的歷史；（2）海膽的圓形輪廓與本工程圓形看臺的結構相適應；（3）海膽球狀的殼體正符合圓形劇場所需的穹頂結構。

由于海膽是造型非常簡單的球體，為了體現出海膽的優(yōu)美造型，設計中通過前拱與后拱之間的弦桁架桿張成三次雙曲拋物面，在外形上進行了較大的藝術加工，最終達到了很好的美學效果。

超形態(tài)仿生可以推廣到微觀與宏觀方面的表達，即把微觀世界的物質形態(tài)進行人的藝術加工后，在宏觀世界表達出來，或者在數量級上遠比人類大的事物，在人類使用范圍內表達出來，以獲得一種奇特的審美感受。當然，自然界也一直在做著這種事情，比如一個生物細胞和一個大生物體或一個生態(tài)系統的相似性、一片樹葉的脈絡和整棵樹桿的相似呈現、一個原子系統和一個星系的相似等。

圖2 海膽

圖3 海南島劇場

3 結語

概念設計是在新時代下應運而生的一種設計方法，特別是近年以來，隨著人們生活水平的提高，人們對產品的體驗要求越來越高，傳統的以結構為綱的設計思路已經越來越不適應社會的發(fā)展了，因此把基于自然仿生法的概念設計引入建筑設計很有發(fā)展前景。

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作者簡介：倪亞晨（1992-），男，河南濮陽人，汕頭大學工學院本科在讀學生。

（責任編輯：周 瓊）