劉資軒

[摘 要]仿生學(xué)是指人類模仿生物功能，來發(fā)明創(chuàng)造的科學(xué)。仿生建筑學(xué)是仿生學(xué)的一個(gè)分支。仿生建筑以生物界某些生物體功能組織和形象構(gòu)成規(guī)律為研究對(duì)象，探尋自然界中科學(xué)合理的建造規(guī)律。并通過這些研究成果的運(yùn)用來豐富和完善建筑的處理手法，促進(jìn)建筑形體結(jié)構(gòu)以及建筑功能布局等的高效設(shè)計(jì)和合理形成。仿生建筑是綠色建筑。仿生建筑學(xué)的意義是為了運(yùn)用建筑類比的辦法從大自然中汲取創(chuàng)意靈感，與大自然相適應(yīng)。根據(jù)建筑仿生學(xué)的表現(xiàn)與應(yīng)用方法一般分為城市環(huán)境仿生、建筑材料仿生、建筑功能仿生、建筑結(jié)構(gòu)仿生、建筑形式仿生等五個(gè)部分。

[關(guān)鍵詞]仿生建筑學(xué)；建筑設(shè)計(jì)；應(yīng)用實(shí)例；

中圖分類號(hào)：TU 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）11-0079-02

隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，仿生建筑學(xué)作為一門獨(dú)立的學(xué)科已日臻成熟，并在土木工程建設(shè)中的應(yīng)用愈加廣泛。仿生建筑在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是一次大的嘗試，成為建筑發(fā)展的新趨勢(shì)。仿生建筑學(xué)理論的出現(xiàn)及應(yīng)用為仿生建筑的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了價(jià)值性較強(qiáng)的依據(jù)。本文主要探討仿生建筑學(xué)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。

1 城市環(huán)境仿生

城市環(huán)境仿生就是利用仿生學(xué)原理使城市布局和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使城市交通、環(huán)境綠化、居住水平都達(dá)到一個(gè)新的境界，使城市結(jié)構(gòu)功能改善。

北京最近規(guī)劃的五條通風(fēng)通道及即將推行的街區(qū)制就是城市仿生的實(shí)踐。最具有代表性的例子是1853年巴黎改建規(guī)劃，當(dāng)時(shí)在巴黎東、西郊規(guī)劃建設(shè)的兩座森林公園，東郊維星斯公園和西郊布倫公園的巨大綠化面積，就象征著人的兩肺，環(huán)形綠化帶與賽納河就象是人的呼吸管道，這樣就使新鮮空氣可以輸入城市的各個(gè)區(qū)域。巴黎市區(qū)內(nèi)環(huán)形和放射的各種主干與次要道路網(wǎng)就象是人的血管系統(tǒng)，使血流能夠循環(huán)暢通。這種城市環(huán)境仿生思想，不僅在當(dāng)時(shí)已起到了積極的作用，解決了困擾巴黎的城市交通與環(huán)境美化問題，使巴黎在世界上成為城市改建的成功范例，其城市環(huán)境仿生理論至今仍然值得借鑒 。

2 材料仿生

隨著生活水平的提高，人們對(duì)保溫隔熱隔音及高強(qiáng)輕質(zhì)的使用功能要求尤為強(qiáng)烈，這就對(duì)建筑材料提出了更高的要求。材料仿生重點(diǎn)模仿自然界生物體的身體結(jié)構(gòu)（如鳥類的羽毛）、生物體的天然“建筑”環(huán)境（如蜂窩），進(jìn)而開發(fā)出能體現(xiàn)現(xiàn)代節(jié)能環(huán)保理念的建筑材料。例如，建筑師模從蟻穴、蜂巢的結(jié)構(gòu)中獲得有益啟發(fā)，設(shè)計(jì)出了加氣混凝土，泡沫橡膠、樹脂混凝土等，把泡沫混凝土、加氣混凝土改造為具有隔墻功能的填充物，不但能起到吸收噪聲和保溫的作用，還可以減少隔墻自重。若把陶?；炷翍?yīng)用到梁板結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)自重減輕了，混凝土量的投入也會(huì)更少。國(guó)家游泳中心水立方設(shè)計(jì)中不僅利用水的裝飾作用，同時(shí)還利用其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)。采用在整個(gè)建筑內(nèi)外層包裹的ETFE膜（乙烯-四氟乙烯共聚物）是一種輕質(zhì)新型材料，具有有效的熱學(xué)性能和透光性，可以調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，冬季保溫、夏季散熱，而且還會(huì)避免建筑結(jié)構(gòu)受到游泳中心內(nèi)部環(huán)境的侵蝕。更神奇的是，如果ETFE膜有一個(gè)破洞，不必更換，只需打上一塊補(bǔ)丁，它便會(huì)自行愈合，過一段時(shí)間就會(huì)恢復(fù)原貌，參觀過該館的人都會(huì)留下深深的印象。

