譚 暢 田文濤 孫美玲 張莉紅

（鄭州大學(xué)，河南 鄭州450001）

仿生學(xué)是指“模仿生物系統(tǒng)的原理來建造技術(shù)系統(tǒng)，或者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有類似于生物系統(tǒng)特征的學(xué)科”[2]。仿生學(xué)的理念，其一是“回歸”——細(xì)心觀察自然生物的生命活動(dòng)特征，摒棄“以人為本”的思想，樹立“以自然為本”的信念，使人類回歸自然；其二是“提升”——分析自然現(xiàn)象內(nèi)在本質(zhì)，找出其與建筑暖通空調(diào)設(shè)計(jì)的融合點(diǎn)。暖通空調(diào)仿生設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)師們實(shí)踐創(chuàng)新的一個(gè)突破口，是未來暖通行業(yè)發(fā)展努力的方向。

1 建筑仿生歷史回顧

1.1 早期建筑仿生現(xiàn)象

早期建筑的仿生大都體現(xiàn)在生物形態(tài)的模仿上。早在16世紀(jì)，喬吉奧·瓦薩里（Giorgio Vasari）就提出了一個(gè)理想宮殿的初步設(shè)計(jì)方案——建筑正面模仿人的臉部，庭院模仿人的軀體，樓梯模仿人的四肢。這一理論將宮殿建筑各部分的布局與在自然規(guī)律變化條件下創(chuàng)造出來的人類形體進(jìn)行類比，體現(xiàn)了仿生的理念[3]。

1.2 仿生學(xué)的誕生

盡管建筑仿生有了一些進(jìn)展，但“仿生”這一概念卻遲遲未定。直到1949年，控制論創(chuàng)始人，美國(guó)科學(xué)家維納（N.Wiener）《控制論》的提出[4]，帶給人類無限的思考，工程技術(shù)的創(chuàng)新可從生物科學(xué)的角度去尋找發(fā)展。仿生學(xué)再一次的轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生在1960年9月13日到15日，在美國(guó)俄亥俄州達(dá)頓城（Payton）的一個(gè)空軍基地里，第一屆仿生學(xué)討論會(huì)召開，正式將這一跨領(lǐng)域的學(xué)科命名為“仿生學(xué)”[4]。

1.3 建筑仿生的推進(jìn)

從建筑仿生的提出到20世紀(jì)70年代，這一科學(xué)領(lǐng)域受到社會(huì)廣泛關(guān)注。我國(guó)仿生學(xué)研究工作始于1964年前后。1975年-1976年，中國(guó)科學(xué)院召開了我國(guó)第一次仿生學(xué)座談會(huì)。不久之后，在全國(guó)自然科學(xué)學(xué)科規(guī)劃會(huì)議上制定了我國(guó)關(guān)于仿生學(xué)的研究規(guī)劃。直到1983年，德國(guó)人勒伯多（J.S.Lebedew）著寫的《建筑與仿生學(xué)》，才從理論上將建筑仿生與生態(tài)學(xué)，與美學(xué)等關(guān)聯(lián)起來，并在仿生建筑的應(yīng)用方面進(jìn)行了深入的探索[4]。

1.4 現(xiàn)代建筑仿生學(xué)

1990年代晚期，畢爾巴鄂古根海姆博物館的設(shè)計(jì)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)使建筑在非線性空間具體成型，受到人們廣泛關(guān)注[5]。從早期的自然形式上的模擬提升到生物技術(shù)的模擬，再到生命原理的模擬，仿生建筑逐漸成熟。

2 暖通設(shè)計(jì)中仿生學(xué)應(yīng)用的新思路

2.1 巴黎建設(shè)對(duì)暖通空調(diào)設(shè)計(jì)仿生的啟發(fā)

城市環(huán)境仿生是人類利用仿生學(xué)的理念和特征來改造環(huán)境，從而創(chuàng)造出高度人工化的生存環(huán)境。例如，1853年法國(guó)皇帝拿破侖第三任命賽納區(qū)行政長(zhǎng)官歐思曼（G.E.Haussmann）執(zhí)行的巴黎建設(shè)計(jì)劃，把整個(gè)巴黎模擬成人的生態(tài)系統(tǒng)，在巴黎的東西郊建立兩座森林公園仿照人體兩肺，將巴黎各處的綠化帶與塞納河模擬成人體呼吸管道，環(huán)形和放射形的道路模仿人體的血管系統(tǒng)[6]。

換一個(gè)思考的角度，巴黎仿生改造的理念也可以運(yùn)用到空調(diào)制冷機(jī)房設(shè)計(jì)中來。將整個(gè)制冷系統(tǒng)模擬哺乳動(dòng)物，制冷機(jī)組中的冷凝器和蒸發(fā)器分別模擬哺乳動(dòng)物心臟的左心房和右心房，壓縮機(jī)則模擬其肺部，各部分管道設(shè)計(jì)仿照哺乳動(dòng)物的血管分布。將哺乳動(dòng)物身體各部分之間的聯(lián)系合理運(yùn)用到空調(diào)系統(tǒng)中，使制冷機(jī)組部分與管路部分更具有整體性。

