陳子穎

（南京理工大學(xué) 設(shè)計(jì)藝術(shù)與傳媒學(xué)院，南京 210094）

引言

針對(duì)我國(guó)社會(huì)發(fā)展中存在著環(huán)境污染和人口住房擁擠兩大問(wèn)題，國(guó)家已經(jīng)將建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)作為一種未來(lái)的發(fā)展政策。尤其是在許多工業(yè)發(fā)達(dá)、人口密集的城市環(huán)境污染問(wèn)題尤為突出。近年來(lái)冬季霧霾嚴(yán)重影響著城市發(fā)展和人們的日常生活。而且在中國(guó)大多數(shù)的中大型的城市，尤其在北上廣這種人口密集的地方，建筑密度大、住房老舊存在危險(xiǎn)性。如何在這兩大問(wèn)題的并集中尋找解決方法？我把目光投向了高層建筑，致力于增大城市垂直空間的使用密度。同時(shí)讓“動(dòng)態(tài)”走進(jìn)建筑，使縱向和橫向空間達(dá)到一個(gè)多維的和諧效果。

國(guó)內(nèi)在高層動(dòng)態(tài)仿生建筑領(lǐng)域的研究方面，許多設(shè)計(jì)師進(jìn)行了富有成效的研究探索，典型作品之一是馬巖松作品“城市森林”項(xiàng)目。而在歷史上，柯布西埃在他的城市構(gòu)想中提出：未來(lái)的城市必須集中，應(yīng)該采用大量高層建筑來(lái)提高密度。今天我想說(shuō)的也正是類似于柯布西埃的一種城市發(fā)展模式。未來(lái)的城市會(huì)變化成什么樣子的呢？我們又該何去何從呢？

非線性理論設(shè)計(jì)表現(xiàn)表達(dá)的方法之一就是仿生設(shè)計(jì)手法。所謂仿生設(shè)計(jì)就是一個(gè)從自然界中獲取元素并加以學(xué)習(xí)利用的過(guò)程，是對(duì)最原始傳統(tǒng)的回應(yīng)。仿生設(shè)計(jì)，顧名思義，它涉及到的學(xué)科范圍也十分的廣泛，生物學(xué)與設(shè)計(jì)學(xué)占據(jù)著主導(dǎo)的地位，同時(shí)還有力學(xué)、材料學(xué)等等學(xué)科與之相輔相成。但是我之所以認(rèn)定仿生設(shè)計(jì)方向的原因，是因?yàn)檫@些其他的表達(dá)方法反過(guò)來(lái)又能通過(guò)仿生設(shè)計(jì)體現(xiàn)出來(lái)。例如仿生動(dòng)態(tài)建筑的一些空氣循環(huán)的功能需要借助建筑物的表皮去進(jìn)行切換，以及在外部形態(tài)上做一些幾何的秩序排列和變形。所以說(shuō)，我也擬用仿生設(shè)計(jì)體現(xiàn)出的這些表達(dá)方法去回應(yīng)未來(lái)城市發(fā)展趨勢(shì)。

一、仿生建筑發(fā)展歷程概述

針對(duì)仿生建筑發(fā)展歷程，我把其分為傳統(tǒng)仿生和現(xiàn)代仿生兩個(gè)階段。

（一）傳統(tǒng)仿生：形式仿生+結(jié)構(gòu)仿生+低層次的功能仿生

形式仿生是單純模仿自然形態(tài)。傳統(tǒng)仿生的開(kāi)端是高迪的圣家族大教堂。圣家族大教堂的設(shè)計(jì)又是仿生建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)開(kāi)端。其所處的時(shí)代發(fā)展背景也對(duì)圣家族教堂的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了許多影響，這些背景融合它的設(shè)計(jì)理念迸發(fā)出了圣家族大教堂的設(shè)計(jì)方案。他分析樹(shù)干的受力結(jié)構(gòu)，將教堂里的柱子做成樹(shù)干的形態(tài)，在頂部以及其他的地方使用了許多海生植物（?？麨橹鳎┑茸匀恢髁x的裝飾形式。此外，他還在建筑外立面做成適合鳥(niǎo)兒棲息的凹凸不平的形態(tài)，更多的考慮了與周圍環(huán)境之間的關(guān)系，已經(jīng)初具建筑表皮的雛形。