3 建筑功能仿生

大自然精彩絕倫的設(shè)計(jì)勢(shì)必忠實(shí)于功能，建筑設(shè)計(jì)貼近于自然，才能探尋到一個(gè)近乎徹底功能化的良好路徑。建筑的功能異常繁多，自然界的生物提供了將各種功能有效組織起來成為一個(gè)完整的整體的成功范例，既離不開單一化功能元素的累積，也依賴多功能發(fā)展中的整合。當(dāng)代建筑的集中化傾向使得超高層多功能建筑層出不窮，這便要求設(shè)計(jì)者在有限的范圍內(nèi)高效率地組織每個(gè)部分的關(guān)系，以使這些空間發(fā)揮更多的功能。

比如：蜜蜂的巢房是一個(gè)無數(shù)正六邊形緊密排列的空間薄膜組合體，一個(gè)個(gè)緊密排列。我國(guó)建筑界的元老級(jí)人物唐璞唐老先生早在80年代初期就開始了對(duì)六邊形結(jié)構(gòu)在住宅中運(yùn)用的研究，他將這種住宅稱為“工業(yè)化蜂窩原件的組合體”。他通過分析發(fā)現(xiàn)蜂窩體系房間具有很多特點(diǎn)：隔聲方面，由于該體系的相鄰兩房間之間的公共墻體面積比一般體系要少1/3一23/，因此在隔聲措施上所需要的隔聲材料得以節(jié)??；采光方面，由于蜂窩體系的房間具有多面采光，采光口多，采光面積也大，而且由于六面體內(nèi)墻的面也比一般房間要多，因此其光反射次數(shù)也多，這些都可以提高住宅的采光效果；通風(fēng)方面，由于蜂窩元件的房間都是120度的鈍角，室內(nèi)氣流可以比較通暢無阻，不象矩形房間的90度墻角易于產(chǎn)生較大的空氣渦流，影響換氣效果：朝向方面，蜂窩住宅的開窗朝向的選擇性比一般住宅要多，在設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)具體情況選擇對(duì)每個(gè)房間日照都有利的朝向開窗。蜂窩住宅具有不言而喻的經(jīng)濟(jì)性、元素設(shè)計(jì)的統(tǒng)一性和平面布置的靈活性，在80年代的時(shí)代背景下具有很積極的意義，雖然如今住宅市場(chǎng)的發(fā)展?fàn)顩r與20多年前大為不同，但蜂窩住宅基于六邊形的設(shè)計(jì)理念對(duì)當(dāng)今的建筑設(shè)計(jì)仍具參考意義。又如：位于英國(guó)的滑鐵盧火車站，鐵路建筑延續(xù)了維多利亞的風(fēng)格，其屋頂由36根三弦弓式拱組合而成，其跨度在33m-55m之間。在東側(cè)，選用不銹鋼包裹的結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè)，每塊玻璃板的一側(cè)可經(jīng)可移動(dòng)的支架懸掛于鋼制結(jié)構(gòu)上；在西側(cè)，上部的結(jié)構(gòu)獨(dú)立于建筑表皮以外，玻璃板重疊搭接，游客可觀賞到英國(guó)國(guó)會(huì)大廈和泰晤士河的秀麗風(fēng)光，這種組合效果很像蜥蜴或穿山甲等爬行動(dòng)物的鱗片組織。

4 建筑結(jié)構(gòu)仿生

長(zhǎng)期以來，工程師很多時(shí)候比建筑師更擅長(zhǎng)利用大自然的生態(tài)規(guī)律，借助新材料技術(shù)成果創(chuàng)造仿生結(jié)構(gòu)體系。透過一滴水珠窺探出其自由落體的張力和薄壁高強(qiáng)的特點(diǎn)；觀察樹葉的葉脈組織可從中發(fā)現(xiàn)其網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)，這些均給建筑設(shè)計(jì)提供了廣闊的思路。但凡成功模仿生物體結(jié)構(gòu)的建筑，必定是輕質(zhì)高強(qiáng)、耐久、剛度大，其所用建材少而有具備美學(xué)價(jià)值的建筑體。不少節(jié)省建筑原材料而又獨(dú)具美學(xué)價(jià)值的結(jié)構(gòu)樣式，均是模仿生物體的組織結(jié)構(gòu)或其周邊生存環(huán)境而設(shè)想出來。