2.2 暖通空調(diào)功能設(shè)計(jì)仿生

將自然生物的某些生存功能運(yùn)用到建筑暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中，即為功能設(shè)計(jì)仿生。例如，建筑大師丹下建三設(shè)計(jì)的日本山梨縣文化館，由4行16根5米長(zhǎng)直徑的圓筒結(jié)構(gòu)做主要支撐體，模仿了植物的新陳代謝功能。在圓筒內(nèi)設(shè)樓梯，廁所等，圓筒之間架設(shè)播音室，印刷廠和辦公室，這充分考慮了功能上使用的特點(diǎn)，使報(bào)社和電臺(tái)的辦公、印刷、出版和播音空間四者之間既相互聯(lián)系又各自獨(dú)立[7]。

由植物新陳代謝系統(tǒng)推想到建筑布置，大師的設(shè)計(jì)理念充分體現(xiàn)了仿生的靈活性。例如，人類根據(jù)螢火蟲的發(fā)光原理制造出的人工冷光，提高了發(fā)光率，降低了熱量消耗。從生物體的生命現(xiàn)象推想暖通空調(diào)設(shè)備的設(shè)計(jì)，有利于改善設(shè)備外觀并提升其功能。

2.3 暖通設(shè)計(jì)形式仿生

1958年埃羅·薩里寧（Eero Saarinen）設(shè)計(jì)的美國(guó)耶魯大學(xué)冰球館，仿自一只暢游海洋的海龜，建筑師薩巴（FariburzSahba）在1975年-1987年設(shè)計(jì)建成的印度新德里母親廟仿佛一朵圣潔而高貴的荷花，英國(guó)伯明翰塞福瑞吉百貨大樓外型輪廓猶如女性的身體，這些建筑仿生的成功案例啟發(fā)建筑設(shè)備設(shè)計(jì)形式朝多樣化方向發(fā)展。

如今市面上的空調(diào)機(jī)組大都造型單一，對(duì)家用空調(diào)室內(nèi)機(jī)進(jìn)行外觀上的仿生設(shè)計(jì)，能使其外觀構(gòu)造更加生動(dòng)活潑，成為家庭裝飾品的一部分，與整個(gè)家庭環(huán)境相融合。但要避免出現(xiàn)簡(jiǎn)單模仿生物外觀的作品，一味夸張和新奇，毫無美感和創(chuàng)新可言。這類設(shè)計(jì)帶給人們的是“驚訝”而非“驚喜”，任何設(shè)計(jì)形式上的改變，都要在保證其功能正常使用的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

2.4 建筑暖通空調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仿生

結(jié)構(gòu)組織仿生即研究生物內(nèi)部結(jié)構(gòu)，類比建造出與生物體或其某部分相仿的機(jī)械裝置。1957年，奈爾維和維特羅西建造的羅馬奧運(yùn)會(huì)小體育館，其內(nèi)部鋼筋混凝土網(wǎng)格結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，就是受葵花的啟發(fā)，該結(jié)構(gòu)不僅用材經(jīng)濟(jì)，受力合理，而且內(nèi)部裝飾新穎。

對(duì)于向日葵，最顯著的特征便是其向陽(yáng)生長(zhǎng)，其原理是向日葵的頂部富含有生長(zhǎng)素，受到陽(yáng)光的刺激使生長(zhǎng)素分布不均勻，從而出現(xiàn)向陽(yáng)生長(zhǎng)的現(xiàn)象。仿照向日葵的原理，在設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)口時(shí)，在其周圍安裝溫度感應(yīng)裝置相當(dāng)于生長(zhǎng)素的作用，受到周圍環(huán)境溫度的感應(yīng)，適當(dāng)調(diào)節(jié)各個(gè)方向的送風(fēng)量，使整個(gè)房間氣流組織形式更合理。

20世紀(jì)70年代，德國(guó)科學(xué)家發(fā)明了毛細(xì)管平面輻射式空調(diào)末端系統(tǒng)，這種模仿人體毛細(xì)血管散熱的新型空調(diào)末端系統(tǒng)被視為一次“末端革命”。這種系統(tǒng)的毛細(xì)管中充滿具有高效傳熱功能的介質(zhì)與傳統(tǒng)對(duì)流式空調(diào)系統(tǒng)相比，在冬季，供水水溫只需30℃-35℃，即能滿足室溫20℃±2℃的要求；在夏季毛細(xì)管輻射供冷工況下，輔以置換新風(fēng)的除濕系統(tǒng)，供水水溫只需18℃，即能使室溫達(dá)到26℃±2℃。而且由于毛細(xì)管末端系統(tǒng)換熱面積大、傳熱速度快，因此它傳熱效率更高，向房間輻射冷量和熱量更加柔和，房間溫度分布更加均勻[8]。