結(jié)構(gòu)仿生更具進(jìn)步性，包括膜結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、蜂巢結(jié)構(gòu)、腔結(jié)構(gòu)等等。日本代代木體育館的懸索結(jié)構(gòu)就是模仿了蜘蛛結(jié)網(wǎng)的受力過(guò)程。我把功能仿生也歸類在傳統(tǒng)仿生建筑中，功能仿生主要是探究自然界物質(zhì)存在的功能原理，并把原理運(yùn)用到實(shí)踐中去。

（二）現(xiàn)代仿生：仿生動(dòng)態(tài)建筑

結(jié)構(gòu)仿生中的腔結(jié)構(gòu)是仿生動(dòng)態(tài)建筑的雛形。“造腔”指的是自然能量的應(yīng)用，如風(fēng)能、太陽(yáng)能和雨水，是一種類似于生物腔，包括中庭、天井、通風(fēng)口等。調(diào)節(jié)微氣候的內(nèi)部空間。有些氣體含有—它具有內(nèi)部調(diào)節(jié)功能，如肺腔，鼻、腸、胃。微結(jié)構(gòu)腔，促進(jìn)內(nèi)部循環(huán)，消化，吸收和排泄—加強(qiáng)材料與能源的交換與循環(huán)利用。根據(jù)這一生物學(xué)特征，研究人員提出了建筑腔體的概念。這是類似于動(dòng)態(tài)仿生建筑原理的一種結(jié)構(gòu)仿生方法。仿生動(dòng)態(tài)建筑在此基礎(chǔ)上變化、發(fā)展。

二、動(dòng)態(tài)仿生建筑類型

動(dòng)態(tài)建筑是指建筑或其局部進(jìn)行物理行為的移動(dòng)、改變、調(diào)整等，來(lái)應(yīng)對(duì)使用者需求和周圍環(huán)境變化的需求?！皠?dòng)態(tài)建筑”與“仿生設(shè)計(jì)”相碰撞，產(chǎn)生了仿生動(dòng)態(tài)建筑這個(gè)詞。我將仿生動(dòng)態(tài)建筑分為外在和內(nèi)在的兩類。（圖1）

建筑功能往往是復(fù)雜的，而且本質(zhì)上是生物學(xué)的。有機(jī)組織為我們提供了成功的例子。這不僅僅是單功能元素的疊加，也包括集成多功能開(kāi)發(fā)過(guò)程，導(dǎo)致在更高發(fā)展階段的新特點(diǎn)。未來(lái)，我們生活和工作的內(nèi)部空間可以設(shè)計(jì)成作為活的有機(jī)體的功能，特別與環(huán)境相適應(yīng)，并且能夠從周圍環(huán)境獲取我們對(duì)能量和水的需求。因?yàn)槲艺J(rèn)為外在的動(dòng)態(tài)仿生更偏向形態(tài)、結(jié)構(gòu)仿生，所以以下內(nèi)容的陳述重點(diǎn)放在了對(duì)內(nèi)在的動(dòng)態(tài)仿生建筑的闡述上。

（一）太陽(yáng)能仿生技術(shù)

太陽(yáng)能是能量來(lái)源的一個(gè)重要途徑。只要地球還圍繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，太陽(yáng)光就是取之不盡用之不竭的。如何高效的把太陽(yáng)光利用在動(dòng)態(tài)建筑上，成為我們思考的一個(gè)問(wèn)題。太陽(yáng)能的利用在現(xiàn)階段分為兩種形式。