例如，“薄殼結(jié)構(gòu)”在生物界中早就存在，比如龜殼、蛋殼、貝殼、海螺殼以及動(dòng)物的頭骨等都是這種結(jié)構(gòu)。這種曲度均勻，質(zhì)地輕巧的材料雖然會(huì)很薄，但是在同等質(zhì)地的不同造型材料對(duì)比可以看出，他的耐壓能力更強(qiáng)。因?yàn)槟７逻@種曲度設(shè)計(jì)的物體在收到外力作用后，可以使力量均勻的沿著表面分布并擴(kuò)散。這種力學(xué)特征，在建筑學(xué)中廣泛應(yīng)用，悉尼大劇院就是以貝殼為造型的最著名的建筑。他的曲線流暢，與大海融為一體，是無數(shù)藝術(shù)家夢(mèng)寐以求的地方。沙利寧的環(huán)球航空站，其結(jié)構(gòu)上擁有四瓣集合式薄殼，中部有可供采光的縫隙，四瓣薄殼呈Y形支撐，與人頭蓋骨的外觀形態(tài)基本相似。其設(shè)計(jì)靈感全部根據(jù)薄殼的本質(zhì)：其造型不受幾何形體的約束，幾乎沒有任何拋物線、圓形或直角的痕跡，然而，每條曲線均能凸顯物理學(xué)中的“力”的內(nèi)涵特點(diǎn)。屋頂由大曲面構(gòu)成，屋頂側(cè)邊肋條的斷面隨著外部負(fù)載的增加而擴(kuò)大支撐范圍，同時(shí)，薄殼的力量得以進(jìn)一步強(qiáng)化而不致于產(chǎn)生任何形變現(xiàn)象。支柱的樣式也是依照自身承受外力的大小所設(shè)計(jì)的。

5 建筑形式仿生

建筑學(xué)十分注重美學(xué)價(jià)值和藝術(shù)觀賞性，同時(shí)也體現(xiàn)人類城市的現(xiàn)代化進(jìn)程。建筑形式的仿生學(xué)設(shè)計(jì)靈感來源于大自然中每類動(dòng)植物的外形，生物體的細(xì)胞及骨骼架構(gòu)，為建筑的外形設(shè)計(jì)提供了非常豐富的外觀模型。依照仿生設(shè)計(jì)的手段差異，可將建筑形式的仿生劃分為抽象仿生和象形仿生。

5.1 抽象仿生

抽象仿生不拘泥于建筑物的外觀設(shè)計(jì)，而是使建筑物表現(xiàn)更強(qiáng)烈的含義。這類仿生設(shè)計(jì)辦法不但能彰顯當(dāng)?shù)氐奈幕l(fā)展趨勢(shì)，更能直接反映建筑物的美學(xué)內(nèi)涵。例如，位于美國(guó)紐約的“自由女神像”，將人體的藝術(shù)形態(tài)展現(xiàn)的淋漓盡致，彰顯自由與和平的藝術(shù)設(shè)計(jì)主旨?！翱吹浇烫煤陚サ幕?，我的心中產(chǎn)生了詩(shī)人般的沖動(dòng)?！笨虏嘉饕Q朗香教堂為“純粹的精神創(chuàng)作”。于是，我們看到的教堂布局就宛如人的耳朵，在這里祈禱誦經(jīng)都更容易讓上帝聽到。

5.2 象形仿生

象形仿生是把大自然中生物體生存的外部狀態(tài)借助一定的藝術(shù)手法，并將其反映到建筑作品中。建筑上模仿貝殼修造的大跨度薄殼建筑，模仿股骨結(jié)構(gòu)建造的立柱，既消除應(yīng)力特別集中的區(qū)域，又可用最少的建材承受最大的載荷。例如，為迎接2008北京奧運(yùn)所建造的國(guó)家體育場(chǎng)——“鳥巢”，其設(shè)計(jì)思想來源于大自然中的鳥類的住所；蛋殼呈拱形，跨度大，包括許多力學(xué)原理。雖然它只有2 mm的厚度，但使用手握很難破壞它。建筑學(xué)家模仿它進(jìn)行了薄殼建筑設(shè)計(jì)。這類建筑有許多優(yōu)點(diǎn)：用料少，跨度大，堅(jiān)固耐用。薄殼建筑也并非都是拱形，舉世聞名的悉尼歌劇院則像一組泊港的群帆。

6 結(jié)束語

仿生建筑學(xué)奉大自然為“總建筑宗師”，它所創(chuàng)作的每個(gè)“旋律”和“音符”均值得建筑師們不懈摸索和效仿。仿生建筑學(xué)發(fā)展到今天，已積累了大量成功的建筑實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，仿生建筑學(xué)隨著建筑理念的演變和發(fā)展，已不再單純地追求設(shè)計(jì)的多元化，而是更注重建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)用價(jià)值。本文所列舉的城市環(huán)境仿生、建筑材料仿生、建筑功能仿生、建筑結(jié)構(gòu)仿生、建筑形式仿生等類型，已不再拘泥于單體仿生設(shè)計(jì)，必定在其它建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著更為廣泛的用途。在仿生建筑學(xué)的啟發(fā)和建筑師的不懈努力下，未來仿生建筑將更具新穎性和生態(tài)性，更加宜居環(huán)保，具有可持續(xù)性。

參考文獻(xiàn)

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