在津巴布韋的哈拉雷，矗立著一座體型龐大的辦公及購(gòu)物群——約堡東門購(gòu)物中心。該購(gòu)物中心并沒有安裝空調(diào)，但卻涼爽宜人，它所消耗的能量只是與其同等規(guī)模常規(guī)空調(diào)的十分之一。它的設(shè)計(jì)靈感來源于非洲的白蟻，這些小生物們能夠在其塔樓巢穴中維持一個(gè)恒定的溫度。它們經(jīng)常開啟和關(guān)閉自己塔樓巢穴中的氣口，使得巢穴內(nèi)外的空氣得以對(duì)流——冷空氣從底部的氣口流入塔樓，與此同時(shí)熱空氣從頂部的煙囪流出，這一發(fā)現(xiàn)被建筑大師麥克·皮爾斯運(yùn)用到建筑中去。這項(xiàng)仿生科技的應(yīng)用，不僅節(jié)能增效，而且省下的空調(diào)設(shè)備的成本匯聚成了涓涓細(xì)流，造福了該建筑的租賃者，他們所付出的租金比周邊建筑的租賃者要少了20%。

日本夏普公司推出仿生型空調(diào)扇葉，在室內(nèi)機(jī)送風(fēng)板的設(shè)計(jì)上采用了類似鳥類羽毛的渦流器，使空調(diào)風(fēng)輪送風(fēng)效率調(diào)高30%，最大風(fēng)速比以往提高14%，在送風(fēng)量不變的前提下，鳥翼形狀的風(fēng)扇比傳統(tǒng)風(fēng)扇節(jié)電10W[9]。

3 結(jié)論與展望

暖通空調(diào)的仿生應(yīng)用這一概念提出較晚，一方面說明在現(xiàn)階段其仍不太成熟，而另一方面也說明它是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的產(chǎn)物，是一種新思想，新理念。將仿生學(xué)運(yùn)用到暖通空調(diào)行業(yè)的發(fā)展中，主要目的即實(shí)現(xiàn)建筑環(huán)境的節(jié)能環(huán)保以及創(chuàng)新。這也是目前解決城市環(huán)境污染，人們生活品質(zhì)下降問題的一種新思路。然而，暖通空調(diào)仿生涉及多個(gè)領(lǐng)域，多種學(xué)科，目前缺乏系統(tǒng)性研究，成功案例鮮見。其主要原因是因?yàn)椤吧矬w普遍存在以較大的密度和較高強(qiáng)度的材料配置在高應(yīng)力區(qū)，并以最少的結(jié)構(gòu)材料來承受最大的外力。而且，根據(jù)外界條件的變化，部分地調(diào)整和改變組織結(jié)構(gòu)，并具有再生的能力”。而建筑設(shè)備或系統(tǒng)是一個(gè)無生命體，不可能時(shí)時(shí)對(duì)外界的改變做出相應(yīng)的改變。

此外，建筑暖通空調(diào)設(shè)計(jì)模仿的是生物的獨(dú)特性，而這些優(yōu)良的特征都是經(jīng)過長(zhǎng)期歷史的演變才形成的，在這個(gè)仿生成為潮流的時(shí)代，對(duì)于暖通空調(diào)的設(shè)計(jì)過程或許可以模仿生物的進(jìn)化史。盡管自然界進(jìn)化過程比較緩慢，但每一步都是適應(yīng)自然環(huán)境的正確選擇。因此，暖通空調(diào)設(shè)計(jì)師們不要一味求快，優(yōu)秀的作品都是在汲取前人的經(jīng)驗(yàn)并不斷地改進(jìn)之下才形成的。并且，當(dāng)代建筑暖通空調(diào)仿生設(shè)計(jì)的產(chǎn)品層出不窮，如何進(jìn)一步優(yōu)化仿生產(chǎn)品，使其功能更加完善，也是在未來仿生設(shè)計(jì)中值得思考的問題。

模仿海鷗的風(fēng)扇和模仿蜻蜓的胡風(fēng)輪

［1］王立福，單欣，李堯.仿生學(xué)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2008，34（9）:78-80.

［2］賈賢，等.天然生物材料及其仿生工程材料［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［3］Hugh Aldersey-Williams.當(dāng)代仿生建筑［M］.盧昀偉，等，譯.大連:大連理工大學(xué)出版社，2004.

［4］徐曉琳.淺談建筑仿生文化的發(fā)展趨勢(shì)［J］.四川建材，2006，（2）:71-73.

［5］何炯德.新仿生建筑［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

［6］史蒂芬·柯克蘭.巴黎的重生［M］.鄭娜，譯.北京:社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社，2014.

［7］馬國(guó)馨.丹下建三（國(guó)外著名建筑叢書）［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1989（3）.

［8］楊曦，黃磊.基于暖通空調(diào)的設(shè)計(jì)分析［J］.北京科技資訊，2014.

［9］李保峰.仿生學(xué)的啟示［J］.建筑學(xué)報(bào)，2002（9）:24-26.