1.被動(dòng)式太陽(yáng)能的利用

這種方式主要是利用葉片的趨光特性，合理安排樓層的布置并有效的收集太陽(yáng)光。這里應(yīng)用的一種自然規(guī)律是“葉序”，葉序是指葉在莖上排列的方式，植物體通過(guò)一定的葉序，使葉均勻地、適合地排列，充分地接受陽(yáng)光，有利于光合作用的進(jìn)行。受此影響葉子的排列呈現(xiàn)馬賽克的形態(tài)，許多精致而獨(dú)特的螺旋狀的摩天大樓被設(shè)計(jì)出來(lái)，并且每一個(gè)房間都有充足的陽(yáng)光和新鮮的空氣。這就給“把景觀引進(jìn)建筑”提供了一個(gè)很好的契合點(diǎn)。利用建筑整體的“葉序”原理加上每層的生態(tài)植物布置，整棟建筑就像一個(gè)大的景觀活體。使得仿生建筑的形式并非局限在外形和構(gòu)造的仿生研究上，而是探索自然界物質(zhì)存在的功能原理，更多的引入科學(xué)技術(shù)，更加綠色節(jié)能環(huán)保，并且在整體上與自然環(huán)境更加的適應(yīng)。

荷蘭鹿特丹的城市仙人掌就是充分利用了“葉序”原理中的“互生”，設(shè)計(jì)師為每一位住戶增加了為毫無(wú)生氣的建筑增添了大自然的元素，真正實(shí)現(xiàn)了自我凈化、循環(huán)的效果。從外觀上看“城市仙人掌”，會(huì)發(fā)現(xiàn)建筑整體就像從莖上生長(zhǎng)出來(lái)許多葉片，“葉片”其實(shí)是每一住戶擁有的向外伸出的綠色戶外空間（圖2）。不僅戶外空間中的植物能很好的進(jìn)行光合作用，從而分解大氣中的二氧化碳，還能使得室內(nèi)的空間獲得更多的太陽(yáng)光。

2.主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑

主動(dòng)式太陽(yáng)能建筑是指運(yùn)用光熱、光電等可控技術(shù)利用太陽(yáng)能資源實(shí)現(xiàn)收集、蓄存和使用太陽(yáng)能，進(jìn)而以太陽(yáng)能為主要能源的節(jié)能建筑。最常見(jiàn)的形式就是太陽(yáng)能板，通過(guò)太陽(yáng)能光伏集成技術(shù)，與建筑表皮結(jié)合。美國(guó)的“樹(shù)紋塔”摩天大樓就在建筑外表面上大量的采用太陽(yáng)能板，收集足夠多的太陽(yáng)光供應(yīng)建筑內(nèi)部的使用。（圖3）

（二）自然通風(fēng)和散熱仿生技術(shù)

通風(fēng)在某種意義上來(lái)說(shuō)是為了散熱；而在不需要任何空調(diào)體統(tǒng)系統(tǒng)的前提下實(shí)現(xiàn)散熱，通風(fēng)無(wú)疑是一種最好的途徑。為了避開(kāi)污染的室外環(huán)境，人們就更愿意呆在舒適的“空調(diào)屋”。如何讓仿生技術(shù)的應(yīng)用取代空調(diào)系統(tǒng)，是又一個(gè)值得思考的問(wèn)題。我用白蟻巢穴自循環(huán)系統(tǒng)和“鱗片”系統(tǒng)來(lái)分類兩種不同類型的通風(fēng)技術(shù)。

1.白蟻巢穴自循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)用

前面提到過(guò)的腔結(jié)構(gòu)仿生其實(shí)就已經(jīng)初具自然調(diào)節(jié)的雛形。這里我主要以白蟻巢穴的存在機(jī)理為研究重點(diǎn)闡述，主要有通風(fēng)和散熱兩個(gè)特性，與煙囪效應(yīng)相似。（圖4）

（1）通風(fēng)

蟻穴既能適應(yīng)寒冷，又能保持溫暖。其原理是，從地下水位以下的深層土壤用作冷卻源。同時(shí)，新鮮的空氣通過(guò)土堆的下部進(jìn)入。并留在底部冷卻泥漿。環(huán)境與連續(xù)封堵通風(fēng)控制或打開(kāi)地面和地面通風(fēng)口。這個(gè)精致的結(jié)構(gòu)大大提高了蟻穴的內(nèi)部溫度控制能力。通風(fēng)，保證足夠的氧氣供應(yīng)，并提供保暖隔熱，使土堆成為虛擬空氣。

（2） 散熱

夜晚氣溫低，蟻穴上方的排氣孔關(guān)閉，讓暖空氣留在蟻穴中；穴外溫度開(kāi)始上升，蟻穴內(nèi)部循環(huán)加快；當(dāng)溫度升高或外界下雨時(shí)，蟻穴上方的排氣孔打開(kāi)，同時(shí)冷空氣經(jīng)過(guò)土壤降溫，由于蟻穴內(nèi)部氣壓降低被吸進(jìn)蟻穴；當(dāng)夜間溫度適宜時(shí)，蟻穴內(nèi)部氣流與外界交換，直到低溫時(shí)關(guān)閉。在蟻穴中工蟻不斷的開(kāi)挖和堵塞通氣孔，使得內(nèi)部溫度保持恒定（圖5）。津巴布韋的東門中心同樣運(yùn)用了白蟻巢穴的存在機(jī)理且更為典型。因其所在地的氣候條件屬熱帶草原氣候，晝夜溫差大。為不使用空調(diào)設(shè)備，設(shè)計(jì)師從自然界尋求解決之道（室內(nèi)工作原理如圖6）。他曾說(shuō)過(guò)：“就像我們血管里的血液流動(dòng)一樣，在蟻穴里的空氣也是由外界的氣溫和壓力控制的。蟻穴就像我們的身體系統(tǒng)一樣。它自己可以智能地調(diào)節(jié)溫度，這是一種優(yōu)秀的建筑模式?！?/p>

2.“鱗片”系統(tǒng)

還有一種通風(fēng)的方式是依靠建筑表皮上的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。最典型的例子就是韓國(guó)的DANCING DRAGON雙子塔，如塔的名字一樣，建筑表皮真的像是巨龍的鱗片，鱗片一樣的建筑表皮可開(kāi)合，重疊面板間縫隙還設(shè)有通風(fēng)孔，所以說(shuō)其建筑表皮具有“可呼吸性”，空氣可以通過(guò)這些通道實(shí)現(xiàn)循環(huán)流通。這樣的實(shí)例還有許多。其實(shí)對(duì)于建筑表皮的研究與仿生動(dòng)態(tài)建筑是不可分割的，例如仿造一些甲蟲(chóng)的殼去收集冷凝水，以及結(jié)構(gòu)仿生中的膜結(jié)構(gòu)（水立方）作為建筑的外表皮，利用內(nèi)外的受力關(guān)系極大發(fā)揮材料的抗拉性能等。

（三）仿生技術(shù)的集合-仿生代謝系統(tǒng)

新陳代謝的概念是一種在日本發(fā)展起來(lái)的建筑創(chuàng)作方法。新陳代謝強(qiáng)調(diào)成長(zhǎng)、變化，它主張采用新技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，其認(rèn)為城市和建筑不是靜態(tài)的，而是動(dòng)態(tài)的。我將仿生動(dòng)態(tài)建筑中的仿生代謝系統(tǒng)定義為擁有太陽(yáng)能仿生技術(shù)、自然通風(fēng)和散熱仿生技術(shù)和風(fēng)能發(fā)電技術(shù)等多種動(dòng)態(tài)建筑在技術(shù)層面的仿生形式融合在一起的產(chǎn)物。

加拿大多倫多的樹(shù)塔大樓所呈現(xiàn)狀態(tài)是未來(lái)城市最純粹的單體狀態(tài)。建筑所呈現(xiàn)出的天然外觀，將常見(jiàn)的“建筑與城市”的關(guān)系轉(zhuǎn)化為“建筑與自然”的關(guān)系（圖7），丹麥“空中村莊”的垂直農(nóng)業(yè)構(gòu)想也印證了此觀點(diǎn)。

三、基于白蟻巢穴的行為仿生和未來(lái)整體城市構(gòu)想

高層建筑+仿生動(dòng)態(tài)建筑=？碰撞產(chǎn)生的結(jié)合點(diǎn)又該從哪找尋?；谌丝诿芏群铜h(huán)境污染這兩個(gè)問(wèn)題點(diǎn)，筆者大膽的假想未來(lái)城市整體運(yùn)行模式，力求在新設(shè)計(jì)中解決這些現(xiàn)存的問(wèn)題。

> 圖1 動(dòng)態(tài)仿生建筑類型

> 圖2 城市仙人掌模型

> 圖3 美國(guó)樹(shù)紋塔

> 圖4 煙囪通風(fēng)示意

> 圖5 蟻穴內(nèi)部空氣交換

> 圖6 津巴布韋東門中心通風(fēng)原理

> 圖7 空中村莊構(gòu)想

> 圖8 柱廊空間系統(tǒng)

> 圖9 熱島效應(yīng)

（一）思想來(lái)源

現(xiàn)代大樓的構(gòu)造，多半都以框架結(jié)構(gòu)的梁柱所組成。根據(jù)上個(gè)世紀(jì)初由密斯所提出的“通用空間”概念，由均質(zhì)的梁柱構(gòu)造涵括建筑內(nèi)所有的機(jī)能，以及柯布西耶所提出的“多米諾系統(tǒng)”，亦即建筑還原了以柱子和地板，穿越上下樓層的階梯為最低必要限度的構(gòu)成要素，所延伸出來(lái)的構(gòu)造形式。

（二）工作原理

1. 建筑單體發(fā)展設(shè)想

單體建筑的概念雛形可以用上海的“無(wú)人駕駛飛行汽車塔”來(lái)歸納。目前還只是概念建筑，其主打綠色建筑（引入了景觀）：大樓頂層利用太陽(yáng)能，中間層利用風(fēng)力，最下層利用水力。最重要的一點(diǎn)，也是我為什么把它作為未來(lái)城市中單體建筑基本形式的原因：建筑內(nèi)部利用了模仿白蟻巢穴的自循環(huán)系統(tǒng)。在其中心結(jié)構(gòu)上裝有多個(gè)二氧化碳提取器，從頂上的煙囪里排出處理過(guò)的二氧化碳。這樣，一個(gè)建筑單體滿足了所有的功能整合和生態(tài)需要。但是基于對(duì)仿生動(dòng)態(tài)建筑不同特質(zhì)的研究，我們可以利用也有混沌、分形、表皮藝術(shù)、網(wǎng)絡(luò)交織等等方法表現(xiàn)建筑的整體形態(tài)。

2. 建筑群發(fā)展設(shè)想

關(guān)于單體建筑之間的關(guān)聯(lián)性和連接性，我用伊東豐雄用于仙臺(tái)傳媒中心的其中兩點(diǎn)設(shè)計(jì)理念，綜合我的設(shè)想闡述具體構(gòu)思。

（1）管狀柱管子仿造竹子的形態(tài)

每根單管相當(dāng)于柱子，利用“力流”原理，起到分力和承重的作用。同時(shí)管狀柱子是一個(gè)“通用空間”，也運(yùn)用了“煙囪效應(yīng)”。每根柱子周圍都形成以柱為中心的同心圓空間，多顆柱子的同心圓就像波紋一樣相互交錯(cuò)重疊，描繪出場(chǎng)所內(nèi)的一組組等壓線。如果空間連續(xù)的話，柱子也會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)性的“場(chǎng)所”。我認(rèn)為在未來(lái)城市中，每一個(gè)仿生動(dòng)態(tài)建筑的單體就相當(dāng)于一根柱子，竹節(jié)就是建筑間的連接方式，而相當(dāng)于“連廊”的水平面起著連接單個(gè)建筑建筑的作用，整個(gè)空間是連續(xù)的，城市像是被絲帶串聯(lián)，增加了人與人互動(dòng)交流的機(jī)會(huì)。城市整體好似森林里的竄天大樹(shù)，依靠空中連廊連接在一起。縱向、橫向空間交錯(cuò)發(fā)展，形成一個(gè)龐大的生態(tài)系統(tǒng)。（圖8）

（2）表皮

1）形態(tài)、結(jié)構(gòu)仿生思路在未來(lái)高層仿生建筑群中的應(yīng)用

在建筑群表皮的表達(dá)上，我們運(yùn)用形態(tài)和結(jié)構(gòu)仿生的設(shè)計(jì)方法，采用膜結(jié)構(gòu)、剝殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)的物理學(xué)優(yōu)勢(shì)做分解、重組、重復(fù)的變形。在外觀看起來(lái)千篇一律的高層仿生建筑群中“存異”，尋找特點(diǎn)和辨識(shí)度。

2）表皮的透明性和邊界的模糊

表皮在仙臺(tái)中心的作用于視覺(jué)和節(jié)能有關(guān)，正是伊東將表皮弱化，模糊了室內(nèi)外的邊界，使建筑的獨(dú)特結(jié)構(gòu)被推到視覺(jué)前臺(tái)。這同樣適用于建筑與建筑之間關(guān)系的處理上，邊界的模糊致使整片仿生建筑群不再冰冷、孤立，使得建筑間的流動(dòng)性加強(qiáng)。

3. 整體城市狀態(tài)

城市中現(xiàn)存的熱島效應(yīng)現(xiàn)象近乎白蟻巢穴的散熱原理。未來(lái)城市構(gòu)想中建筑單體的熱空氣也是向上排出。仿生動(dòng)態(tài)建筑的特性之一就是把景觀引進(jìn)建筑，利用植物的光合作用消耗部分的二氧化碳，同時(shí)也能加強(qiáng)建筑間氣流的流動(dòng)，達(dá)到自循環(huán)的平衡效果，緩解熱島效應(yīng)。（圖9）

（三）計(jì)算機(jī)輔助在未來(lái)城市中的應(yīng)用

在未來(lái)城市的構(gòu)建中，利用VR技術(shù)模擬城市的整體狀態(tài)。讓人們?cè)谝曈X(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等方面對(duì)未來(lái)城市有真實(shí)的體驗(yàn)和感受。同時(shí)，在未來(lái)城市規(guī)劃中也有更大程度的應(yīng)用，例如用在城市的整體規(guī)劃、在植物引入方面虛擬不同季節(jié)等。扎哈、蓋里等非線性大師慣用的設(shè)計(jì)方法，利用計(jì)算機(jī)內(nèi)部程序生成建筑形體。但是要注意，在利用計(jì)算機(jī)手段生成建筑的同時(shí)注意與內(nèi)部秩序相結(jié)合，讓設(shè)計(jì)理念和過(guò)程引導(dǎo)其過(guò)程，不要用計(jì)算機(jī)來(lái)“做”設(shè)計(jì)。

四、結(jié)語(yǔ)

本文基于現(xiàn)存的的社會(huì)問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)在常用的仿生設(shè)計(jì)手法以及高層動(dòng)態(tài)建筑的發(fā)展現(xiàn)狀，創(chuàng)新性的提出未來(lái)城市發(fā)展趨勢(shì)的假想。但是這種新思路也存在如下問(wèn)題：（1）安全問(wèn)題，安全需求在馬斯洛需求理論中占第二位，仿生動(dòng)態(tài)建筑可能因?qū)痈哌^(guò)高，比如地震發(fā)生時(shí)的逃生問(wèn)題，以及如何保證較高樓層內(nèi)部人員日常的安全問(wèn)題。（2）煙囪效應(yīng)帶來(lái)的負(fù)面影響。（3）底層和高層溫差大。在以后的研究中，我會(huì)繼續(xù)從運(yùn)用仿生設(shè)計(jì)理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)，去尋求這些問(wèn)題的解決方案。因本文提出的個(gè)人觀點(diǎn)較多，如有錯(cuò)誤，還請(qǐng)各位讀者和研究者批評(píng)指正！在此表示衷心的感謝！■